por NicolĆ”s M. Morato – Candidato a PhD en QuĆ­mica, Purdue University

Es una paradoja: la vida necesita agua para sobrevivir, pero un mundo lleno de agua no puede generar las biomoléculas que habrían sido esenciales para la vida temprana. O eso pensaron los investigadores.

El agua estĆ” en todas partes. La mayor parte del cuerpo humano estĆ” hecho de Ć©l, gran parte del planeta Tierra estĆ” cubierto por Ć©l y los humanos no pueden sobrevivir mĆ”s de un par de dĆ­as sin beberlo . Las molĆ©culas de agua tienen caracterĆ­sticas Ćŗnicas que les permiten disolver y transportar compuestos a travĆ©s de su cuerpo, proporcionar estructura a sus cĆ©lulas y regular su temperatura. De hecho, las reacciones quĆ­micas bĆ”sicas que permiten la vida tal como la conocemos requieren agua, siendo la fotosĆ­ntesis un ejemplo.

Sin embargo, cuando las primeras biomolƩculas como las proteƭnas y el ADN comenzaron a unirse en las primeras etapas del planeta Tierra, el agua era en realidad una barrera para la vida.

La razón es sorprendentemente simple: la presencia de agua evita que los compuestos quĆ­micos pierdan agua. Tomemos, por ejemplo, las proteĆ­nas, que son una de las principales clases de molĆ©culas biológicas que componen su cuerpo. Las proteĆ­nas son, en esencia, cadenas de aminoĆ”cidos unidos entre sĆ­ por enlaces quĆ­micos. Estos enlaces se forman a travĆ©s de una reacción de condensación que resulta en la pĆ©rdida de una molĆ©cula de agua. Esencialmente, los aminoĆ”cidos necesitan “secarse” para formar una proteĆ­na.

Diagrama de la reacción de condensación que une dos aminoÔcidos con un enlace peptídico
Las reacciones de condensación unen aminoĆ”cidos al perder una molĆ©cula de agua. OpenStax/Wikimedia Commons , CC BY

Teniendo en cuenta que la Tierra antes de la vida estaba cubierta de agua , este era un gran problema para hacer las proteĆ­nas esenciales para la vida. Como tratar de secarse dentro de una piscina, dos aminoĆ”cidos habrĆ­an tenido dificultades para perder agua y unirse en la sopa primordial de la Tierra primitiva. Y no fueron solo las proteĆ­nas las que enfrentaron este problema en presencia de agua: otras biomolĆ©culas esenciales para la vida, incluido el ADN y los azĆŗcares complejos, tambiĆ©n dependen de las reacciones de condensación y la pĆ©rdida de agua para formarse.

A lo largo de los aƱos, los investigadores han propuesto muchas soluciones a esta ā€œparadoja del aguaā€. La mayorĆ­a de ellos se basan en escenarios muy especĆ­ficos en la Tierra primitiva que podrĆ­an haber permitido la eliminación del agua. Estos incluyen charcos de secado , superficies minerales , fuentes termales y fuentes hidrotermales , entre otros. Estas soluciones, aunque plausibles, requieren condiciones geológicas y quĆ­micas particulares que podrĆ­an no haber sido comunes.

En nuestro estudio reciente , mis colegas  y yo encontramos una solución mĆ”s simple y general a la paradoja del agua. Irónicamente, podrĆ­a ser el agua misma, o para ser mĆ”s precisos, gotas de agua muy pequeƱas, lo que permitió que se formaran las primeras biomolĆ©culas.

¿Por qué microgotas?

Las gotas de agua estĆ”n en todas partes, tanto en el mundo moderno como especialmente durante la Tierra prebiótica (o anterior a la vida). En un planeta cubierto por olas rompientes y mareas embravecidas, las pequeƱas gotas de agua en el rocĆ­o del mar y otros aerosoles probablemente habrĆ­an proporcionado un lugar simple y abundante para que se ensamblaran las primeras biomolĆ©culas .

Las microgotas de agua, generalmente gotas muy pequeƱas con diĆ”metros de alrededor de una millonĆ©sima de metro , mucho mĆ”s pequeƱas que el diĆ”metro de la seda de araƱa , podrĆ­an no resolver la paradoja del agua al principio, hasta que considere los entornos quĆ­micos muy particulares que crean.

