Lava burbujeando al tocar el agua fría. Fuente: Wikipedia.
Los microporos llenos de agua de las rocas calientes del fondo oceánico podrían haber actuado como viveros en los que surgió la vida en la Tierra. Un equipo de la Universidad de Múnich (LMU) ha demostrado ahora que los gradientes de temperatura en sistemas porosos promueven la replicación cíclica y la aparición de ácidos nucleicos.
Una condición previa fundamental para el origen de la vida es que ciertas biomoléculas relativamente simples debieron tener la oportunidad de formar estructuras más complejas, que fueran capaces de reproducirse y pudieran almacenar la información genética en una forma químicamente estable.
Pero este escenario requiere alguna manera de acumular moléculas precursoras en soluciones muy concentradas. En los océanos primigenios, tales compuestos debieron de estar presentes en concentraciones infinitamente bajas. Pero físicos de la Universidad de Múnich (Ludwig-Maximilians-Universität München, LMU), dirigidos por el profesor Dieter Braun, han descrito ahora que podían darse las condiciones necesarias.
Demostración experimental
Experimentalmente, los investigadores han demostrado que los sistemas de poros del fondo marino, que se calentaban por la actividad volcánica, podrían haber servido como cámaras de reacción para la síntesis de moléculas de ARN, que hacen de soporte de la información hereditaria en la biosfera actual.
"El requisito clave es que la fuente de calor se localice en un lado del poro alargado, de modo que el agua en ese lado esté significativamente más caliente que en el otro", explica Braun, en la nota de prensa de la LMU.
Las biomoléculas simples que son arrastradas hasta el poro pueden quedarse entonces atrapadas, y aumentar en concentración, por la acción del gradiente de temperatura, cumpliendo así una condición previa importante para la formación y la replicación de estructuras moleculares más complejas.
El efecto de captura molecular es una consecuencia de la termoforesis : Las moléculas cargadas, en un gradiente de temperatura, se mueven preferentemente desde la región más caliente a la más fría, lo que permite que los polímeros más largos, en particular, puedan ser atrapados de forma segura. Este es un factor importante en la evolución de los ácidos nucleicos, tales como ARN y ADN, simplemente porque las moléculas más largas pueden almacenar más información genética.
Una condición previa fundamental para el origen de la vida es que ciertas biomoléculas relativamente simples debieron tener la oportunidad de formar estructuras más complejas, que fueran capaces de reproducirse y pudieran almacenar la información genética en una forma químicamente estable.
Pero este escenario requiere alguna manera de acumular moléculas precursoras en soluciones muy concentradas. En los océanos primigenios, tales compuestos debieron de estar presentes en concentraciones infinitamente bajas. Pero físicos de la Universidad de Múnich (Ludwig-Maximilians-Universität München, LMU), dirigidos por el profesor Dieter Braun, han descrito ahora que podían darse las condiciones necesarias.
Demostración experimental
Experimentalmente, los investigadores han demostrado que los sistemas de poros del fondo marino, que se calentaban por la actividad volcánica, podrían haber servido como cámaras de reacción para la síntesis de moléculas de ARN, que hacen de soporte de la información hereditaria en la biosfera actual.
"El requisito clave es que la fuente de calor se localice en un lado del poro alargado, de modo que el agua en ese lado esté significativamente más caliente que en el otro", explica Braun, en la nota de prensa de la LMU.
Las biomoléculas simples que son arrastradas hasta el poro pueden quedarse entonces atrapadas, y aumentar en concentración, por la acción del gradiente de temperatura, cumpliendo así una condición previa importante para la formación y la replicación de estructuras moleculares más complejas.
El efecto de captura molecular es una consecuencia de la termoforesis : Las moléculas cargadas, en un gradiente de temperatura, se mueven preferentemente desde la región más caliente a la más fría, lo que permite que los polímeros más largos, en particular, puedan ser atrapados de forma segura. Este es un factor importante en la evolución de los ácidos nucleicos, tales como ARN y ADN, simplemente porque las moléculas más largas pueden almacenar más información genética.
Recreación de los poros
Braun y sus colegas han demostrado que este mecanismo funciona en el laboratorio: "Utilizamos tubos capilares de vidrio para construir análogos de los poros naturales que se encuentran en la roca, calentamos el poro por un lado y dejamos que el agua, que contenía fragmentos disueltos de ADN lineal de distintas longitudes, se filtrara a través de él. Bajo tales condiciones, las largas hebras quedan, en efecto, atrapados dentro del poro", explica Braun.
"Los poros que fueron expuestos a calor se encuentran habitualmente en las formaciones de roca ígnea, y eran ciertamente comunes en rocas de origen volcánico en la Tierra primitiva. Así que este escenario es bastante realista. Y el efecto de la temperatura se ve reforzado por la presencia de inclusiones de metal dentro de la roca, que conducen el calor a tasas 100 veces mayores que el agua".
