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miércoles, 15 de marzo de 2017

En el principio... no había fosfato

La portada de Cell nos recuerda que las cerillas inicialmente usaban azufre en lugar de fósforo. Algo similar pudo haber sucedido con el origen de la vida.


En el campo de la evolución prebiótica una de las principales discusiones es decidir qué fue primero: el metabolismo o la autorreplicación. Es la típica situación del huevo y la gallina: necesitamos un metabolismo para replicar la información que codifica los componentes capaces de realizar ese metabolismo. Por simplificar, a los del metabolismo se les conoce como los defensores del Mundo Hierro/Azufre y a los de la autorreplicación como los defensores del Mundo RNA.

¿Qué fue primero? ¿La autorreplicación o el metabolismo? En la hipótesis del mundo RNA la capacidad de autorreplicación precede a la aparición de las enzimas y la aparición de las redes metabólicas. En la hipótesis metabólica, primero aparecen dichas redes y posteriormente las moléculas con capacidad replicativa (origen de la imagen: Phys.Org)


La hipótesis de "primero el mundo RNA" es muy atractiva porque en una misma molécula tenemos ambas funciones: replicativa y catalítica. Pero lo cierto es que cada vez se están acumulando más indicios que apuntan a que el metabolismo fue previo a la autorreplicación. El último es un artículo publicado en Cell por Joshua E. Goldford, Hyman Hartman, Temple F. Smith y Daniel Segrè y su título lo dice todo: Remnants of an Ancient Metabolism without Phosphate. Esta claro que si no hay fosfato no puede haber RNA, así que el metabolismo precedió al mundo RNA.

¿Fosfato? No, gracias. En la figura tenemos a cuatro de los compuestos semilla utilizados en el algoritmo para identificar las reacciones metabólicas primordiales. Los otros cuatro usados fueron el agua, el dióxido de carbono, el carbonato y el nitrógeno (fuente: Goldford et al. 2017)


La verdad es que el concepto de que el fosfato no sea necesario para el origen de la vida es muy atrevido. Desde pequeñitos nos enseñan que los bioelementos principales son seis: C,H,O, N, P y S. Y si atendemos a sus proporciones un mol de vida estaría compuesto por C1H1,8O0,5N0,2P0,03S0,02. Es decir, en un ser vivo, por cada dos átomos de azufre hay tres de fósforo. Para rematar, cuando estudiamos el metabolismo nos dicen que el ATP es la moneda biológica de energía gracias a sus enlaces fosfoester. Entonces ¿por qué han pensado estos investigadores que el fosfato no es necesario para el metabolismo primigenio?

Por una cuestión de química geológica básica. La accesibilidad geoquímica al fósforo es mucho menor que la del azufre. Así que con ese dato en mente se pusieron a mirar las rutas metabólicas en las que el f´sforo no hace falta. Pero no se centraron en las rutas de un puñado de organismos modelo. Lo que hecho es mirar en todas las rutas metabólicas conocidas en todos los seres vivos, lo que denominan un metabolismo a nivel "biosfera". También han tenido en cuenta que las reacciones de hoy, tan específicas y eficientes, debieron de evolucionar a partir de reacciones mucho menos específicas y con moléculas mucho más simples que las presentes. Utilizando herramientas computacionales de biología sintética usaron ocho moléculas simples que podrían estar presentes en la Tierra primigenia y que podrían reaccionar para formar otros compuestos. Esas ocho moléculas "semilla" eran el agua, el sulfihídrico, el dióxido de carbono, el ácido carbónico, el amoniaco, el nitrógeno, el formato y el acetato. La otra condición es que no debía de necesitarse fosfato. A continuación aplicaron lo que ellos llaman un algoritmo de expansión de red de interacciones (network expansion algorithm) para simular la aparición de una red de interacciones metabólicas a partir de dichos compuestos. Lo que hace el algoritmo es añadir metabolitos y reacciones iterativamente y "preguntarse" en cada iteración si con los productos obtenidos y los sustratos presentes, puede darse una nueva reacción que producirá nuevos productos. Al final se va estableciendo un grupo "nuclear" (core) de rutas metabólicas principales dentro de ese "metabolismo de la biosfera", entre ellas las rutas en las que intervienen los cofactores Hierro/Azufre y algunas rutas de biosíntesis de aminoácidos (en concreto G, A, D, N, E, Q, S, T, C, y H) y de ácidos carboxílicos. Para ellos, estas rutas representan un "fósil metabólico" basado en la bioquímica no-enzimática de los enlaces tioester.

El "núcleo metabólico" que no necesita fosfato. El algoritmo hace reaccionar a los compuestos simples (metabolitos "semilla", marcados en azul al fondo a la izquierda). Los metabolitos que aparecen van interconectándose a través de las reacciones en las cuales o bien son sustratos o bien productos. Los colores indican el tiempo (iteración) en el cual el metabolito aparece. Arriba a la izquierda vemos la escala temporal. Los metabolitos principales (piruvato, glutamato, glicina) se alcanzan al cabo de unas pocas iteraciones a partir de los metabolitos "semilla". (fuente: Goldford et al. 2017)


Pero no se han quedado ahí. Utilizando el mapa del "metabolismo de la biosfera" han eliminado todas las reacciones en las cuales interviene el fosfato e incluso han considerado aquellas reacciones en las que el fosfato no es esencial. Por ejemplo, la coenzima-A lleva fosfato en su composición, pero éste no interviene en su función, la parte importante de dicha molécula es el éster de azufre. De hecho, la coenzima-A puede ser sustituida por la panteteina. Al realizar estos cambios y aplicar el algoritmo la expansión de la red metabólica se incrementa hasta incluir tres veces más metabolitos, entre ellos cinco aminoácidos (K, R, L, V, y P), el uracilo y la ribosa

Metabolismo global sin fosfato. Al eliminar todas la reacciones en las que la intervención del fosfato es esencial (líneas grises) todavía queda una gran red de reacciones metabólicas. Las líneas rojas son las reacciones identificadas como "nucleares" (ver figura anterior). Las reacciones marrones son aquellas que son accesibles desde el "núcleo metabólico". Las azules y púrpuras aquellas que están acopladas a la coenzima-A o a las coenzimas de flavina/nicotinamida respectivamente. (fuente: Goldford et al. 2017)


Los autores reconocen que no pueden descartar otra interpretaciones y que quizás la rutas que usan fosfato pudieron evolucionar gradualmente y de manera paralela o consecutiva. Pero lo que parece claro es que estos resultados nos permiten intuir que el protometabolismo pudo estar basado en reacciones con el enlace tioester como portador de energía y que la diversidad de compuestos que se producen podrían ser los precursores sobre los cuales posteriormente aparecería toda la bioquímica de los ácidos nucleicos como portadores de información. Queda claro que todavía hay muchos huecos que rellenar en esta historia.




Esta entrada participa en la LXIII edición del Carnaval de Química, alojada en el blog ‘Cardescu Web‘ de @CienciaNformas