Descubren una pista magnética sobre los orígenes de la vida

Un estudio que ofrece nuevas pistas sobre el origen de la vida en la Tierra comenzó en una cena familiar. “Intentamos evitar hablar de ciencia durante las cenas de los viernes, pero rara vez funciona”, recuerda la profesora Michal Sharon del Instituto Weizmann de Ciencias. Dos de sus tres hermanos son científicos, entre ellos su hermano, el profesor Yossi Paltiel, físico de la Universidad Hebrea de Jerusalén.

Esa misma tarde, Paltiel describió su investigación sobre la separación de moléculas según su disposición espacial. La conversación propició una colaboración entre los dos hermanos, que los condujo a un campo nuevo para ambos: la búsqueda de los orígenes de la vida.

Su estudio, publicado recientemente en la revista Chem, ofrece un posible eslabón perdido en una teoría que propone que la vida surgió por primera vez en superficies magnéticas, como el lecho de lagos poco profundos ricos en minerales magnéticos.

Izquierda, derecha… y un giro magnético

La estructura molecular de los seres vivos ha sido uno de los enigmas más persistentes de la naturaleza. Muchas moléculas biológicas existen en dos formas simétricas, como si fueran zurdas o diestras. Los químicos denominan a esta propiedad quiralidad. En principio, estas formas deberían presentarse con la misma frecuencia, pero los organismos vivos muestran una marcada tendencia. Los aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas, son casi exclusivamente levógiros, mientras que el ADN y el ARN se retuercen en la dirección opuesta, hacia la derecha.

Esta asimetría no es un detalle trivial. Las reacciones biológicas dependen de una estructura molecular precisa; si la quiralidad es incorrecta, la reacción puede fallar por completo. Por lo tanto, la quiralidad se considera una huella química clave de la vida.

En aquella cena del viernes, Paltiel describió su trabajo con el profesor Ron Naaman del Instituto Weizmann sobre la separación de moléculas por quiralidad. Si bien las moléculas quirales no son magnéticas, las superficies magnetizadas pueden atraer selectivamente una quiralidad sobre la otra. Este efecto se ha utilizado para separar moléculas y cristales simétricos. De hecho, la separación de moléculas por quiralidad es crucial en la fabricación de fármacos, pesticidas y muchos otros compuestos bioactivos que deben producirse con la quiralidad correcta para ser eficaces.

Cuando Paltiel describió estos estudios, Sharon se dio cuenta de que su propia experiencia podría ser útil. Ella se especializa en espectrometría de masas, una técnica que identifica moléculas midiendo su masa. Propuso utilizarla para analizar el proceso de separación y verificar qué moléculas se habían obtenido.

En su estudio conjunto, Ofek Vardi, estudiante de doctorado en el laboratorio de Paltiel, dirigió un experimento diseñado por ambos equipos. Ella y sus colegas utilizaron versiones diestras y zurdas de la metionina, un aminoácido que normalmente inicia la síntesis de proteínas, e hicieron pasar una solución que contenía este aminoácido a través de un filtro de papel con partículas magnéticas de tamaño micrométrico incrustadas.

Para rastrear las moléculas, los investigadores incorporaron dos isótopos de carbono —átomos del mismo elemento con diferente peso— en el aminoácido. En algunos experimentos, las moléculas dextrógiras contenían el isótopo carbono-12, más común y ligero, y las levógiras el carbono-13, más pesado; en otros, la asignación se invirtió. También se cambió la dirección de la magnetización: en diferentes iteraciones del experimento, los imanes apuntaban primero hacia la solución con uno de sus polos, norte o sur, y luego con el otro. Tras filtrar la solución, los científicos utilizaron espectrometría de masas para medir la proporción de isótopos y el equilibrio entre las dos formas quirales.

El resultado fue inesperado. El filtro magnético pareció separar la metionina no solo por quiralidad, sino también por composición isotópica. Las moléculas que contenían el isótopo de carbono más pesado —independientemente de su quiralidad— mostraron una mayor atracción hacia las partículas magnetizadas en una dirección que hacia las magnetizadas en la otra.

Posteriormente, los investigadores llevaron la idea aún más lejos.

“Utilizamos moléculas de metionina levógiras que se diferencian únicamente en su composición isotópica”, explica Vardi. “Sorprendentemente, el filtro magnético favoreció sistemáticamente una composición sobre la otra durante el proceso de separación”.

En otras palabras, el magnetismo podría distinguir no solo entre moléculas que son imágenes especulares, sino también entre isótopos. “Este fue el hallazgo más importante y más sorprendente del estudio”, afirma Paltiel.

