Los lagos termales de Yellowstone podrían reunir características similares en el entorno terrestre donde se originó la vida. Peter Adams Photography/Shutterstock

Juli Peretó, Universitat de València y Pablo Carbonell, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)

Cuando pensamos en el origen de la vida, a menudo imaginamos una secuencia lineal: primero una química primitiva en la Tierra joven (moléculas esenciales, proteínas, agua…), después unos sistemas metabólicos simples y, por último, organismos cada vez más complejos hasta llegar al último antepasado común universal, el famoso LUCA (por las siglas en inglés Last Universal Common Ancestor). Pero esa imagen es engañosamente simple. Hoy sabemos mucho más sobre cada uno de estos niveles, pero paradójicamente sigue siendo muy difícil conectarlos entre sí.

Por un lado, la biología evolutiva ha avanzado mucho en la reconstrucción de LUCA a partir de genomas actuales. Comparando genes y proteínas de bacterias y arqueas, se ha sabido que LUCA no era una entidad rudimentaria, sino un organismo ya bastante complejo, con buena parte del metabolismo central en funcionamiento. Por otra parte, la química prebiótica de sistemas ha revelado que bajo condiciones plausibles de la Tierra primitiva pueden emerger redes de reacciones no enzimáticas sorprendentemente organizadas, capaces de generar moléculas clave de la bioquímica. El problema es la brecha entre estos dos mundos.

Un salto demasiado grande entre dos mundos

Este vacío fue comparado hace décadas con una nube que dificulta ver si existe continuidad entre la química prebiótica y el metabolismo biológico. Las reconstrucciones de LUCA parten de un enfoque "descendente" del árbol de la vida: comienzan con sistemas vivos modernos y se proyectan atrás en el tiempo. En cambio, la química de sistemas adopta un enfoque "de abajo a arriba": explora qué puede ocurrir químicamente sin enzimas, sólo con pequeñas moléculas, minerales y condiciones ambientales específicas. El reto es hacer que estos dos caminos se encuentren en el medio.

En los últimos años, la química de sistemas ha aportado resultados especialmente notables. Un ejemplo destacado son los trabajos de Ram Krishnamurthy y sus colaboradores, que exploran redes de reacciones no enzimáticas basadas en moléculas simples como el glioxilato o el cianuro de hidrógeno. Estas redes, lejos de producir un caos químico inescrutable, generan conjuntos relativamente reducidos y coherentes de compuestos, algunos de los cuales recuerdan a intermediarios de rutas metabólicas modernas, como el ciclo de Krebs. Es una sorpresa agradable: la química prebiótica primitiva podría haber sido menos diversa y más estructurada de lo que tradicionalmente había imaginado.

Estos resultados refuerzan la idea de que el metabolismo no surgió de la nada con la aparición de las primeras enzimas, sino que podría tener raíces profundas en redes químicas no biológicas. Sin embargo, aquí aparece la dificultad clave: ¿cómo conectar estas redes abióticas (o que no forman parte del ser vivo) con el metabolismo ya enzimático que atribuimos a LUCA? No basta con decir que "se parecen" o que comparten algunas moléculas. Es necesario establecer puentes plausibles, tanto químicos como evolutivos.

Dos disciplinas que podrían ser de la misma "familia"

Uno de los obstáculos es la diferencia de escala y lenguaje entre disciplinas. La química de sistemas describe reacciones concretas, a menudo descubiertas de forma “agnóstica”, sin asumir rutas metabólicas conocidas. Por el contrario, las reconstrucciones de LUCA trabajan con genes, enzimas y vías metabólicas ya definidas. Tradicionalmente, estos dos campos han dialogado poco, y cuando lo han hecho, ha estado con distintos marcos conceptuales.

Nosotros proponemos que una estrategia para reducir esa distancia sería pensar el metabolismo no como un catálogo cerrado de reacciones, sino como un espacio generativo. Las enzimas, especialmente las más antiguas, probablemente eran poco específicas y químicamente “promiscuos”: podían catalizar más reacciones de las que hoy observamos en los organismos modernos. Si representamos estas capacidades no sólo como reacciones concretas, sino como reglas genéricas de transformación química, podemos empezar a explorar qué otras reacciones eran posibles en el pasado.

Este enfoque permite una idea sugerente: las redes de reacciones no enzimáticas estudiadas por la química de sistemas podrían coincidir, al menos parcialmente, con algunas de las capacidades químicas latentes de las enzimas ancestrales de LUCA. No hace falta que sean idénticas, pero sí podrían compartir “familias” de transformaciones químicas. Esto abre la puerta a establecer correspondencias sistemáticas entre reacciones prebióticas y componentes del metabolismo ancestral.

Trabajar sin algunas prendas del puzzle

Sin embargo, hay que ser prudentes. Esta investigación todavía está en una fase inicial. Requiere integrar datos químicos, modelos computacionales auxiliados de herramientas de aprendizaje automático, consideraciones termodinámicas e información geológica y ambiental sobre la Tierra primitiva. También implica aceptar que algunas piezas del puzle se han perdido para siempre: componentes químicos o rutas metabólicas que existieron antes de LUCA pero que no han dejado rastro en los organismos actuales.

En definitiva, el problema no es la falta de datos, sino la dificultad de articularlos en un marco común. Los avances en química de sistemas nos muestran que la química primitiva podía ser asombrosamente ordenada. Las reconstrucciones de LUCA nos indican que la vida ya había alcanzado gran complejidad mucho antes de la diversificación microbiana.

¿Nuestro metabolismo es inevitable?

El gran reto científico es conectar estos dos extremos sin simplificaciones excesivas. Hacerlo no sólo nos ayudará a entender mejor cómo apareció la vida en la Tierra, sino hasta qué punto el metabolismo que conocemos es inevitable… o sólo una de muchas posibilidades químicas que nunca llegaremos a ver.

Juli Peretó, Catedràtic de Bioquímica i Biologia Molecular i investigador de l'Institut de Biologia Integrativa de Sistemes I2SysBio (Universitat de València-CSIC), Universitat de València y Pablo Carbonell, Investigador Científic en Biologia Sintètica per al disseny automatitzat de rutes metabòliques de producció, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)

Aquest article va ser publicat originalment a The Conversation. Llegiu l’ original.