Un vistazo al pasado: El azufre pudo haber sido crucial para los primeros organismos vivos

Por Juan A. Arias Del Angel

Como una pequeña fábrica, en cada una de la células de los seres vivos ocurren miles de reacciones químicas que permiten obtener energía y usarla para elaborar todas las moléculas necesarias para la vida. A este conjunto de reacciones químicas se le conoce como metabolismo.

El metabolismo es un proceso crucial para el crecimiento y desarrollo de los seres vivos y algunas de sus características son comunes a todos ellos. Particularmente, los compuestos con fósforo tienen un papel central en los procesos metabólicos: participan en el almacenamiento de energía y son fundamentales para la estructura de las moléculas de ADN. Es difícil imaginarse un escenario donde el metabolismo de los organismos no involucre compuestos con fósforo. Más allá de esta primera impresión, ¿es posible que el metabolismo de los primeros organismos no lo utilizara?

Un estudio dirigido por Joshua E. Goldford y colaboradores de la University of Boston y el Massachusetts Institute for Technology publicado este mes en la revista Cell  retoma el cuestionamiento respecto a la plausibilidad de que el metabolismo de las primeras células fuera independiente de fósforo. En su lugar, los autores argumentan a favor de un escenario en el que moléculas basadas en azufre —y no en fósforo— fueron centrales para el metabolismo durante las primeras etapas de la evolución de los organismos vivos.

Investigando el pasado

No es sencillo responder cuestionamientos respecto al cómo eran los seres vivos hace miles de millones, ya que las respuestas pueden estar  escondidas por el largo proceso evolutivo. Aún así es posible embarcarnos en la aventura de desenmarañar el misterio de cómo era la vida en los instantes próximos a su origen. Entonces nos preguntamos, si las cosas no siempre han sido como son, ¿entonces cómo fueron? El ejemplo clásico de este tipo de preguntas lo representa el ADN como material genético. A pesar de estar presente en todos los organismos actuales, el ADN requiere de una compleja maquinaría celular para asistir en los procesos de replicación y expresión que es poco probable que existiera en las primeras células pocos años después del origen de la vida. Como alternativa y tomando como argumento las propiedades catalíticas y de autorreplicación del ARN, se ha propuesto la hipótesis de “El mundo de ARN”, que sugiere que en los primeros organismos fue el ARN, y no el ADN, la molécula que servía para almacenar y transmitir información genética. Posteriormente, la selección natural favoreció al uso del ADN como molécula de la herencia y el ARN se quedó con la función principal de mensajero para la síntesis de proteínas a partir de la información del ADN.

¿Por qué habríamos de pensar que el metabolismo de los organismos no siempre ha tenido como base al fósforo? El fósforo se encuentra en diversas moléculas como el ATP y el ADN. La primera sirve para almacenar energía que después puede ser utilizada para impulsar otros procesos celulares, y la segunda está asociada con el almacenamiento de la información genética. Se ha propuesto que el metabolismo de los primeros organismos debió de poseer al menos tres características: 1) la capacidad de generar los nutrientes básicos para sustentar el crecimiento, 2) basarse en elementos y compuestos fácilmente disponibles para estos y 3) tener el potencial de aumentar su repertorio de reacciones químicas durante la evolución.

Considerando a los organismos actuales, es claro que un metabolismo que utiliza fósforo es capaz de generar todos los nutrientes que puedan requerir. Sin embargo, si consideramos las propiedades geoquímicas del fósforo, su obtención, incluso por parte de los organismos actuales, puede resultar un reto y sería potencialmente más difícil para los primeros organismos. De hecho, la disponibilidad de fósforo suele ser uno de los principales factores limitantes para el crecimiento de organismos como plantas y bacterias, los cuales poseen complejos mecanismos moleculares especializados en la absorción y almacenamiento de fósforo. Es poco probable que estos mecanismos hayan existido en los primeros organismos vivos. Además, las reacciones que involucran la síntesis de compuestos con fósforo (particularmente el enlace fosfodiéster del ATP o de las moléculas de ADN y ARN) requieren altas cantidades de energía para llevarse a cabo y son promovidas por complejos enzimáticos a través de su acoplamiento con reacciones químicas más favorables. Nuevamente, es poco probable que estas enzimas hayan existido en las primeras células.

