Els llacs termals de Yellowstone podrien reunir característiques similars a l'entorn terrestre on es va originar la vida. Peter Adams Photography/Shutterstock

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

Quan pensem en l’origen de la vida, sovint imaginem una seqüència lineal: primer una química primitiva a la Terra jove (molècules essencials, proteïnes, aigua…), després uns sistemes metabòlics simples i, finalment, organismes cada vegada més complexos fins arribar a l’últim avantpassat comú universal, el famós LUCA (per les sigles en anglès de Last Universal Common Ancestor). Però aquesta imatge és enganyosament simple. Avui sabem molt més sobre cadascun d’aquests nivells, però paradoxalment continua sent molt difícil connectar-los entre si.

D’una banda, la biologia evolutiva ha avançat molt en la reconstrucció de LUCA a partir de genomes actuals. Comparant gens i proteïnes de bacteris i arqueus, s’ha sabut que LUCA no era una entitat rudimentària, sinó un organisme ja força complex, amb bona part del metabolisme central en funcionament. De l’altra, la química prebiòtica de sistemes ha revelat que sota condicions plausibles de la Terra primitiva poden emergir xarxes de reaccions no enzimàtiques sorprenentment organitzades, capaces de generar molècules clau de la bioquímica. El problema és la bretxa entre aquests dos mons.

Un salt massa gran entre dos mons

Aquest buit va ser comparat fa dècades amb un núvol que dificulta veure si hi ha continuïtat entre la química prebiòtica i el metabolisme biològic. Les reconstruccions de LUCA parteixen d’un enfocament “descendent” de l’arbre de la vida: comencen amb sistemes vius moderns i es projecten enrere en el temps. En canvi, la química de sistemes adopta un enfocament “de baix a dalt”: explora què pot passar químicament sense enzims, només amb petites molècules, minerals i condicions ambientals específiques. El repte és fer que aquests dos camins es troben al mig.

En els darrers anys, la química de sistemes ha aportat resultats especialment notables. Un exemple destacat són els treballs de Ram Krishnamurthy i els seus col·laboradors, que exploren xarxes de reaccions no enzimàtiques basades en molècules simples com el glioxilat o el cianur d’hidrogen. Aquestes xarxes, lluny de produir un caos químic inescrutable, generen conjunts relativament reduïts i coherents de compostos, alguns dels quals recorden intermediaris de rutes metabòliques modernes, com el cicle de Krebs. És una sorpresa agradable: la química prebiòtica primitiva podria haver estat menys diversa i més estructurada del que tradicionalment s’havia imaginat.

Aquests resultats reforcen la idea que el metabolisme no va sorgir del no-res amb l’aparició dels primers enzims, sinó que podria tenir arrels profundes en xarxes químiques no biològiques. Tanmateix, aquí apareix la dificultat clau: com connectar aquestes xarxes abiòtiques (o que no formen part de l'ésser viu) amb el metabolisme ja enzimàtic que atribuïm a LUCA? No n’hi ha prou amb dir que “s’assemblen” o que comparteixen algunes molècules. Cal establir ponts plausibles, tant químics com evolutius.

Dos disciplines que podrien ser de la mateixa “família”

Un dels obstacles és la diferència d’escala i de llenguatge entre disciplines. La química de sistemes descriu reaccions concretes, sovint descobertes de manera “agnòstica”, sense assumir rutes metabòliques conegudes. En canvi, les reconstruccions de LUCA treballen amb gens, enzims i vies metabòliques ja definides. Tradicionalment, aquests dos camps han dialogat poc, i quan ho han fet, ha estat amb marcs conceptuals diferents.

Nosaltres proposem que una estratègia per reduir aquesta distància seria pensar el metabolisme no com un catàleg tancat de reaccions, sinó com un espai generatiu. Els enzims, especialment els més antics, probablement eren poc específics i químicament “promiscus”: podien catalitzar més reaccions de les que avui observem en els organismes moderns. Si representem aquestes capacitats no només com reaccions concretes, sinó com regles genèriques de transformació química, podem començar a explorar quines altres reaccions eren possibles en el passat.

Aquest enfocament permet una idea suggeridora: les xarxes de reaccions no enzimàtiques estudiades per la química de sistemes podrien coincidir, almenys parcialment, amb algunes de les capacitats químiques latents dels enzims ancestrals de LUCA. No cal que siguen idèntiques, però sí que podrien compartir “famílies” de transformacions químiques. Això obre la porta a establir correspondències sistemàtiques entre reaccions prebiòtiques i components del metabolisme ancestral.

Treballar sense algunes peces del puzzle

Tot i així, cal ser prudents. Aquesta recerca encara està en una fase inicial. Requereix integrar dades químiques, models computacionals auxiliats d’eines d’aprenentatge automàtic, consideracions termodinàmiques i informació geològica i ambiental sobre la Terra primitiva. També implica acceptar que algunes peces del puzle s’han perdut per sempre: components químics o rutes metabòliques que van existir abans de LUCA però que no han deixat rastre en els organismes actuals.

En definitiva, el problema no és la manca de dades, sinó la dificultat d’articular-les en un marc comú. Els avanços en química de sistemes ens mostren que la química primitiva podia ser sorprenentment ordenada. Les reconstruccions de LUCA ens indiquen que la vida ja havia assolit una gran complexitat molt abans de la diversificació microbiana.

El nostre metabolisme és inevitable?

El gran repte científic ara mateix és connectar aquests dos extrems sense simplificacions excessives. Fer-ho no només ens ajudarà a entendre millor com va aparèixer la vida a la Terra, sinó també fins a quin punt el metabolisme que coneixem és inevitable… o només una de moltes possibilitats químiques que mai arribarem a veure.

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 i 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.