Descubren cómo calcular la energía mínima que gastan las células para mantener ciertas vías metabólicas

El interés por establecer cuánto cuesta energéticamente mantener circuitos químicos dirigidos en la célula llevó a un grupo de investigadores internacionales a idear una metodología capaz de estimar ese gasto mínimo, clave para entender la selección metabólica en la evolución. Según publicó el medio Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (JSTAT), el método no solo abre una vía para clasificar rutas biológicas por su eficiencia, sino que también permite explorar cómo organismos celulares, desde su origen, han invertido recursos energéticos para sostener vías metabólicas preferentes frente a otras posibles alternativas químicas.

De acuerdo con la información facilitada por JSTAT, el equipo estuvo dirigido por la Universidad de Tokio y contó con la participación de expertos de la Universidad de Viena, el Instituto de Tecnología de Georgia y el Instituto de Ciencias de la Tierra y la Vida. El estudio aborda una limitación frecuente en la mecánica clásica: los modelos tradicionales consideran que la compartimentación y la selección de procesos, como ocurre al mantener solo ciertas vías metabólicas activas, no deberían tener un coste energético asociado. Sin embargo, los investigadores demuestran que, bajo una perspectiva termodinámica, estos costos sí existen y pueden resultar significativos en el funcionamiento y la evolución de las células.

El trabajo se plantea a partir del surgimiento de la vida en la Tierra, cuando las primeras membranas celulares crearon una distinción física entre el interior y el exterior de los protocélulas. Desde ese momento, los sistemas biológicos no solo debieron invertir energía para conservar dicha compartimentación, sino también para favorecer unas reacciones químicas sobre el resto, en una competencia entre alternativas metabólicas. Según detalla el artículo en JSTAT, los procesos metabólicos no solo requieren energía para completar su ciclo, sino que deben absorber un coste adicional para impedir que los flujos químicos se dispersen en reacciones alternativas, una función vital para la organización y eficiencia biológica.

El investigador Praful Gagrani, de la Universidad de Tokio, lideró el desarrollo de este modelo, acompañado por Nino Lauber, Eric Smith y otros especialistas. Gagrani explicó que la inspiración surgió tras un trabajo donde Eric Smith utilizó el software M*D, diseñado por Flamm y equipo, que permite enumerar todas las vías capaces de transformar dióxido de carbono en moléculas orgánicas, como estudió en el análisis del ciclo de Calvin. Este ciclo de reacciones, relevante en la fotosíntesis, convierte el CO2 en glucosa y, al emplear el algoritmo, Smith logró visualizar y comparar todas las cadenas metabólicas posibles que operan ese cambio químico.

Utilizando la fórmula desarrollada por el equipo, clasificaron las rutas metabólicas identificadas por su coste de mantenimiento. Encontraron que la vía elegida por la naturaleza —el propio ciclo de Calvin— figura entre las menos costosas en términos energéticos. Inspirados por estos resultados, los investigadores avanzaron en la creación de un método general para calcular los costes termodinámicos de cualquier proceso metabólico. El modelo conceptualiza la célula como un sistema con flujo continuo, donde una molécula de nutriente entra y otra, como producto o desecho, sale. La química disponible define todas las rutas posibles para convertir la molécula entrante en la saliente, y cada ruta se estudia con su propio "coste termodinámico".

El procedimiento no suma solo las energías directas, sino que valora la improbabilidad de que una red metabólica opere de una forma particular en ausencia de dirección biológica, en un entorno gobernado solo por la química espontánea. Esa improbabilidad encierra dos componentes: el coste de mantenimiento, correspondiente a la dificultad de mantener el flujo deseado por una ruta específica, y el coste de restricción, que refleja el esfuerzo requerido para impedir todas las rutas alternativas mientras se selecciona solo la de interés.

Esta suma de improbabilidades permite calcular el gasto energético total asociado a mantener activa una vía metabólica y a suprimir las alternativas en la red celular. El resultado es una herramienta que permite jerarquizar estas rutas por el "costo" de su mantenimiento, ayudando a comprender por qué ciertas vías predominan en la naturaleza y cómo la evolución ha favorecido aquellas más eficientes.

Durante el estudio, el equipo liderado por Gagrani encontró datos sorprendentes al analizar comparativamente el coste de mantener múltiples rutas metabólicas frente a una sola. El investigador explica que utilizar varias vías en paralelo puede resultar menos costoso que optar por solo una, una conclusión que ilustró con una analogía: si cuatro personas intentan atravesar un pasaje estrecho, cada una con su propio túnel avanzaría más rápido y con menos obstrucciones que si se vieran obligados a compartir rutas. No obstante, en los sistemas biológicos suele prevalecer una sola vía, en parte gracias a la intervención de enzimas que catalizan reacciones específicas y reducen los costos energéticos, así como para evitar la acumulación de moléculas potencialmente tóxicas derivadas de múltiples rutas activas.

El método desarrollado, según destacó Gagrani al medio JSTAT, ofrece una herramienta valiosa para el estudio del origen y la evolución de la vida, al poner al alcance de la investigación una forma de evaluar el "precio" energético de la selección y el mantenimiento de procesos metabólicos concretos. Los resultados permiten descubrir patrones en la aparición de ciertas rutas, aunque explicar por completo la selección final requiere abordar factores adicionales, para lo cual hace falta integrar conocimientos de distintas disciplinas.

El avance reportado por JSTAT plantea implicancias en la biología evolutiva y en la comprensión de la eficiencia de los organismos vivos, además de abrir la puerta a investigar qué otras rutas podrían seleccionarse bajo distintas condiciones energéticas y ambientales.