¿Sería posible que existiera un metabolismo ancestral que no utilizara el fósforo? Y si así fuese, ¿cuál sería el elemento crucial? El estudio de Goldford y colaboradores consistió en analizar todas las reacciones metabólicas conocidas de los organismos modernos. Por supuesto, hacer esto de manera experimental es poco práctico (o casi imposible), así que los autores recurrieron a herramientas computacionales y matemáticas que les permitieron estudiar de manera simultánea este inmenso conjunto de reacciones. Suponiendo que los primeros organismos no tenían acceso al fósforo, el primer paso fue eliminar todas las reacciones que utilizan compuestos químicos con fósforo como sustratos o productos. Sorprendentemente, el sistema resultante mantuvo el potencial para sintetizar una gran diversidad de metabolitos esenciales a través de los procesos de fijación de carbono y síntesis de aminoácidos, además de ser capaz de formar compuestos con enlaces tioéster (enlaces de alta energía similares a los enlaces fosfodiester, pero que involucran azufre); todo esto a partir de compuestos químicos sencillos que posiblemente estaban presentes en el momento del origen de la vida. Los autores también observaron que la red metabólica resultante se encuentra enriquecida en reacciones dependientes de cofactores de hierro y azufre, dos elementos mucho más abundantes en minerales de la corteza terrestre y a los cuales los primeros organismos pudieron haber tenido mayor accesibilidad.

Dada la recurrencia de moléculas de alta energía y cofactores de azufre, los autores pusieron a prueba la plausibilidad de que un metabolismo basado en azufre pudiera favorecer la adición de nuevas reacciones. Al permitir el acoplamiento de nuevas reacciones metabólicas con otras ya presentes en su red metabólica a través de compuestos de azufre con enlaces de alta energía (similar a como ocurre en el metabolismo de los organismos modernos), los autores encontraron que el metabolismo aumenta su capacidad para sintetizar casi tres veces más metabolitos entre los que se incluyen un total de 15 de los 20 aminoácidos, además de compuestos como uracilo y ribosa, componentes esenciales para la síntesis de ARN.

Poniendo todas las piezas juntas, los autores proponen que es posible que un metabolismo basado en azufre, y no en fósforo, haya sido central para los primeros organismos vivos. Este metabolismo pudo haber sido capaz de sintetizar compuestos químicos esenciales para los organismos y permitió la evolución de las capacidades metabólicas al facilitar la adición de nuevas reacciones químicas al repertorio de las ya presentes originalmente. La hipótesis también se apoya en el hecho de que el azufre es más accesible para los organismos en comparación con el fósforo. Una vez establecido un metabolismo basado en azufre que permitiera el crecimiento de los primeros organismos, la incorporación de reacciones químicas usando fósforo pudo resultar en una ventaja adaptativa que se fijó rápidamente, lo que explica su amplia distribución que observamos hoy en día.

Sin embargo, en el contexto de un metabolismo basado en azufre e independiente de fósforo, se abren nuevas preguntas. Por ejemplo: en la ausencia de moléculas con fósforo, ¿cómo era posible sintetizar moléculas de ADN o ARN? Y por lo tanto, ¿cómo se almacenaba y transmitía la información genética que a su vez codificaba para las enzimas asociadas a este metabolismo? Sin duda se requirieren esfuerzos adicionales para responder estas y otras preguntas respecto a los primeros organismos vivos. Mientras tanto, Goldford y sus colaboradores nos aportan un vistazo hacia un potencial escenario de cómo eran los organismos respecto a su metabolismo cerca del origen de la vida.

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