Científicos hallan evidencia de dos orígenes de la vida en la Tierra

Las preguntas sobre dónde y cómo surgió la vida por primera vez en la Tierra fueron el eje de una investigación realizada por el Instituto de Evolución Molecular de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf. Un equipo internacional de biólogos de Düsseldorf reportó nuevos hallazgos en la revista Science Advances, que aportan luz sobre la red de reacciones químicas utilizadas por las primeras células para producir los ingredientes básicos de la vida y las fuentes de energía que alimentaron esas reacciones. Al rastrear los orígenes de las enzimas durante la separación inicial entre bacterias y arqueas, los investigadores encontraron evidencia de que las células libres pueden haber tenido un origen independiente en dos ocasiones.

Hace aproximadamente 4 mil millones de años, la Tierra presentaba un aspecto muy diferente al que conocemos hoy. Si se pudiera observar la formación de las primeras células, la escena podría haber incluido dos formas distintas de vida celular primitiva. "Veríamos dos tipos de células muy diferentes surgiendo, bacterias pioneras y arqueas pioneras, intentando por primera vez vivir fuera de los confines de un respiradero hidrotermal", explicó Natalia Mrnjavac, bióloga de la Universidad de Düsseldorf y autora principal de la publicación.

Mrnjavac y su equipo internacional examinaron genomas, estructuras de proteínas y reacciones químicas para investigar algunas de las etapas más tempranas de la evolución microbiana, incluyendo el periodo anterior a la existencia de células completamente libres. "Estas comparaciones nos brindan una visión sin precedentes sobre la fase de evolución en la que el metabolismo, catalizado por enzimas, surgía de reacciones espontáneas impulsadas por metales en la corteza terrestre", destacó William Martin, biólogo de Düsseldorf y autor principal del estudio.

Reconstituyendo la química de la vida temprana

En lugar de centrarse solo en partes seleccionadas del metabolismo temprano, los investigadores examinaron el grupo completo de reacciones químicas que las células utilizan para fabricar componentes biológicos clave (aminoácidos, bases de ARN y vitaminas) a partir de materiales disponibles en la Tierra primitiva, como hidrógeno, amoníaco y CO2. Estas 420 reacciones químicas forman la red metabólica conocida como metabolismo. Las reacciones son extremadamente antiguas y se conservan en la vida hasta un grado comparable con el código genético.

Lo que sorprendió a los investigadores fue que las enzimas responsables de llevar a cabo esas reacciones no mostraban el mismo grado de conservación entre bacterias y arqueas. Martin señaló: "La sorpresa es que las enzimas que catalizan esas reacciones no están conservadas a través del divide evolutivo que separa a las bacterias y arqueas. Encontramos que el último ancestro universal de todas las células, LUCA, poseía enzimas para solo aproximadamente la mitad de las reacciones del metabolismo. La otra mitad fue catalizada por metales en el ambiente donde LUCA surgió".

Esa conclusión sugiere que el metabolismo más temprano dependía mucho más del entorno que el metabolismo celular moderno. Harun Tüysüz, químico inorgánico del Max-Planck-Institut für Kohlenforschung y el IMDEA Materials Institute en Madrid, coautor del estudio, comentó: "Los metales que ocurren naturalmente en los respiraderos hidrotermales pueden reemplazar un número sorprendentemente grande de enzimas en el metabolismo".

Uno de los avances más significativos del estudio fue la reconstrucción de cuatro etapas en la evolución temprana de la catálisis biológica. El proceso parece haber comenzado con reacciones impulsadas completamente por metales, seguido de una etapa en LUCA en la que metales y enzimas trabajaron juntos. Posteriormente, las bacterias y arqueas comenzaron a seguir caminos evolutivos separados. Dentro de cada linaje, las enzimas recién evolucionadas reemplazaron gradualmente a los catalizadores inorgánicos suministrados por el entorno donde se desarrolló el metabolismo.

Importante es que los investigadores identificaron ejemplos en los que las bacterias y arqueas parecen haber desarrollado independientemente diferentes enzimas capaces de realizar la misma tarea metabólica esencial. "Podemos observar casos en los que los ancestros de bacterias y arqueas evolucionaron independientemente enzimas estructuralmente distintas para catalizar la misma reacción metabólica esencial", indicó Mrnjavac, quien agregó que tales invenciones paralelas podrían haber allanado el camino para la aparición independiente de bacterias y arqueas libres.

