Q2011: Origen de la vida y biología sintética

El año 2011 que ahora acaba ha sido un año apasionante para la química, no porque fuese su año oficial, sino por los resultados obtenidos en los laboratorios. En esta entrada y en una próxima intentaremos repasar los que, a nuestro juicio, son los resultados más interesantes. Nos centraremos en dos grandes áreas: en esta entrada hablaremos del origen de la vida y biología sintética y en la próxima de diseño, estructura y discriminación moleculares.

No podemos empezar este repaso de otra manera que no sea mencionando el redescubrimiento de muestras olvidadas en el laboratorio de Stanley Miller. Las muestras, correspondientes a un experimento llevado a cabo en 1958, analizadas por Parker et al. [1], sugieren que las plumas volcánicas podrían haber tenido un papel importante en la formación de moléculas relevantes desde el punto de vista biológico.

Por otra parte están las investigaciones que se han centrado en averiguar cómo las moléculas prebióticas terminaron encerradas en células. Cape et al. [2] fabricaron vesículas primitivas para investigar cómo las primeras estructuras protocelulares habrían obtenido energía. El equipo de Cape construyó vesículas a partir de ácidos grasos e hidrocarburos poliaromáticos con iones metálicos atrapados en el hueco central. Los hidrocarburos poliaromáticos actuaron como fotocatalizadores, reduciendo los aniones metálicos que después eran regenerados por moléculas exteriores a la “célula” que actuaban como fuente de protones.

Sin embargo, en esta línea de investigación, el resultado más llamativo para los exobiólogos y amantes de la ciencia ficción es el de Li et al. [3] que fabricaron membranas celulares basadas en silicio. El equipo de investigadores consiguió que nanopartículas de sílice fuesen funcionales con grupos dimetilsilano y silanol, lo que les confería la propiedad de ser por una parte hidrofóbicas y por otra hidrofílicas, demostrando que las protocélulas de sílice son permeables y pueden albergar enzimas funcionales.

Otra línea de investigación con resultados muy interesantes ha sido la de los orígenes de la quiralidad en la vida en la Tierra. Así, Viedma et al. [4] consiguieron enriquecer el aminoácido valina mediante la sublimación continua de un racemato del compuesto, lo que cambiaba la forma de recristalización (más detalles aquí). Posteriormente Viedma et al. [5] también demostraron que hervir un disolución supersaturada también afecta al proceso de cristalización, con el resultado de una sola fase quiral. 

Hein et al. [6] sugirieron otra razón para el origen de la quiralidad de la vida usando amplificación química y el hecho bien conocido de que por encima de un cierto exceso de enantiómero las mezclas que cristalizan favorecen los cristales del mismo enantiómero. El equipo de Hein consiguió demostrar que con solo un ligero exceso (1%) de prolina, los precursores del ARN cristalizan con un exceso de enantiómero del 100%. Esto es, un mínimo desequilibrio que podría haber ocurrido al azar y una vez alcanzado un punto de no retorno y la vida sólo usa aminoácidos levógiros y azúcares dextrógiros [este paper es el origen de la idea que luego resultó ser mi relato Un reflejo de la Tierra].

La hipótesis del mundo de ARN también consiguió un importante apoyo este año a partir del trabajo de Wochner et al. [7] Esta hipótesis, propuesta por Francis Crick en 1968, sugiere que la vida en la Tierra comenzó con una molécula de ARN autorreplicante, pero sigue sin una prueba sólida. Wochner et al. volvieron a estudiar un ARNzima potencial de los años noventa del siglo pasado que fue considerado en su momento un callejón sin salida y, introduciendo presión evolutiva, encontraron finalmente una molécula de ARN que puede replicar hasta 93 bases sin ninguna otra ayuda.

Pero la investigación no se quedó en el estudio del origen de la vida, también hubo avances en la vida sintética. Marlière et al. [8] desarrollaron una “barrera genética” que podría prevenir que ADN manipulado/sintético pudiera cruzarse con una especie silvestre. El grupo consiguió acelerar la evolución de una cepa de Escherichia coli que usaba un análogo clorado de la timina, clorouracilo, como una de las bases de su ADN y podía sobrevivir sin timina. La idea del equipo de investigadores es desarrollar una vida paralela, pero completamente separada, que no pueda volver a usar timina. (más información aquí).

Si reemplazar una de las bases del ADN no te parece suficiente, ¿qué tal incorporar dos nuevas? Yang et al. [9], el equipo de Steven Benner, el hombre que inició el campo de la biología sintética, crearon dos nuevas bases que se parecen a la naturales pero que tienen patrones de enlace de hidrógeno ortogonales. El nuevo ADN GATCZP ya ha sido replicado en células artificiales y el equipo está intentado introducirlo en E. coli. Estos serían los cimientos de otra forma separada de vida sintética (más información aquí).

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la X Edición del Carnaval de Química que acoge BioUnalm y en la VIII Edición del Carnaval de Biología que alberga Resistencia Numantina 


Referencias:

[1] Parker, E., Cleaves, H., Dworkin, J., Glavin, D., Callahan, M., Aubrey, A., Lazcano, A., & Bada, J. (2011). Primordial synthesis of amines and amino acids in a 1958 Miller H2S-rich spark discharge experiment Proceedings of the National Academy of Sciences, 108 (14), 5526-5531 DOI: 10.1073/pnas.1019191108

[2] Cape, J., Monnard, P., & Boncella, J. (2011). Prebiotically relevant mixed fatty acid vesicles support anionic solute encapsulation and photochemically catalyzed trans-membrane charge transport Chemical Science, 2 (4) DOI: 10.1039/c0sc00575d

[3] Li, M., Green, D., Anderson, J., Binks, B., & Mann, S. (2011). In vitro gene expression and enzyme catalysis in bio-inorganic protocells Chemical Science, 2 (9) DOI: 10.1039/c1sc00183c

[4] Viedma, C., Noorduin, W., Ortiz, J., Torres, T., & Cintas, P. (2011). Asymmetric amplification in amino acid sublimation involving racemic compound to conglomerate conversion Chemical Communications, 47 (2) DOI: 10.1039/c0cc04271d

[5] Viedma, C., & Cintas, P. (2011). Homochirality beyond grinding: deracemizing chiral crystals by temperature gradient under boiling Chemical Communications, 47 (48) DOI: 10.1039/c1cc14857e

[6] Hein, J., Tse, E., & Blackmond, D. (2011). A route to enantiopure RNA precursors from nearly racemic starting materials Nature Chemistry, 3 (9), 704-706 DOI: 10.1038/nchem.1108

[7] Wochner, A., Attwater, J., Coulson, A., & Holliger, P. (2011). Ribozyme-Catalyzed Transcription of an Active Ribozyme Science, 332 (6026), 209-212 DOI: 10.1126/science.1200752

[8] Marlière, P., Patrouix, J., Döring, V., Herdewijn, P., Tricot, S., Cruveiller, S., Bouzon, M., & Mutzel, R. (2011). Chemical Evolution of a Bacterium’s Genome Angewandte Chemie International Edition, 50 (31), 7109-7114 DOI: 10.1002/anie.201100535

[9] Yang, Z., Chen, F., Alvarado, J., & Benner, S. (2011). Amplification, Mutation, and Sequencing of a Six-Letter Synthetic Genetic System Journal of the American Chemical Society DOI: 10.1021/ja204910n