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En busca del secreto sobre el origen de la vida en la Tierra

Cómo se originó la vida la Tierra es una pregunta típica que se han formulado todas las civilizaciones y que se ha respondido con dosis de religión, ciencias naturales y, más recientemente, con estudios de laboratorio que buscan pruebas de cómo se unieron e interactuaron las unidades moleculares y estructurales para formar la vida tal como la conocemos hoy.

En este abanico de posibilidades está la simetría quiral, ¡término complejo, ¿verdad?!

Para empezar a entenderlo haga este ejercicio: ponga su mano derecha sobre su mano izquierda. ¿Qué ve? Quizá, que aunque sus manos parecen idénticas de manera individual, al superponerlas no coinciden, pues en un lado el dedo meñique queda sobre el pulgar, y en el otro el pulgar queda sobre el meñique.

Pues bien, esto es lo que se conoce como simetría quiral, teoría que explica cómo dos cuerpos que parecen “gemelos”, al superponerse reflejan formas diferentes. Ahora, ¿qué tiene que ver esta teoría con la formación de vida en la Tierra? ¡Pasemos a la química!

Las células, los tejidos y los demás componentes de la base biológica de nuestro cuerpo humano, y de otros seres vivos, tienen moléculas orgánicas como carbohidratos, lípidos y proteínas, entre otras, que se caracterizan por ser quirales, es decir que cuando interactúan con luz polarizada (como la del láser, que está organizada en una sola dirección), sus compuestos (enantiómeros) se alinean a la derecha (D) o a la izquierda (L). Así, su estructura parece ser el reflejo de otra molécula “idéntica”, pero en realidad no lo es, pues no hay coincidencia geométrica.

La hipótesis del profesor Rubén Danilo Bourdon García, doctor en Ciencias - Química de la Universidad Nacional de Colombia (UN), es que el rompimiento de la simetría quiral en moléculas orgánicas como los aminoácidos (vitales para transportar agua, grasa y vitaminas, entre otros nutrientes) fue clave para que se originara la vida en el planeta.

Los amoniácidos tienen dos tipos de enantiómeros (L y D, mencionados arriba), que son una pareja de compuestos en la que uno es imagen especular del otro, pero que al superponerse se ven diferentes ¡recuerde el ejemplo de las manos!

El misterio del rompimiento

A pesar de que los enantiómeros tienen las mismas propiedades físicas, al interaccionar con la luz polarizada lo hacen de manera diferente: los aminoácidos L son una molécula orgánica que en ciertas condiciones experimentales rota la luz polarizada hacia la izquierda, mientras los aminoácidos D lo hacen hacia la derecha.

El químico Bourdon, uno de los pocos investigadores que trabaja en el país con el propósito de descifrar el origen fisicoquímico de la vida, explica que “las proteínas de los seres vivos, que están compuestas de cadenas de aminoácidos, tienen una sola quiralidad, la L, por lo que tienen regularidad estructural y funcionalidad biológica”.

Entonces el gran misterio es: cuando se preparan estas sustancias orgánicas en el laboratorio, en condiciones prebióticas simuladas (las mismas que existieron antes del surgimiento de la vida), ¿se obtienen mezclas de enantiómeros L y D en proporciones iguales? Si es así, en algún momento de la historia de la Tierra se dieron condiciones para que solo aparecieran los aminoácidos L, precursores de la vida.

¿Cómo y cuándo se rompe esta simetría quiral y se dan condiciones para que se presente una mayor producción de un enantiómero que del otro? ¿Qué fue lo que hizo que comenzaran a seleccionarse solo los aminoácidos L? ¿Cómo fue que, una vez seleccionados, como si fueran fichas de Lego, se unieron para formar las estructuras regulares ensambladas que hoy constituyen a los seres vivos? ¿En qué momento se pasó de la simetría quiral a la homoquiralidad? La tesis doctoral del doctor Boudon busca aportar elementos para resolver esas dudas.

Calculando una respuesta

El experto estudió cómo dos factores en las moléculas quirales pueden permitir el análisis del rompimiento de la simetría quiral en aminoácidos como la alanina, componente de las proteínas de los seres vivos. Uno de los factores son las fluctuaciones estocásticas, es decir el empleo de fórmulas con magnitudes aleatorias que varían con el tiempo; el otro factor son las interacciones electrodébiles núcleo-electrón.

Por primera vez relacionó ambos factores con modelos que ya se habían propuesto para explicar el rompimiento de la simetría quiral. Para ello usó el método de red estequiométrica, que calcula las relaciones cuantitativas entre reactivos y productos en el transcurso de una reacción química. De esta manera encontró que durante la síntesis de la alanina existe una pequeña diferencia entre las cantidades producidas de enantiómeros L y D, la cual, en masa o concentración, es la fluctuación estocástica que tuvo en cuenta.

