Aprender sobre redes químicas le da un toque quiral a la vida
Al sostener una mano derecha frente a un espejo, uno puede ver una imagen reflejada de una mano izquierda y viceversa. En 1848, Louis Pasteur descubrió que las moléculas orgánicas son muy similares a nuestras manos: aparecen como pares de imágenes especulares de variantes izquierda y derecha. Hoy en día sabemos que esta lateralidad o quiralidad (del griego “mano”) es una característica de las moléculas orgánicas.
Las moléculas orgánicas son ricas en átomos de carbono, que forman enlaces para crear una «nano-mano» derecha o izquierda. Sin embargo, curiosamente, la vida casi siempre elige utilizar exclusivamente uno de los dos gemelos de imagen especular, un fenómeno llamado homoquiralidad. Por ejemplo, la vida en la tierra se basa en aminoácidos levógiros y azúcares levógiros.
Aunque se han sugerido muchas explicaciones, cómo y por qué surgió la homoquiralidad sigue siendo un enigma. La ruptura de la simetría quiral, que es un fenómeno en el que una mezcla 50-50 de moléculas izquierdas y derechas se separan para favorecer una sobre la otra, es de gran interés en la investigación bioquímica. Comprender el origen de la homoquiralidad es muy importante para estudiar el origen de la vida, así como aplicaciones más prácticas como la síntesis de moléculas de fármacos quirales.
- Un modelo ofrece una nueva explicación para el surgimiento de la homoquiralidad en la vida, un enigma de larga data sobre el origen de la vida en la Tierra.
Se cree ampliamente que la vida se originó en hábitats ricos en fuentes de energía, como los respiraderos hidrotermales en las profundidades de los océanos primordiales. Teniendo en cuenta los posibles escenarios de la Tierra primordial, la profesora Tsvi Tlusty y el Dr. William Piñeros del Centro de Materia Blanda y Viva del Instituto de Ciencias Básicas de Corea del Sur han imaginado una red compleja de reacciones químicas que intercambian energía con el medio ambiente. Cuando el equipo usó un modelo matemático y una simulación de sistema para emular una solución bien agitada de diferentes elementos químicos en un recipiente, sorprendentemente descubrieron que tales sistemas tienen una tendencia natural a romper la simetría especular molecular.
- La homoquiralidad surge espontáneamente en las redes químicas prebióticas que se adaptan para optimizar la recolección de energía del medio ambiente.
Anteriormente, se pensaba que la ruptura de la simetría quiral requería múltiples bucles autocatalíticos, que producían cada vez más un enantiómero de una molécula mientras inhibían la formación de la otra. Sin embargo, los resultados del equipo de IBS mostraron que el mecanismo subyacente de ruptura de simetría es muy general, ya que puede ocurrir en grandes sistemas de reacción con muchas moléculas aleatorias y no requiere arquitecturas de red sofisticadas. Se ha descubierto que esta fuerte transición a la homoquiralidad surge de la autoconfiguración de la red de retroalimentación para lograr una recolección más eficiente de energía del medio ambiente.
El modelo desarrollado por Piñeros y Tlusty mostró que los sistemas con alta disipación y grandes diferencias de energía son más propensos a inducir la ruptura de la simetría quiral. Además, los cálculos revelaron que tales transiciones son casi inevitables, por lo que es razonable creer que pueden ocurrir genéricamente en sistemas de reacciones químicas aleatorias. Por lo tanto, el modelo basado en la optimización de la recolección de energía demostrado por el grupo explica cómo la homoquiralidad podría haber surgido espontáneamente del entorno duro y rico en energía del primitivo planeta Tierra.
- El mecanismo de ruptura de simetría propuesto es general y se puede aplicar a otras transiciones en la materia viva que conducen a una mayor complejidad.
Además, el modelo proporciona un mecanismo general que explica cómo la complejidad de un sistema puede crecer a medida que se adapta mejor para explotar un entorno variable. Esto sugiere que la ruptura de la simetría quiral es una característica inherente de cualquier sistema complejo (como la vida) capaz de configurarse para adaptarse a un entorno. Estos hallazgos pueden explicar aún más la ruptura espontánea de la simetría en procesos biológicos mucho más complejos, como la diferenciación celular y la aparición de nuevos genes.
Este estudio fue publicado en la revista Nature Communications.