Cómo pudo haberse alimentado el metabolismo temprano

Una pregunta importante se refiere a la energía. Las células modernas dependen en gran medida del ATP para impulsar el metabolismo, pero el ATP es en sí mismo una molécula compleja producida con la ayuda de enzimas. No habría estado simplemente disponible en los antiguos entornos hidrotermales. Por lo tanto, los investigadores indagaron sobre lo que podría haber proporcionado energía antes de que existiera el metabolismo basado en ATP.

Una posible respuesta involucra al paladio, un metal que ocurre naturalmente en los respiraderos hidrotermales y que ha sido conocido por los químicos como un catalizador efectivo durante aproximadamente un siglo. El equipo descubrió que el fosfito, una forma de fósforo que se encuentra naturalmente en los respiraderos hidrotermales, puede reaccionar con compuestos orgánicos en presencia de paladio y producir reacciones asociadas con la fosforilación metabólica. "Cuando reaccionamos el fosfito, una forma de fósforo que ocurre naturalmente en los respiraderos hidrotermales, con compuestos orgánicos, obtenemos reacciones de fosforilación metabólica durante la noche en agua. El fosfito y el paladio reemplazan al ATP y a las enzimas; es asombroso y hace que la evolución temprana sea mucho más fácil de comprender", concluyó Schlikker.

El resultado proporciona una posible explicación sobre cómo algunas de las reacciones metabólicas más tempranas podrían haber obtenido la energía necesaria para proceder antes de que evolucionaran los sistemas biológicos de energía modernos.

Mapeando 420 reacciones en el origen del metabolismo

La investigación representa el primer estudio enfocado específicamente en la red de reacciones completas conocida como metabolismo. Esa red contiene 420 reacciones altamente conectadas, y muchos de los mismos compuestos participan en múltiples partes del sistema. Debido a esas conexiones, reconstruir cómo la red pudo haberse desarrollado a lo largo del tiempo presenta un complicado problema matemático. El profesor Mike Steel, de la Universidad de Canterbury en Nueva Zelanda, y el profesor Daniel Huson de la Universidad de Tübingen aportaron su experiencia en el análisis de redes complejas al proyecto. Desarrollaron un método que permitió a los investigadores organizar las reacciones metabólicas desde las más simples hasta las más complejas. La secuencia resultante puede reflejar, al menos en parte, el orden en el que esas reacciones aparecieron durante las etapas más tempranas de la evolución biológica.

Los investigadores concluyeron que la implicación más amplia de sus hallazgos es que las bacterias y arqueas no realizaron la transición a la vida celular independiente juntas. En cambio, cada linaje parece haber alcanzado el estado libre por separado. William Martin afirmó: "Los nuevos datos dejan solo una conclusión. Las líneas bacterianas y arqueales hicieron la transición al estado libre de manera independiente. Solo las células libres están vivas. Llamémoslo por su nombre: estamos ante un origen del código genético, pero dos orígenes de la vida".

Además de los investigadores de la HHU, el equipo internacional incluyó científicos de las Universidades de Canterbury (Nueva Zelanda), Rostock, Constanza, Ottawa (Canadá), Estrasburgo y Tübingen, el Max-Planck-Institute for Terrestrial Microbiology en Marburg y el Max-Planck-Institut für Kohlenforschung en Mülheim/Ruhr, así como el IMDEA Materials Institute en Madrid.

Antecedentes: Bacterias y Arqueas

Los biólogos dividen ampliamente la vida celular en dos categorías. Los eucariotas son células avanzadas que contienen un núcleo, mientras que las líneas celulares más antiguas sin núcleo se conocen como procariotas. Los procariotas comprenden las dos ramas primordiales de la vida: Bacterias y Arqueas. Muchos de estos organismos son capaces de sobrevivir en condiciones extremas, incluyendo temperaturas muy altas y entornos fuertemente ácidos o alcalinos. Muchos también viven alrededor de respiraderos hidrotermales en el fondo oceánico, entornos que algunas teorías identifican como posibles ubicaciones donde la vida surgió por primera vez.