Las microgotas tienen una relación sustancial de Ôrea de superficie a volumen que se hace mÔs grande cuanto mÔs pequeña es la gota . Esto significa que hay un espacio significativo donde se encuentran el solvente del que estÔn hechos (en este caso, agua) y el medio que los rodea (en este caso, aire).Las propiedades químicas del agua son las que la hacen tan importante para la vida.

Importance of water for life | Chemistry of life | AP Biology | Khan Academy

A lo largo de los aƱos, los investigadores han demostrado que la interfaz aire-agua es un entorno quĆ­mico Ćŗnico. La quĆ­mica de estas interfaces de microgotas estĆ” dominada por grandes campos elĆ©ctricos , solvatación parcial donde las molĆ©culas estĆ”n parcialmente rodeadas de agua, molĆ©culas altamente reactivas y acidez muy alta . Todos estos factores permiten que las microgotas aceleren las reacciones quĆ­micas que ocurren en ellas.

Nuestro laboratorio ha estado estudiando las microgotas durante una dĆ©cada , y nuestro trabajo anterior ha demostrado cómo la velocidad de las reacciones quĆ­micas comunes se puede acelerar hasta un millón de veces mĆ”s rĆ”pido en las microgotas. Las reacciones que habrĆ­an tomado un dĆ­a completo ahora podrĆ­an completarse en solo una fracción de segundo usando estas pequeƱas gotas.

En nuestro trabajo reciente , propusimos que las microgotas podrĆ­an ser una solución a la paradoja del agua porque su interfaz aire-agua no solo acelera las reacciones sino que tambiĆ©n actĆŗa como una “superficie de secado” que facilita las reacciones necesarias para crear biomolĆ©culas a pesar de la presencia de agua.

Probamos esta teorĆ­a rociando aminoĆ”cidos disueltos en microgotas de agua hacia un espectrómetro de masas , un instrumento que puede usarse para analizar los productos de una reacción quĆ­mica. Descubrimos que dos aminoĆ”cidos pueden unirse con Ć©xito en presencia de agua a travĆ©s de microgotas. Cuando agregamos mĆ”s aminoĆ”cidos y chocamos dos aerosoles de esta mezcla, imitando las olas rompientes en el mundo prebiótico, descubrimos que esto puede formar cadenas peptĆ­dicas cortas de hasta seis aminoĆ”cidos.

Nuestros hallazgos sugieren que las microgotas de agua en entornos como el rocĆ­o marino o los aerosoles atmosfĆ©ricos fueron microrreactores fundamentales en la Tierra primitiva. En otras palabras, las microgotas pueden haber proporcionado un medio quĆ­mico que permitió que se formaran las molĆ©culas bĆ”sicas de la vida a partir de los compuestos simples y pequeƱos disueltos en el vasto ocĆ©ano primordial que cubrĆ­a el planeta.

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Las microgotas de agua pueden haber proporcionado el entorno quĆ­mico necesario para la vida. Marianna Armata/Momento vĆ­a Getty Images

Microgotas pasado y futuro

La quĆ­mica de las microgotas podrĆ­a ser Ćŗtil para abordar los desafĆ­os actuales en muchos campos cientĆ­ficos.

El descubrimiento de fĆ”rmacos, por ejemplo, requiere sintetizar y probar cientos de miles de compuestos para encontrar un nuevo fĆ”rmaco potencial. El poder de las reacciones de microgotas se puede integrar con la automatización y las nuevas herramientas para acelerar las tasas de sĆ­ntesis a mĆ”s de una reacción por segundo , asĆ­ como el anĆ”lisis biológico a menos de un segundo por muestra.

De esta manera, el mismo fenómeno que podría haber ayudado al origen de los componentes bÔsicos de la vida hace miles de millones de años ahora puede ayudar a los científicos a desarrollar nuevos medicamentos y materiales de manera mÔs rÔpida y eficiente.

Tal vez JRR Tolkien tenĆ­a razón cuando escribió: ā€œTal suele ser el curso de las acciones que mueven las ruedas del mundo: las manos pequeƱas las hacen porque deben hacerlo, mientras que los ojos de los grandes estĆ”n en otra parteā€.

Creo que la importancia de estas pequeƱas gotas es mucho mayor que su pequeƱo tamaƱo.

Fuente: https://theconversation.com/water-was-both-essential-and-a-barrier-to-early-life-on-earth-microdroplets-are-one-potential-solution-to-this-paradox-192710

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