Un mecanismo que explica el origen de la homoquiralidad biológica

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Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

La rotura de una molécula llamada 3-bromo-alcanfor cuando se la bombardea con electrones polarizados ha proporcionado indicios de lo que podría ser el origen de la homoquiralidad, esto es, de la preferencia que muestran los organismos vivos terrestres por determinadas imágenes especulares de las moléculas biológicas. De confirmarse este resultado, la razón de que la vida en la Tierra prefiera unas moléculas levógiras y otras dextrógiras podría ser la luz procedente de las estrellas que llegaba a la Tierra recién formada.

Quiralidad de las moléculas de aminoácido.
Quiralidad de las moléculas de aminoácido.

Las moléculas biológicas, como los aminoácidos y los azúcares son, muy frecuentemente, quirales. Esto significa que existen versiones de las moléculas que se llaman enantiómeros, en las que una es el reflejo en el espejo de la otra, como la mano derecha de la mano izquierda, y no se pueden superponer. En la Tierra los aminoácidos y los azúcares existen en muchos casos mayoritariamente como uno de los enantiómeros y en los seres vivos exclusivamente como uno de ellos y no el otro. Este es uno de los grandes misterios de la biología molecular y es clave para comprender el origen químico de de la vida.

Estructura química del ADN, llena de moléculas quirales diestras.
Estructura química del ADN, llena de moléculas quirales diestras.

¿Por qué los aminoácidos de las proteínas son todos enantiómeros con estructura L o, para entendernos, zurda? ¿Y por qué los azúcares y el ADN son D, o sea, diestros? Una primera hipótesis para responder a estas preguntas es que la homoquiralidad llegó a la Tierra en un cometa en forma de moléculas precursoras que fueron las que dieron origen a la vida. Pero esta hipótesis lo único que hace es diferir la pregunta y parece poco probable.

Una segunda hipótesis es la conocida como la Vester-Ulbricht. De la misma forma que hay versiones de las moléculas zurdas y diestras, por así decirlo, también existen versiones zurdas y diestras del estado del espín de los electrones; la Vester-Ulbricht sugiere que la radiación polarizada de los electrones zurdos destruye, por ejemplo, los precursores de ADN zurdos, lo que deja sólo moléculas diestras como elementos para que se desarrolle la vida. Esta hipótesis, popular entre algunos científicos, no tenía sin embargo un apoyo experimental. Hasta ahora, en que J. M. Dreiling y T. J. Gay, de la Universidad de Nebraska (EE.UU.) han probado que la base física de la Vester-Ulbricht puede ocurrir (lo que no significa necesariamente que haya ocurrido). Los resultados se publican en Physical Review Letters.

3-bromo-alcanfor
3-bromo-alcanfor

Los investigadores produjeron radiación beta (haces de electrones) haciendo incidir un láser en un cristal de arseniuro de galio. Producían alternativamente electrones zurdos y diestros que lanzaban a un gas de 3-bromo-alcanfor, una molécula orgánica quiral (realmente una mezcla racémica, con igual cantidad de las dos enantiómeros). Encontraron que los electrones zurdos destruían preferentemente el bromo-alcanfor zurdo y los diestros el diestro, lo que hace que las reacciones sean asimétricas en función de la quiralidad incidente. Eso sí, la asimetría es pequeña pero estadísticamente significativa. La mayor asimetría medida es de 0,0003 o, lo que es equivalente, si lanzamos al aire una moneda 20.000 veces obtenemos 10.003 veces cara y 9.997 cruz. El que se haya podido medir este efecto consistentemente viene a ser buscar una aguja en un pajar y encontrarla.

Si este resultado pudiese reproducirse con moléculas quirales de interés para el origen de la vida (lo que es más difícil experimentalmente) en las condiciones que se consideran relevantes para ese origen, ya sean interestelares o de la Tierra primitiva, podríamos dar un paso de gigante en nuestra comprensión del origen químico de la vida en el planeta.

Referencia:

J. M. Dreiling y T. J. Gay (2014) Chirally Sensitive Electron-Induced Molecular Breakup and the Vester-Ulbricht Hypothesis Phys. Rev. Lett.113, 118103 DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.118103

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

Esta anotación es una participación de Experientia docet en el XL Carnaval de la Química cuyo blog anfitrión es Ciencia explicada

Nota editorial: Este texto ha sido modificado para incorporar aportaciones del Dr. Bernardo Herradón y del Dr. Héctor Busto. El autor agradece sus comentarios.

5 comentarios

  • Avatar de César

    Cuidado, este mecanismo no explica en absoluto el origen de la homoquiralidad biológica, uno de los problemas no resueltos de la Ciencia. Es cierto que la corriente principal de investigación se centra en mecanismos físicos que generen excesos enantioméricos en moléculas prebióticas. (luz polarizada, ahora electrones asimétricos, y hay varios mas). Sin embargo, hay procesos mucho mas lógicos desde un punto de vista bioquímico que esperan su confirmación experimental, como la aplicación del principio que subyace tras la reacción de Soai: un sistema autocatalítico como amplificador quiral. Algunos pensamos que el origen de la homoquiralidad biológica se encuentra en el momento mismo del origen de la vida, no en exóticos fenómenos físicos previos. Yo mismo trabajaba en ello, hasta que la administración española decidió que mis investigaciones no tenían cabida y no eran suficientemente “excelentes” como para mantener mi laboratorio…

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