De las moléculas simples al ADN: científicos recrean el origen de la complejidad de la vida

* Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

Tendemos a pensar en la evolución como un proceso caótico del que surgió la vida de manera espontánea. Pero ¿qué pasaría si existieran patrones que pudieran explicar cómo los materiales simples evolucionaron hasta convertirse en vida orgánica? ¿Y si existieran modelos generalizados para describir cómo los organismos prehistóricos interactuaron entre sí y se convirtieron en el mundo biológico diverso que conocemos hoy?

Si bien la mayoría de las investigaciones sobre el origen de la vida se centran en los materiales reales de los que está hecha la vida orgánica, el Dr. Sergey Semenov, del Departamento de Química Molecular y Ciencia de los Materiales, en el Instituto de Ciencias Weizmann, está planteando una pregunta completamente diferente.

En lugar de centrarse en la química fundamental detrás de los componentes básicos de la vida (materiales como las proteínas), Semenov se centra en los diferentes patrones de interacciones que crean los materiales químicos básicos y que pueden ayudar a explicar el proceso evolutivo.

“Cuando observamos la vida orgánica, lo que vemos en realidad son moléculas interactuando. De hecho, la cuestión de qué tipo de reacciones o interacciones pueden formar determinadas moléculas es la que nos permite establecer distinciones entre distintos materiales y diferenciar entre lo vivo y lo inerte”, explica.

Semenov siempre estuvo interesado en la química. Realizó sus primeros experimentos cuando era niño en Rusia, en la cocina de sus padres. “De hecho, hice experimentos muy avanzados en casa”, dice, recordando en broma cómo llevó al límite un kit de química infantil, “hasta que se volvió demasiado peligroso”. Luego fue a la Universidad Estatal de Moscú: “Era el mejor lugar para estudiar química en Rusia en ese momento”, dice. Pero pronto se dirigió al oeste y, después de estudiar y trabajar tanto en los Países Bajos como en Suiza, finalmente se embarcó en un posdoctorado en Harvard. Fue allí donde ayudó a su supervisor, el profesor George M. Whitesides, a fundar un laboratorio sobre los orígenes químicos de la vida y comenzó a centrarse exclusivamente en las interacciones químicas.

Los diferentes tipos de interacciones, descubrió, pueden formar bucles de retroalimentación química. Se trata de procesos químicos que se aceleran o se suprimen entre sí según un patrón determinado. Estos patrones —o “redes de interacciones”, como los llama Semenov— pueden ser la clave para entender “cómo se desarrollaron organismos extremadamente complejos con el tiempo a partir de materiales muy simples”, afirma.

En el estudio, Semenov, junto con otros miembros del grupo, el estudiante de doctorado Alexander Novichkov y el estudiante de posgrado Anton Hanopolskyi, recrearon un proceso similar a partir de interacciones básicas entre materiales muy simples. “Nuestra investigación se pregunta: ¿cuáles son los diferentes tipos de reacciones que pueden mantener los materiales químicos simples? Lo que estamos buscando es la dinámica de la maquinaria química que crea la vida compleja. Y para eso, es necesario centrarse no en moléculas complejas, sino más bien en comportamientos complejos que pueden ayudar a formar moléculas complejas”.

Descubrieron que la oscilación entre concentraciones altas y bajas era quizás el más básico de esos comportamientos. Este tipo de mecanismo de retroalimentación de acción y reacción, que se encuentra presente en muchos procesos biológicos y es muy parecido al mecanismo que se esconde detrás de los relojes mecánicos simples, es lo que hace que nuestros relojes celulares funcionen según un ritmo circadiano.

El estudio de Semenov produjo solo el segundo ejemplo creado por el hombre de un oscilador químico funcional construido completamente a partir de moléculas orgánicas sintéticas. El sistema se autopropaga y mantiene una oscilación constante, como un reloj, y juntas estas dos funciones crean lo que él llama “un interruptor” que permite que ciertas funciones se desarrollen con el tiempo.

El oscilador de Semenov “cambia” entre dos estados, creando un bucle de retroalimentación en el que cada estado estimula el desarrollo del otro. El mecanismo, que parece un reloj, dio lugar a un tipo de oscilación que podría ser fundamental para crear, e incluso amplificar, ciertas cadenas de proteínas. Esto podría tener ramificaciones evolutivas importantes: el bucle de retroalimentación condujo a la creación de materiales mucho más complejos que aquellos de los que estaba hecho inicialmente, como los enlaces de hidrógeno que son la base de nuestro ADN.

Aunque los investigadores no se centraron directamente en el ADN, con este método su mecanismo de “reloj” logró crear un proceso dinámico que podría ayudar a regular reacciones como la duplicación del ADN. Esto, dice Semenov, es “un ejemplo de cómo un proceso simple puede crear otros complejos que sabemos que son importantes para el funcionamiento y la expresión del ADN”.

“El objetivo final es encontrar los mecanismos que conducen a las complicaciones biológicas”, explica. “Por tanto, si vemos que se produce un mecanismo como la oscilación, podemos plantear una hipótesis adecuada sobre cómo llegamos a la vida real a partir de los materiales superbásicos que conocemos de la astroquímica o la geoquímica”.

La investigación del Dr. Sergey Semenov cuenta con el apoyo del Fondo AMN para la Promoción de la Ciencia, la Cultura y las Artes en Israel y del Patrimonio de Emile Mimran.