Otro aspecto que consideró es que las interacciones electrodébiles núcleo-electrón en moléculas quirales están relacionadas con la interacción nuclear débil, también conocida como fuerza débil, que es la responsable de fenómenos naturales como la desintegración radiactiva.

Las otras tres interacciones (que vulgarmente se denominan “fuerzas”) son la gravitacional, la electromagnética y la nuclear, que no afectan los experimentos químicos de formación de sustancias quirales porque no diferencian izquierda de derecha, es decir que presentan isotropía espacial e interactúan de la misma manera con L y con D.

“La fuerza nuclear débil sí discrimina izquierda de derecha (es anisotrópica), lo que está probado en átomos y en partículas subatómicas, pero no a nivel molecular como en los aminoácidos”, asegura el investigador, quien aclara que se han calculado límites o cotas para ese valor de interacción diferenciada entre el núcleo y los electrones en moléculas quirales, pero son valores muy pequeños.

Los resultados de los cálculos

Según el doctor Bourdon cuando se hacen las simulaciones de la dinámica de producción de enantiómeros de alanina se debe incluir esa interacción electrodébil. Sin embargo normalmente esto no se hace porque resulta difícil decidir dónde agregar ese término tan pequeño en las ecuaciones diferenciales, de modo que se mantenga a lo largo de los cálculos y pueda dar señales de su efecto en las velocidades de reacción, si es que lo tiene.

El experto incluyó en sus modelos interacciones electrodébiles núcleo-electrón, con lo que obtuvo muestras significativas relacionadas con la generación de homoquiralidad.

Para el profesor Jesús Alberto Ágreda Bastidas, del Departamento de Química de la UN y director de la tesis, el análisis de red estequiométrica permite ver detalles de la obtención de simetría quiral que en un principio no eran evidentes. “Alanina L y alanina D tienen el mismo valor de interacción electromagnética en ellas (intramolecular), pero cuando uno introduce el término electrodébil, que es una interacción núcleo-electrón (intramolecular), resulta que el enantiómero L tiene ligeramente menos energía que el D”.

Al incluir esta información en los modelos propuestos por el doctor Bourdon se logró romper la simetría quiral en dos de los seis casos establecidos. Uno ocurrió cuando dicha red fue influenciada por procesos estocásticos y el otro se produjo cuando la diferencia energética se introdujo por interacción electrodébil núcleo-electrón.

“Introduciendo las fluctuaciones estocásticas en los enantiómeros L o D llegamos a las condiciones en las que se obtuvo homoquiralidad, o 100 % de pureza para un enantiómero, fuera el L o el D, pero cuando se incluye la diferencia de energía por interacción electrodébil núcleo-electrón se obtiene un rompimiento de la simetría quiral del 17 % para el enantiómero L de alanina, en las condiciones de simulación”, explica el doctor Bourdon.

En términos de las características del universo, esto significaría que los aminoácidos L son más estables que los D y que, por tanto, existe una posible fuente de rompimiento de la simetría quiral y de generación de homoquiralidad.

Pendientes de corroboración experimental

Estos resultados no quieren decir que la diferencia energética entre las moléculas quirales por interacción electrodébil sea la causa principal para el rompimiento de la simetría quiral. Esto es algo que todavía no se puede afirmar categóricamente, en la medida en que no está corroborado de forma experimental.

“Infortunadamente en el país no hay laboratorios que puedan simular estas condiciones, como los de España”, afirma el investigador. Por eso los pasos a seguir con este trabajo son afinar los parámetros para acercarse más al sistema real y encontrar el apoyo para llevar a cabo la corroboración experimental.

De hecho durante su doctorado el doctor Bourbon realizó una estancia de investigación en la Universidad de Barcelona con los docentes Joaquim Crusats, Zoubir El-Hachemi, David Hochberg Newman y Josep María Ribó. Este último experto fue uno de los autores de un artículo científico publicado en 2001 en la revista Science, el cual se refería a una demostración acerca de que la aplicación constante de una fuerza como la ejercida por la rotación de la Tierra habría contribuido a seleccionar una determinada orientación de las moléculas en favor de la homoquiralidad.

Los investigadores Bourdon y Ribó, entre otros, continuarán trabajando para resolver parte de los misterios que esconde la homoquiralidad de aminoácidos y carbohidratos para comprender un poco más el origen de la vida en la Tierra, e incluso quizá para ir siguiendo algunas pistas que permitan encontrar vida en otros planetas.

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