Las primeras reacciones químicas en el origen de la vida tuvieron como fuente de energía básicamente el hidrógeno

Investigadores de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU), en Alemania, han respondido a la pregunta de cómo se iniciaron las primeras reacciones químicas en el origen de la vida y cuál fue su fuente de energía, al descubrir que ese ingrediente del que surgió la vida es el hidrógeno, según publican en la revista 'Frontiers in Microbiology'.

El equipo han reconstruido el metabolismo del último ancestro común universal (LUCA, por sus siglas en inglés) y han descubierto que casi todos los pasos químicos utilizados por la vida primigenia para construir los bloques moleculares de las células son reacciones que liberan energía.

De este modo, se identificó la fuente de energía necesaria para impulsar estas reacciones, que ha estado oculta durante mucho tiempo. La energía necesaria para sintetizar los componentes básicos de la vida procede del propio metabolismo, siempre que se incluya un compuesto inicial esencial. El ingrediente secreto que libera la energía desde dentro en el origen de la vida es el más limpio, verde, nuevo y antiguo de todos los portadores de energía, es el gas hidrógeno (H2).

El equipo del profesor doctor William Martin en el Instituto de Evolución Molecular de la HHU investiga cómo y dónde surgió la vida en la Tierra primitiva. Su enfoque es experimental y computacional. En el laboratorio, llevan a cabo experimentos químicos para investigar las reacciones entre el hidrógeno y el dióxido de carbono, CO2, utilizando catalizadores y condiciones encontradas en los respiraderos hidrotermales submarinos.

En el ordenador, han desarrollado una forma de arqueología molecular que les permite descubrir las múltiples huellas de la vida primordial que se conservan en las proteínas, el ADN y las reacciones químicas de las células modernas.

En su último trabajo, investigaron la cuestión de qué tipo de entorno químico fomentó las reacciones químicas que dieron lugar al metabolismo, y más tarde al propio LUCA, y de dónde procedía la energía necesaria para impulsar esas reacciones. Para ello, no se fijaron en los genes, sino en la información contenida en las propias reacciones químicas de la vida.

Identificaron 402 reacciones metabólicas que han permanecido prácticamente inalteradas desde el origen de la vida, hace aproximadamente 4.000 millones de años. Como estas reacciones son comunes a todas las células, también estaban presentes en LUCA. De este modo, se ha podido saber cómo la vida primigenia gestionaba la energía en el metabolismo y de dónde obtenía la energía necesaria para hacer avanzar las reacciones químicas de la vida.

Jessica Wimmer, estudiante de doctorado en el instituto y autora principal del nuevo trabajo, estaba especialmente interesada en el balance energético de las reacciones metabólicas de LUCA, porque toda vida requiere energía.

Para ello elaboró un catálogo de las 402 reacciones que las células más simples y antiguas entre las modernas -bacterias y arqueas- utilizan para construir los bloques de la vida: los 20 aminoácidos, las bases del ADN y el ARN, y las 18 vitaminas (cofactores) que son esenciales para el metabolismo.

En las células modernas más primitivas, y en los análisis informáticos de Wimmer, estos compuestos se sintetizan a partir de moléculas simples que están presentes en el entorno moderno y que también estaban presentes en los respiraderos hidrotermales de la Tierra primitiva: hidrógeno (H2), dióxido de carbono (CO2) y amoníaco (NH3). El resultado fue la red metabólica de LUCA.

Cuando se le pregunta por la motivación de la cuestión central del nuevo estudio, Jessica Wimmer explica que querían saber de dónde procedía la energía que impulsaba el metabolismo primordial. "Al inicio de las reacciones metabólicas, hace unos 4.000 millones de años, no había proteínas ni enzimas que catalizaran las reacciones porque aún no habían evolucionado --apunta--. El metabolismo tuvo que surgir de las reacciones que podían tener lugar en el medio ambiente, quizá con ayuda de catalizadores inorgánicos".

"Pero, con o sin catalizadores, para que las reacciones avancen tienen que liberar energía. ¿De dónde procede esa energía? --se pregunta--. En la literatura se han hecho muchas sugerencias sobre posibles fuentes de energía metabólica, pero nadie ha investigado las reacciones del propio metabolismo". Para encontrar las fuentes de energía en las reacciones metabólicas, el equipo calculó la cantidad de energía libre, también llamada energía de Gibbs, que se libera o consume en cada reacción.

Comprobaron que el metabolismo de LUCA no necesitaba ninguna fuente de energía externa, como la luz ultravioleta, los impactos de meteoritos, las erupciones volcánicas o la radiactividad. Por el contrario, en un entorno típico de muchos respiraderos hidrotermales submarinos modernos, la energía necesaria para que las reacciones del metabolismo avancen procede del propio metabolismo.

Dicho de otro modo, casi todas las reacciones metabólicas de LUCA liberan energía por sí mismas: la energía para la vida procede de la propia vida. Martin, autor principal del estudio, afirma: "Esto es emocionante, porque las 400 reacciones interconectadas del metabolismo central, que parecen tan irremediablemente complejas a primera vista, de repente revelan una tendencia natural a desarrollarse por sí mismas en las condiciones adecuadas".

Para llegar a esa conclusión, el equipo tuvo que investigar primero la energía de las 402 reacciones utilizando programas informáticos que simulan diferentes condiciones ambientales, para distinguir las combinaciones energéticamente favorables de las desfavorables. Esto es importante porque el hecho de que una reacción libere o no energía suele depender de las condiciones ambientales, señalan.

Estudiaron condiciones que iban de pH 1 (ácido) a pH 14 (alcalino), temperaturas de 25 a 100 °C y diferentes cantidades relativas de reactivos y productos. Se fijaron especialmente en el papel energético del hidrógeno. Wimmer señala que "sin hidrógeno no ocurre nada, porque el hidrógeno es necesario para que el carbono del CO2 se incorpore al metabolismo en primer lugar".

Las condiciones energéticamente óptimas se sitúan en un rango de pH alcalino en torno a pH 9 y una temperatura en torno a 80 °C, siendo necesario el hidrógeno para la fijación del CO2. Poniendo este resultado en contexto,

Martin explica que "esto es casi exactamente lo que vemos en Lost City, un campo hidrotermal productor de H2 en el Atlántico Medio. En un entorno así, entre el 95 y el 97 % de las reacciones metabólicas de LUCA podrían llevarse a cabo de forma espontánea, es decir, sin necesidad de ninguna otra fuente de energía. En la oscuridad abisal de los sistemas hidrotermales, el H2 es luz solar química".

Según apunta, "la investigación energética moderna aprovecha exactamente las mismas propiedades del hidrógeno que la vida. Sólo que la vida tiene cuatro mil millones de años de experiencia con la tecnología del hidrógeno, mientras que nosotros apenas estamos empezando", añade.

Por su parte, Jessica Wimmer añade que "en cuanto a la energía en el origen de la vida, podemos decir que la energía química pura es suficiente. No necesitamos luz solar, ni meteoritos, ni luz ultravioleta: sólo H2 y CO2, más algo de amoníaco y sales. Debido a la naturaleza extremadamente conservada de las reacciones químicas de nuestra red biosintética, podemos obtener algunas ideas interesantes sobre las reacciones que dieron lugar a LUCA, aunque viviera hace cuatro mil millones de años", concluye.