Archivo - Microscopio - JCCM - Archivo
MADRID, 6 Ene. (EUROPA PRESS) -
Expertos internacionales, dirigidos por la Universidad de Tokio (Japón), proponen una manera de calcular los "costos de vida" desde una perspectiva termodinámica y así ofrecer una nueva herramienta para comprender la selección y evolución de las vías metabólicas en la raíz de la vida. Las conclusiones se recogen en un nuevo artículo publicado en 'Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment' (JSTAT).
Cabe señalar que existen "costos de vida" que la física mecánica no puede calcular. Un claro ejemplo es la energía necesaria para mantener activos procesos bioquímicos específicos -como los que componen la fotosíntesis, aunque los ejemplos son innumerables-, a la vez que se impide que se produzcan procesos alternativos. En mecánica, la ausencia de desplazamiento implica trabajo cero y, en pocas palabras, no hay ningún coste energético por impedir que ocurran cosas. Sin embargo, cálculos termodinámicos estocásticos minuciosos demuestran que estos costes existen, y a menudo son bastante significativos.
Cuando, en un océano antiguo, un puñado de moléculas orgánicas formó un límite externo -la primera membrana celular-, apareció por primera vez una clara distinción entre el interior y el exterior. A partir de ese momento, ese sistema primigenio tuvo que invertir energía para mantener esta compartimentación y seleccionar, entre las numerosas reacciones químicas posibles, solo unas pocas vías metabólicas capaces de explotar sustancias valiosas extraídas del exterior y transformarlas en nuevos productos. La vida nació junto con este esfuerzo de compartimentación y elección.
Los procesos metabólicos tienen un coste energético directo, pero también requieren un coste adicional para seguir dirigiendo los flujos químicos hacia una vía preferida en lugar de permitir que se dispersen en todas las alternativas físicamente posibles. Sin embargo, desde la perspectiva de la mecánica clásica, la compartimentación y la selección de reacciones -las restricciones impuestas en los límites de un sistema- no deberían tener coste alguno, ya que se consideran condiciones externas fijas que no contribuyen a la producción de entropía.
Praful Gagrani, investigador de la Universidad de Tokio (Japón) y primer autor del nuevo estudio, junto con Nino Lauber (Universidad de Viena, Austria), Eric Smith (Instituto de Tecnología de Georgia e Instituto de Ciencias de la Tierra y la Vida, Estados Unidos) y otros desarrollaron un método para calcular estos costos ignorados y clasificar las vías de desarrollo. Así, los investigadores pudieron evaluar su eficiencia biológica, una información valiosa para los estudios evolutivos que exploran cómo surgió la vida en nuestro planeta.
"Lo que inspiró el nuevo trabajo es que Eric Smith, uno de los coautores, utilizó M*D, un software desarrollado por Flamm y colaboradores, para enumerar todas las vías posibles que pueden 'construir' moléculas orgánicas a partir de CO2".
Gagrani se refiere en este sentido a uno de los estudios anteriores de Smith. sobre el ciclo de Calvin, un ciclo de reacciones químicas en la fotosíntesis que convierte el dióxido de carbono en glucosa. "Eric usó el algoritmo para enumerar todas las vías que pueden realizar la misma conversión que el ciclo de Calvin, y luego usó lo que ahora llamamos el costo de mantenimiento en nuestro artículo para clasificarlas". De esta manera, los investigadores demostraron que el ciclo que utiliza la naturaleza se encuentra entre las vías menos disipativas, es decir, las de menor coste energético.
Siendo así, e inspirados por el trabajo de Smith, Gagrani y sus colaboradores idearon un método general para estimar sistemáticamente los costos termodinámicos de los procesos metabólicos. En su marco, la célula se imagina como un sistema atravesado por un flujo constante, donde, por ejemplo, una molécula (un nutriente) entra y otra (un producto o desecho) sale. Dada la química subyacente, se pueden generar todas las vías químicamente posibles que convierten la entrada en salida. Cada vía tiene su propio "costo termodinámico". En lugar de calcular la energía en el sentido clásico, el método estima la improbabilidad de que, en un mundo impulsado únicamente por la química espontánea, la red (el conjunto de moléculas y reacciones que convierten la entrada en salida) se comporte exactamente de esa manera.
Esta improbabilidad tiene dos componentes. El primero es el coste de mantenimiento, que se refiere a la improbabilidad de mantener un flujo constante a través de una determinada vía. El segundo es el coste de restricción, que mide la improbabilidad de bloquear todas las reacciones alternativas en la red mientras se mantiene activa únicamente la vía de interés. La improbabilidad calculada representa el costo de ese proceso, que luego puede usarse para clasificar las vías metabólicas según lo "costoso" que sea para la célula mantener una vía activa y silenciar las demás.
"Vimos cosas inesperadas, pero que cobran sentido al analizarlas", explica Gagrani. "Por ejemplo, que usar varias vías a la vez es menos costoso que usar solo una. Imaginemos una analogía: imaginemos a cuatro personas que necesitan ir de A a B a través de túneles estrechos. Si cada persona tiene su propio túnel (cuatro túneles), llegan más rápido que si solo hay tres o menos, porque dos o más personas se obstruirían mutuamente en el mismo pasaje estrecho".
En la naturaleza, sin embargo, solemos ver que un proceso se favorece sobre muchos. Esto se explica porque en los sistemas biológicos suele intervenir la catálisis (la acción de moléculas facilitadoras, enzimas), que aceleran las reacciones y las hacen menos costosas, logrando el mismo efecto que tener múltiples vías en paralelo. Esta decisión evolutiva se debe a que mantener muchas vías puede tener otros inconvenientes, como la producción de muchas moléculas potencialmente tóxicas.
Según concluye Gagrani, este nuevo método "es una herramienta útil para estudiar el origen y la evolución de la vida, ya que nos permite evaluar los costos de elegir y mantener procesos metabólicos específicos. Nos ayuda a comprender cómo surgen ciertas vías, pero explicar por qué se seleccionaron esas en particular requiere un esfuerzo verdaderamente multidisciplinario".