Explica que la separación magnética de las moléculas quirales surge de una propiedad cuántica de los electrones conocida como espín, un pequeño momento magnético que difiere entre las formas especulares. Los isótopos también pueden diferir en espín —en su caso, en los núcleos atómicos—, aunque el efecto suele ser mucho más débil. Los investigadores proponen que la estructura tridimensional de las moléculas quirales puede amplificar las interacciones entre estos dos tipos de espín, vinculando la atracción magnética y la composición isotópica de maneras hasta ahora desconocidas.

Dos firmas de la vida, conectadas

La quiralidad no es la única huella química de la vida.

Los organismos vivos también presentan diferencias sutiles pero constantes en las proporciones isotópicas en comparación con la materia inerte que los rodea. Estas pequeñas variaciones sirven como una segunda huella dactilar de la vida y se utilizan ampliamente para detectar rastros de actividad biológica antigua.

La vida tiende a preferir los isótopos más ligeros. Las plantas y los animales, por ejemplo, contienen una cantidad ligeramente menor de carbono-13 que el medio ambiente circundante. Estos patrones isotópicos pueden perdurar en las rocas durante miles de millones de años, ofreciendo pistas sobre los orígenes de la vida en la Tierra.

Los nuevos hallazgos sugieren por primera vez una relación entre estas dos características: la quiralidad y las proporciones isotópicas. Si las primeras reacciones bioquímicas ocurrieron en superficies magnéticas, ese magnetismo podría haber influido de forma duradera en ambas propiedades.

Esta idea concuerda con la hipótesis, propuesta inicialmente por el grupo del profesor Dimitar Sasselov de la Universidad de Harvard, de que la vida en la Tierra surgió en superficies magnéticas naturales, como los lechos de antiguos lagos ricos en minerales. Con el tiempo, las reacciones que involucran minerales de hierro podrían haber producido sedimentos magnetizados en aguas cálidas y poco profundas, entornos potencialmente propicios para el origen de la vida. De ser así, estos lechos lacustres magnéticos podrían haber favorecido moléculas de una quiralidad determinada, afectando también su composición isotópica.

“Si la vida realmente comenzó en superficies magnéticas, nuestros resultados proporcionan evidencia experimental de que el magnetismo podría haber sido responsable tanto de la asimetría de las moléculas biológicas como de las proporciones isotópicas en la materia viva”, dice Paltiel.

Un terreno común para una familia científica

Más allá de sus implicaciones para el origen de la vida, el estudio podría tener aplicaciones prácticas. Podría dar lugar a nuevas tecnologías que combinen efectos magnéticos con espectrometría de masas para separar tanto moléculas quirales como isótopos.

Para Sharon y Paltiel, el proyecto también tiene una dimensión personal. Su padre, el Dr. Zvi Paltiel, físico jubilado del Instituto Weizmann, dedicó gran parte de su carrera a la divulgación científica.

“Nos animó a explorar la ciencia desde muy pequeños y compartió con nosotros su fascinación por la naturaleza: por qué las puestas de sol son rojas, cómo se forma la lluvia y por qué a menudo cae en ángulo”, recuerda Sharon.

Los hermanos ya habían colaborado anteriormente, gracias a un alumno de Paltiel, quien les sugirió que trabajaran con Sharon. Dicho alumno conocía la reputación de Sharon como una de las principales expertas en espectrometría de masas y le preguntó a Paltiel si tendría algún inconveniente con la colaboración. «En absoluto», respondió Paltiel. «Es mi hermana».

Sin embargo, hasta que comenzó este proyecto, Sharon creía que sus campos de investigación estaban muy alejados.

“Siempre pensé que Yossi y yo trabajábamos en ámbitos completamente diferentes”, dice. “Ahora hemos descubierto un punto en común: el de intentar comprender cómo empezó la vida”.

En el estudio también participaron Nir Yuran y la Dra. Shira Yochelis del laboratorio de Paltiel; el Dr. Gili Ben-Nissan del laboratorio de Sharon en el Departamento de Ciencias Biomoleculares de Weizmann; y la Dra. Ella M. Jakob del Instituto de Química de la Universidad Hebrea.

La investigación del profesor Michal Sharon cuenta con el apoyo de Magnus Konow en honor a su madre, Olga Konow Rappaport. El profesor Sharon es titular de la Cátedra Conmemorativa Aharon y Ephraim Katzir de Investigación Traslacional.

*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.