La vida es peculiar. Aunque las moléculas que componen todos los seres vivos obedecen las leyes físicas y químicas, lo hacen con un giro desconcertante. Cómo surgieron las características moleculares distintivas de la vida y qué nos pueden decir sobre la vida en la Tierra yen otra parte del universo?
El profesor de física Swanlund de la Universidad de Illinois, Nigel Goldenfeld, el estudiante de posgrado Farshid Jafarpour y el investigador postdoctoral Tommaso Biancalani han hecho un gran avance en una de las peculiaridades químicas más centrales de la vida tal como la conocemos: la homoquiralidad, la "mano" uniforme de la biologíamoléculas. Su nuevo modelo que aborda la aparición de esta característica, publicado en Cartas de revisión física doi: 10.1103 / PhysRevLett.115.158101 y resaltado por Physics sugiere que la homoquiralidad puede usarse como una firma universal de la vida.
Los tres investigadores son miembros del tema de investigación de Biocomplejidad dentro del Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica IGB, y realizaron su trabajo con fondos del Instituto de Astrobiología de la NASA para Biología Universal en UIUC, que Goldenfeld dirige.
Muchos productos químicos, orgánicos o de otro tipo, son quirales; es decir, si la estructura de cada uno se refleja en un espejo, su copia de "espejo" no podría girarse o voltearse para que coincida con el original. Como un par de guantes,Las versiones para zurdos y diestros de una molécula quiral son funcionalmente equivalentes, pero su asimetría fundamental los hace distintos.
Las reacciones inorgánicas producen y consumen ambas versiones de moléculas quirales a velocidades iguales. Esto es lo que hace que la quiralidad de las moléculas biológicas, como los azúcares producidos por los microbios y las plantas o los aminoácidos que forman las proteínas, sea tan impactante. En todos los seres vivos.en la Tierra, todos los aminoácidos son zurdos y todos los azúcares son diestros. Goldenfeld destacó el misterio central de este fenómeno.
"Imagine que tiene una moneda, y está perfectamente hecha, por lo que no está sesgada en absoluto, y comienza a lanzar la moneda. Cada vez que la lanza, sigue apareciendo cara", dijo. "Entonces, usteddigamos, algo debe estar operando que está causando que esto suceda ... obtienes el mismo rompecabezas con estas moléculas biológicas, y ese es el problema de la homoquiralidad ".
Muchos científicos han propuesto hipótesis sobre cómo esta notable asimetría se hizo dominante. Quizás la más prominente, presentada por el conocido físico Sir Charles Frank en 1953, argumentó que la homoquiralidad podría ser producida por una de las propiedades fundamentales de la vida: la autocatálisis, lacapacidad de autorreplicación. Argumentó que en un sistema donde una molécula zurda o diestra se parece más a sí misma, y cada tipo inhibe la autorreplicación de la otra, una desigualdad inicial en la relación, que aparece por casualidad,en última instancia, permitiría que una mano supere por completo a la otra.
El trabajo de Frank fue innovador, pero dejó preguntas sin respuesta que ningún trabajo posterior ha abordado adecuadamente. Su idea parecía basarse en la inhibición de la autorreplicación de cada quiralidad por el otro, un mecanismo que podría no haber existido desde el principioen la historia de la vida.
El equipo de Illinois quería desarrollar un modelo más simple, basado únicamente en las propiedades más básicas de la vida: autorreplicación y desequilibrio. Mostraron que con solo estos requisitos mínimos, la homoquiralidad aparece cuando la autorreplicación es lo suficientemente eficiente.
"Existen otros modelos, y pueden ser correctos para el origen de la homoquiralidad en la tierra, si puede probar que esos requisitos previos existieron durante el surgimiento de la vida", dijo Jafarpour. "Pero si esos fundamentos existen o no, de por vidasurgió en cualquier parte del universo, es de esperar que tenga autorreplicación, y nuestro modelo dice que eso es suficiente para obtener homoquiralidad ".
El modelo se basa en técnicas matemáticas y computacionales que no estaban disponibles en la época de Frank. Tiene en cuenta los eventos fortuitos que involucran moléculas individuales, que el autorreplicador quiral encuentra primero su próximo sustrato. Las estadísticas detalladas integradas en el modelorevelar que si la autorreplicación se produce de manera suficientemente eficiente, esta ventaja incidental puede convertirse en dominio de una quiralidad sobre la otra. El precursor de este mecanismo matemático provino del trabajo previo de Biancalani sobre cómo los eventos fortuitos influyen en los patrones de alimentación de las colonias de hormigas.
Goldenfeld atribuye parte de su éxito al entorno interdisciplinario del IGB y del Instituto de Biología Universal IUB, miembro del Instituto de Astrobiología de la NASA. "Si no hubiéramos estado en este entorno, no habríamos tenidoestado tan preparado para pensar en este problema; podríamos habernos quedado con las hormigas y nunca haber dado el salto para darnos cuenta de que podemos aplicar esto a este problema del origen de la vida ", dijo.
El trabajo lleva a una conclusión clave: dado que la homoquiralidad depende solo de los principios básicos de la vida, se espera que aparezca donde sea que surja la vida, independientemente de las condiciones del entorno.
"Para mí, lo más emocionante es que este mecanismo muestra que la homoquiralidad es realmente una biosignación de la vida, una firma del 100%, y debe esperarse en cualquier lugar donde surja la vida", dijo Goldenfeld. "Entonces, por ejemplo, acabamos de aprender quehay un océano global de agua líquida bajo el hielo de Encelado ... Creo que buscar homoquiralidad en las moléculas orgánicas que se han detectado allí sería una forma fantástica de buscar vida allí ".
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Materiales proporcionado por Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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