En 1848, el químico francés Louis Pasteur descubrió que algunas moléculas esenciales para la vida existen en formas especulares, muy parecidas a nuestras manos izquierda y derecha. Hoy en día, sabemos que la biología elige solo una de estas formas «quirales»: el ADN, el ARN y sus componentes básicos son todos dextrógiros, mientras que los aminoácidos y las proteínas son todos dextrógiros. Pasteur, que vio indicios de esta selectividad u «homoquiralidad», pensó que los campos magnéticos podrían explicarlo de algún modo, pero su origen sigue siendo uno de los grandes misterios de la biología. Ahora, resulta que Pasteur pudo haber estado en algo.
En tres nuevos artículos, los investigadores sugieren que los minerales magnéticos comunes en la Tierra primitiva podrían haber causado que biomoléculas clave se acumularan en su superficie en una sola forma de imagen especular, desencadenando una retroalimentación positiva que continuó favoreciendo la misma forma. «Es un verdadero avance», dice Jack Szostak, químico del origen de la vida en la Universidad de Chicago que no participó en el nuevo trabajo. «La homoquiralidad es esencial para iniciar la biología, y esta es una solución posible, y yo diría muy probable».
Las reacciones químicas suelen ser imparciales y producen cantidades iguales de moléculas dextrógiras y levógiras. Pero la vida requiere selectividad: solo el ADN diestro, por ejemplo, tiene el giro correcto para interactuar correctamente con otras moléculas quirales. Para obtener vida, “tienes que romper el espejo, o no puedes sacarlo”, dice Gerald Joyce, químico del origen de la vida y presidente del Instituto Salk de Estudios Biológicos.
Durante el siglo pasado, los investigadores propusieron varios mecanismos para sesgar las primeras biomoléculas, incluidos los rayos cósmicos y la luz polarizada. Ambos pueden causar un sesgo inicial que favorece a las moléculas diestras o zurdas, pero no explican directamente cómo se amplificó este sesgo inicial para crear los grandes depósitos de moléculas quirales que probablemente se necesitan para hacer las primeras células. Una explicación que crea un sesgo inicial es un buen comienzo, pero «no suficiente», dice Dimitar Sasselov, físico de la Universidad de Harvard y líder del nuevo trabajo.
Los indicios de otra opción datan de 1999, cuando los investigadores dirigidos por Ron Naaman, físico químico del Instituto de Ciencias Weizmann, descubrieron que los electrones en formas quirales opuestas de una molécula tienen patrones de giro contrastantes, una propiedad magnética. Experimentos posteriores revelaron que las diferencias de espín pueden hacer que las moléculas quirales interactúen de manera diferente con los materiales magnéticos, en los que los espines de los electrones se alinean para crear fuerzas magnéticas. Por ejemplo, Naaman y sus colegas encontraron que los péptidos de mano izquierda (cadenas cortas de aminoácidos) podrían unirse a una superficie magnética mientras que los de mano derecha son repelidos. Pero este hallazgo tampoco explicaba cómo podría amplificarse el sesgo inicial.
Un atisbo de un mecanismo de amplificación surgió en 2009. Los investigadores dirigidos por Matthew Powner y John Sutherland en la Universidad de Manchester estaban estudiando los posibles orígenes del ARN, que muchos investigadores creen que fue un actor central en el origen de la vida. Estaban intrigados por una molécula llamada ribo-aminooxazolina (RAO), que descubrieron que podía reaccionar para formar dos de los bloques de construcción de nucleótidos del ARN. RAO se encuentra entre una clase rara de cristales que imponen una sola quiralidad: una vez que un cristal comienza a crecer a partir de versiones de la molécula para diestros o zurdos, solo las moléculas con la misma quiralidad pueden unirse a la estructura. Dichos cristales, si comenzaron con un sesgo inicial, podrían haber causado la acumulación de RAO quiral.
Ahora, Sasselov y sus colegas han juntado estas dos piezas. Se preguntaron si las superficies magnéticas podrían favorecer una sola forma quiral RAO. Para averiguarlo, recurrieron a la magnetita, un mineral magnético común en la corteza terrestre. Aplicaron un fuerte campo magnético externo, alineando los espines de los electrones en la magnetita y fortaleciendo su magnetismo. Cuando expusieron la superficie de magnetita a una solución que contenía una mezcla igual de moléculas RAO derechas e izquierdas, el 60% de las que se asentaron en la parte superior eran de una sola mano. Esto creó una semilla cristalina que hizo que se unieran más RAO con las mismas manos, eventualmente formando cristales puros de RAO con una sola mano, informaron los investigadores la semana pasada en Avances de la ciencia. Cuando cambiaron la orientación del campo y repitieron el experimento, se formaron cristales con la mano opuesta. “Es un efecto realmente genial y una manera de romper la simetría”, dice Powner, ahora en el University College London.
Una preocupación es que el campo magnético aplicado fue unas 6500 veces más fuerte que el propio campo de la Tierra, advierte Noémie Globus, física de la Universidad de California, Santa Cruz, cuyo propio trabajo apoya a los rayos cósmicos como la fuente del sesgo quiral de la vida. “Requiere condiciones que son bastante poco realistas”, dice ella.
Pero informes anteriores muestran que la magnetita sujeta solo al campo magnético natural de la Tierra aún puede causar un sesgo inicial, aunque más pequeño, hacia una forma de molécula quiral. Y Sasselov y sus colegas. informado en una preimpresión de arXiv del 13 de abril que cuando los cristales RAO quirales puros se colocaron encima de la magnetita, la alineación de los espines de los electrones en los cristales obligó a alinear más y más espines de electrones en el material magnético subyacente, creando una retroalimentación positiva. «Se auto-mejora y aumenta la persistencia del sesgo» hacia una forma molecular, dice el miembro del equipo Furkan Ozturk, un Ph.D. de Harvard. alumno.
El RAO quiral, a su vez, impone su destreza en los bloques de construcción de ARN que genera, y el equipo de Sasselov ahora ha demostrado que los efectos se transmiten en cascada a otras moléculas biológicas. en un informe aceptado la semana pasada en El diario de física química muestran que una vez que se forma un exceso de ARN quiral, las reacciones químicas conocidas podrían transmitir este sesgo quiral, moldeando aminoácidos y proteínas con la mano opuesta y, en última instancia, fomentando otras moléculas quirales esenciales para el metabolismo celular. “No existe una solución que resuelva todos los pasos que esto hace”, dice Szostak.
Sin embargo, la búsqueda que comenzó con Pasteur no ha terminado del todo. Un cabo suelto, reconoce Sasselov, es que solo se ha demostrado que la RAO conduce a la síntesis de dos de los cuatro nucleótidos del ARN, la citosina y el uracilo. No se sabe que produzca los otros dos, adenina y guanina, aunque Sasselov dice que hay un «gran impulso» para buscar reacciones RAO que puedan hacerlo. Si pueden, el misterio de la lateralidad biológica podría estar un paso más cerca de ser resuelto.
