Cómo se formaron los componentes básicos de la vida en la Tierra primitiva

Una de las principales teorías sobre los orígenes de la vida en la Tierra propone que las moléculas químicas simples gradualmente se volvieron más complejas, formando finalmente protocélulas: estructuras primitivas, no vivas, que fueron precursoras de las células modernas. Un candidato prometedor para las protocélulas son las microgotas de poliéster, que se forman a través de la simple polimerización de alfahidroxiácidos (αHAs), compuestos que se cree que se acumularon en la Tierra primitiva, posiblemente formados por rayos o transportados por meteoritos, en protocélulas, seguida de una simple rehidratación en un medio acuoso. Un estudio reciente del Instituto de Ciencias de la Tierra y la Vida (ELSI) en el Instituto de Ciencias de Tokio proporciona nueva evidencia que respalda la formación de microgotas de poliéster en una gama más amplia de condiciones prebióticas realistas de lo que se creía anteriormente.

Formación de protocélulas de poliéster en condiciones similares a las de la Tierra primitiva. Las microgotas de poliéster, posibles precursoras de la vida, se formaron a partir de alfahidroxiácidos (αHA) en condiciones similares a las de la Tierra primitiva, incluso con bajo volumen de reacción, bajas concentraciones de reactivos y/o altas concentraciones de NaCl o KCl. Crédito: Profesor asociado Tony Z. Jia del Instituto de Ciencias de Tokio

Dirigido por el estudiante de doctorado Mahendran Sithamparam del Centro de Ciencias Espaciales (ANGKASA), Instituto de Cambio Climático, Universidad Nacional de Malasia como primer autor y co-supervisado por el Profesor Asociado Especialmente Designado de ELSI Tony Z. Jia y el Científico de Investigación de ANGKASA, Kuhan Chandru, el estudio exploró la formación de estas microgotas en condiciones más reflejadas de la Tierra primitiva. El equipo descubrió que las microgotas de poliéster podían formarse incluso en entornos ricos en sal, con bajas concentraciones de αHA y en pequeños volúmenes de reacción. Esto amplía investigaciones previas, que consideraban principalmente su formación en altas concentraciones o en grandes masas de agua, como zonas costeras de lagos o aguas termales. Los hallazgos sugieren, en cambio, que las protocélulas de poliéster probablemente estaban más extendidas de lo que se creía, formándose posiblemente en espacios confinados como poros de roca o incluso en entornos con alta concentración de sal, como charcas salinas o entornos oceánicos.

Algunos miembros del equipo de investigación: Profesor Asociado Especialmente Designado Tony Z. Jia (izquierda), estudiantes visitantes Navaniswaran Tharumen (centro) y Mahendran Sithamparam (derecha). Este estudio fue impulsado por estudiantes visitantes de Malasia y Taiwán, con el apoyo del personal de ELSI, investigadores y otros colaboradores, y demuestra que el futuro de la química prebiótica en Asia es prometedor. Crédito: Mahendran Sithamparam de la Universidad Nacional de Malasia.

En 2019, el equipo de investigación descubrió que los microdroplets de poliéster podrían formarse a través de un proceso de deshidratación simple. Cuando se calienta suavemente a 80 ° C, el ácido feniláctico (PA), un tipo de αHA, que se convirtió en una sustancia similar a un gel que posteriormente formó gotas sin membrana cuando se rehidrató. En su último estudio, los investigadores investigaron si estas microgotas podrían formarse en condiciones más diluidas o de menor volumen, similares a las esperadas en la Tierra prebiótica. “Las primeras pruebas de laboratorio solían utilizar altas concentraciones iniciales y volúmenes de αHAs, en el rango de cientos de milimolares o microlitros, respectivamente, lo que podría no reflejar las condiciones de la Tierra prebiótica, donde tales condiciones eran improbables; por eso necesitábamos ampliar los límites de los procesos de ensamblaje de gotitas de polimerización para ver si el ensamblaje de tales protocélulas habría sido realmente viable en la Tierra primitiva”, explicó Jia.

Geles de poliéster en tubos de ensayo tras su síntesis. Los geles de poliéster se sintetizan típicamente en tubos de ensayo mediante el simple calentamiento de alfahidroxiácidos (αHA); posteriormente, estos geles se rehidratan en un medio acuoso para generar microgotas. Crédito: Profesor asociado Tony Z. Jia del Instituto de Ciencias de Tokio.

El artículo científico Probing the Limits of Reactant Concentration and Volume in Primitive Polyphenyllactate Synthesis and Microdroplet Assembly Processes fue publicado en ACS Bio & Med Chem Au. Autores: Mahendran Sithamparam, Rehana Afrin, Navaniswaran Tharumen, Ming-Jing He, Chen Chen, Ruiqin Yi, Po-Hsiang Wang, Tony Z. Jia & Kuhan Chandru.

Para simular condiciones más realistas, los investigadores redujeron la concentración y el volumen de PA en los estudios de síntesis y formación de gotitas. Descubrieron que los poliésteres podían sintetizarse y formarse gotitas con tan solo 500 µL de PA a 1 mM o 5 µL de PA a 500 mM. Esto sugiere que las microgotas de poliéster podrían haber surgido de forma natural tanto en espacios confinados, como poros de roca, como en entornos diluidos, como los que se producen tras inundaciones o precipitaciones.

Para evaluar aún más las condiciones reales, el equipo simuló reacciones en salinidades similares a las del océano antiguo. Introdujeron NaCl 1 M, KCl y MgCl₂ en los reactivos de PA, y descubrieron que la síntesis de poliéster y el ensamblaje de microgotas podían ocurrir en NaCl y KCl, pero no en MgCl₂. Esto sugiere que las microgotas de poliéster habrían sido más propensas a formarse en cuerpos de agua con composiciones salinas específicas, como aquellas con alto contenido de NaCl y KCl, pero bajo en MgCl₂, lo que favorece la polimerización de αHA y el posterior ensamblaje de microgotas de poliéster. “Las conclusiones de este estudio demuestran claramente que las protocélulas de poliéster probablemente eran más comunes en la Tierra primitiva de lo que se creía, y además aportan información para la próxima generación de estudios de laboratorio del sistema”, afirmó Chandru. “Por lo tanto, una amplia gama de entornos primitivos —incluyendo entornos oceánicos, de agua dulce, salobres y espacios confinados como poros de roca— podrían haber propiciado la formación de estas protocélulas, tanto en la Tierra como en otros lugares”.

Esta investigación fue posible gracias al Programa de Visitantes de ELSI, que fomenta la colaboración internacional entre sus investigadores. Este programa apoyó a Sithamparam en dos visitas a ELSI en 2023, así como una visita durante el verano de 2023 a ELSI para la estudiante de posgrado Ming-Jing He (Universidad Nacional Central) para realizar experimentos para su tesis de maestría. Todos los experimentos se realizaron en ELSI, y los hallazgos se presentaron en el número especial de ACS Bio & Med Chem Au, 2024 Rising Stars in Biological, Medicinal, and Pharmaceutical Chemistry, del cual Jia es galardonada.

El artículo How life’s building blocks took shape on early Earth: the limits of membraneless polyester protocell formation fue publicado en la sección de noticias del sitio web del Institute of Science of Tokyo on Institute of Science of Tokyo webpage.