La replicación
Los ácidos nucleicos no sólo quedan retenidos en el poro, sino que también son capaces de replicarse en esas condiciones. En la zona más caliente, las hebras de doble cadena se dividen en sus hebras constitutivas en cuestión de minutos. Las hebras individuales pueden entonces ser transportadas por convección -flujo cíclico a lo largo del poro perpendicular a la orientación del gradiente de temperatura- hacia la región más fría del poro.
Ahí se encuentran con los precursores químicos que conforman cada hebra de ADN, que entran en el poro en un flujo continuo. Las hebras precursoras actúan entonces como plantillas para la polimerización de cadenas complementarias. Este ciclo hace que sea posible no sólo replicar las hebras sino también alargarlas, por la unión de varios fragmentos. Cuando los ácidos nucleicos se acumulan hasta niveles que superan la capacidad de almacenamiento de los poros, las moléculas recién replicadas pueden escapar y colonizar sistemas de poros vecinos.
Así, el grupo de LMU ha logrado construir un sistema que permite una evolución darwiniana autónoma y continua de biomoléculas cada vez más complejas, definiendo así condiciones realistas en las que la vida podría haber evolucionado, en principio.
"La vida es fundamentalmente un fenómeno de no-equilibrio termodinámico. Por eso, la aparición de las primeras formas de vida requiere un desequilibrio local, impulsado por una fuente de energía externa; por ejemplo, por una diferencia de temperatura impuesta desde fuera del sistema", explica Braun. "Que esto se pudiera lograr de una manera tan simple y elegante fue una sorpresa incluso para nosotros. El éxito del proyecto es un homenaje a la estrecha colaboración entre todos los miembros del equipo."
Braun y sus colegas han demostrado que este mecanismo funciona en el laboratorio: "Utilizamos tubos capilares de vidrio para construir análogos de los poros naturales que se encuentran en la roca, calentamos el poro por un lado y dejamos que el agua, que contenía fragmentos disueltos de ADN lineal de distintas longitudes, se filtrara a través de él. Bajo tales condiciones, las largas hebras quedan, en efecto, atrapados dentro del poro", explica Braun.
"Los poros que fueron expuestos a calor se encuentran habitualmente en las formaciones de roca ígnea, y eran ciertamente comunes en rocas de origen volcánico en la Tierra primitiva. Así que este escenario es bastante realista. Y el efecto de la temperatura se ve reforzado por la presencia de inclusiones de metal dentro de la roca, que conducen el calor a tasas 100 veces mayores que el agua".
La replicación
Los ácidos nucleicos no sólo quedan retenidos en el poro, sino que también son capaces de replicarse en esas condiciones. En la zona más caliente, las hebras de doble cadena se dividen en sus hebras constitutivas en cuestión de minutos. Las hebras individuales pueden entonces ser transportadas por convección -flujo cíclico a lo largo del poro perpendicular a la orientación del gradiente de temperatura- hacia la región más fría del poro.
Ahí se encuentran con los precursores químicos que conforman cada hebra de ADN, que entran en el poro en un flujo continuo. Las hebras precursoras actúan entonces como plantillas para la polimerización de cadenas complementarias. Este ciclo hace que sea posible no sólo replicar las hebras sino también alargarlas, por la unión de varios fragmentos. Cuando los ácidos nucleicos se acumulan hasta niveles que superan la capacidad de almacenamiento de los poros, las moléculas recién replicadas pueden escapar y colonizar sistemas de poros vecinos.
Así, el grupo de LMU ha logrado construir un sistema que permite una evolución darwiniana autónoma y continua de biomoléculas cada vez más complejas, definiendo así condiciones realistas en las que la vida podría haber evolucionado, en principio.
"La vida es fundamentalmente un fenómeno de no-equilibrio termodinámico. Por eso, la aparición de las primeras formas de vida requiere un desequilibrio local, impulsado por una fuente de energía externa; por ejemplo, por una diferencia de temperatura impuesta desde fuera del sistema", explica Braun. "Que esto se pudiera lograr de una manera tan simple y elegante fue una sorpresa incluso para nosotros. El éxito del proyecto es un homenaje a la estrecha colaboración entre todos los miembros del equipo."
Referencias bibliográficas:
Moritz Kreysing, Lorenz Keil, Simon Lanzmich, Dieter Braun. Heat flux across an open pore enables the continuous replication and selection of oligonucleotides towards increasing length. Nature Chemistry (2015). DOI: 10.1038/nchem.2155
Moritz Kreysing, Lorenz Keil, Simon Lanzmich, Dieter Braun. Heat flux across an open pore enables the continuous replication and selection of oligonucleotides towards increasing length. Nature Chemistry (2015). DOI: 10.1038/nchem.2155