Las moléculas a menudo tienen una asimetría estructural llamada quiralidad, lo que significa que pueden aparecer en versiones alternativas, reflejadas en un espejo, similares a las versiones izquierda y derecha de las manos humanas. Uno de los grandes misterios sobre los orígenes de la vida en la Tierra es que prácticamente todas las moléculas fundamentales de la biología, como los componentes básicos de las proteínas y el ADN, aparecen en una sola forma quiral.
Los químicos de Scripps Research, en dos estudios de alto perfil, han propuesto ahora una solución elegante a este misterio, mostrando cómo esta singularidad u «homoquiralidad» podría haberse establecido en biología.
Los estudios fueron publicados en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias el 5 de febrero de 2024, y en Naturaleza el 28 de febrero de 2024. Juntos, sugieren que la aparición de la homoquiralidad se debió en gran medida a un fenómeno químico llamado resolución cinética, en el que una forma quiral se vuelve más abundante que otra debido a una producción más rápida y/o un agotamiento más lento.
«Ha habido muchas propuestas sobre cómo surgió la homoquiralidad en moléculas específicas (aminoácidos específicos, por ejemplo), pero realmente necesitábamos una teoría más general», dice Donna Blackmond, PhD, profesora y presidenta del Departamento John C. Martin. de Química de Scripps Research, quien dirigió ambos estudios.
El estudiante de posgrado Jinhan Yu y el investigador postdoctoral asociado Min Deng, PhD, fueron los primeros autores de los dos estudios.
El enigma de la homoquiralidad
La química del «origen de la vida» ha sido un campo muy activo durante gran parte del siglo pasado. Sus practicantes han descubierto docenas de reacciones clave que posiblemente ocurrieron en la Tierra primitiva y «prebiótica» para producir los primeros ADN, ARN, azúcares, aminoácidos y otras moléculas que sustentan la vida. Sin embargo, en este conjunto de trabajos falta una teoría prebiótica plausible para el surgimiento de la homoquiralidad.
«Ha habido una tendencia en el campo a ignorar la cuestión de la quiralidad cuando se buscan reacciones plausibles que podrían haber formado las primeras moléculas biológicas», dice Blackmond. «Es frustrante, porque sin reacciones que favorezcan la homoquiralidad, no tendríamos vida».
Las reacciones químicas ordinarias que producen moléculas quirales tienden a producir mezclas iguales («racémicas») de formas diestras y zurdas. Fuera de la biología, esta mezcla normalmente no importa, ya que ambas formas suelen tener propiedades similares o idénticas. Sin embargo, en biología, como consecuencia de la extensa homoquiralidad, es común que sólo la forma izquierda o derecha de una molécula quiral tenga propiedades útiles; la otra puede ser inerte o incluso tóxica. Por lo tanto, las células a menudo guían reacciones para producir formas quirales específicas, utilizando enzimas altamente evolucionadas.
Sin embargo, la Tierra prebiótica no habría tenido tales enzimas; entonces, ¿cómo surgió la homoquiralidad?
Un resultado paradójico
En su estudio en Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, Blackmond y su equipo abordaron este problema con los aminoácidos. Estas pequeñas moléculas orgánicas son utilizadas como componentes básicos de proteínas por todos los seres vivos de la Tierra, pero en biología existen sólo en la forma quiral izquierda.
Los investigadores buscaron específicamente reproducir la homoquiralidad en un proceso central en la producción de aminoácidos llamado transaminación, mediante el uso de una química relativamente simple y plausiblemente prebiótica que excluye enzimas complejas.
En las primeras pruebas, la reacción experimental del equipo funcionó y produjo aminoácidos enriquecidos para una forma quiral frente a la otra. El problema era que la forma preferida era la forma diestra, la que la biología no utiliza.
«Estuvimos estancados por un tiempo, pero luego se encendió la bombilla y nos dimos cuenta de que podíamos hacer parte de la reacción a la inversa», dice Blackmond.
Cuando hicieron eso, la reacción ya no produjo preferentemente aminoácidos diestros. En un ejemplo sorprendente de resolución cinética, en cambio, consumió y agotó preferentemente las versiones diestras, dejando más aminoácidos zurdos deseados. Por tanto, sirvió como una ruta plausible hacia la homoquiralidad de los aminoácidos utilizados en las células vivas.
atándolo todo junto
Para el Naturaleza En el estudio, los químicos exploraron una reacción simple mediante la cual los aminoácidos de las primeras formas de vida podrían haberse unido entre sí para formar las primeras proteínas cortas (también conocidas como péptidos). La reacción había sido publicada anteriormente por otro investigador, pero nunca había sido investigada por su capacidad para producir péptidos homoquirales a partir de mezclas de aminoácidos racémicos o casi racémicos.
Una vez más, los químicos se toparon con lo que parecía ser un obstáculo insuperable: descubrieron que al formar cadenas peptídicas de aminoácidos, la reacción funcionaba más rápido para los enlaces de aminoácidos zurdos con aminoácidos diestros, lo opuesto a la reacción homoquiral deseada. péptidos.
Aún así, el equipo perseveró. Finalmente, descubrieron que cuando un tipo de aminoácido en el grupo inicial de aminoácidos tenía incluso un predominio moderado de la forma zurda (como su otro estudio hizo plausible), la velocidad de reacción más rápida para zurdos a zurdos era mayor. los enlaces diestros agotaron preferentemente los aminoácidos diestros, dejando una concentración cada vez mayor de aminoácidos zurdos. Además, los péptidos izquierda-derecha-izquierda-derecha tenían una mayor tendencia a agruparse y salir de la solución en forma sólida. Estos fenómenos relacionados con la resolución cinética terminaron produciendo una solución sorprendentemente pura de péptidos casi completamente zurdos.
Para Blackmond, los mecanismos aparentemente paradójicos descubiertos en estos estudios ofrecen la primera explicación convincente y amplia para el surgimiento de la homoquiralidad, una explicación que probablemente funcione no sólo para los aminoácidos, dice, sino también para otras moléculas fundamentales de la biología como el ADN. y ARN.
La financiación para ambos estudios fue proporcionada por la Fundación Simons a través de la Colaboración Simons sobre los orígenes de la vida (SCOL 287625) y a través de la Cátedra de Química John C. Martin en Scripps Research.
