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Complejidad emergente en un sistema de pequeñas moléculas orgánicas

Observan comportamientos dinámicos y complejos en una red de reacciones con importancia biológica entre pequeños compuestos orgánicos autocatalíticos.

Patrones emergentes: Se ha diseñado una red de reacciones entre moléculas orgánicas pequeñas que presenta comportamientos emergentes de gran importancia para la biología. El sistema se basa en un proceso autocatalítico en el que una molécula de tiol cataliza su propia formación. Si se suministra un flujo constante de «combustible», se produce un rápido aumento de la concentración de tiol (a). Pero si se añaden cierto tipo de reacciones, la red muestra otros comportamientos. Cuando se introduce una reacción que destruye el tiol, el sistema actúa como un interruptor biestable (b). Si el ritmo de entrada de flujo se mantiene dentro de un intervalo determinado (zona sombreada), se observan dos estados estables: uno con la concentración de tiol elevada y otro con la concentración baja. El sistema alterna entre estos estados (la alternancia se indica mediante las flechas) a los ritmos de entrada correspondientes a cada uno de los extremos de la región sombreada. Si en lugar de la reacción que destruye el tiol se añade otra que inhibe su formación, la concentración del mismo se torna oscilante (c). [© NATURE]

Una de las principales características de la vida es su capacidad de autorreplicación a todos los niveles, desde moléculas individuales hasta organismos enteros. Los primeros replicantes moleculares prebióticos probablemente eran similares al ARN, pero puede que otros autorreplicantes no genéticos desempeñaran también un papel en la aparición de la vida. En un artículo publicado en la revista Nature en septiembre de 2016, Sergey. N. Semenov, de la Universidad Harvard, y sus colaboradores han descrito la autorreplicación de una molécula orgánica pequeña en un proceso autocatalítico, una reacción que produce sus propios catalizadores. En este trabajo, los autores muestran un sistema con capacidad de presentar respuestas complejas, no lineales, a los cambios en las condiciones del entorno. Se trata del primer ejemplo experimental de autocatálisis y comportamiento complejo en una red de reacciones que contiene únicamente compuestos orgánicos simples con importancia biológica.


Antecedentes

Ya en el año 1910 aparecieron modelos de sistemas biológicos relacionados con la autocatálisis. Se propusieron para explicar las oscilaciones en la dinámica poblacional, el origen de la homoquiralidad (la lateralidad en exclusiva de ciertas moléculas biológicas, como los aminoácidos) y la morfogénesis en sistemas celulares. En 1953, el físico Charles Frank afirmó que «una demostración en el laboratorio podría ser posible». Sin embargo, resultó difícil encontrar reacciones químicas que fueran autocalíticas y pudieran reemplazar los procesos artificiales (y en ocasiones imposibles) sugeridos en dichos modelos biológicos.

En los años cincuenta del siglo XX la investigación dio un paso de gigante cuando el químico Boris Belousov descubrió oscilaciones en un sistema químico mientras intentaba crear un análogo inorgánico del ciclo de Krebs, una cascada de reacciones metabólicas fundamental en biología. Desde entonces, se han construido numerosas redes de reacción autocatalíticas utilizando moléculas inorgánicas pequeñas. También se han descrito ejemplos de autocatálisis relacionados con replicantes orgánicos de gran tamaño como enzimas, péptidos e incluso ADN. El trabajo de Semenov y sus colaboradores aporta un eslabón perdido entre los sistemas macromoleculares y los sistemas inorgánicos de molécula pequeña.

La autocatálisis como punto de partida
Las reflexiones acerca del papel desempeñado por la autocatálisis en el origen de la vida suelen centrarse en la formación de polímeros autorreplicantes portadores de información, generados a partir de los «bloques de construcción» fundamentales existentes en la Tierra prebiótica. Sin embargo, el artículo de Semenov y sus colaboradores no se centra en la formación de dichas moléculas complejas, sino en la aparición de comportamientos complejos en reacciones de importancia biológica.

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