Síntesis de péptidos en agua a partir de precursores de los aminoácidos

«Uno de los temas de investigación relevantes en el origen de la vida tiene que ver con la síntesis química de los primeros péptidos producidos en condiciones abióticas a partir de aminoácidos, es decir, antes de que aparecieran los ribosomas primitivos que comenzaron a catalizar la biosíntesis de péptidos y proteínas a partir del mensaje genético contenido en el ARN. En laboratorio, bajo condiciones prebióticas, se han sintetizado péptidos a partir de algunos aminoácidos; sin embargo, esto no se ha logrado para todos ellos«. Se publica en Nature la síntesis de péptidos a partir de todos los aminonitrilos que son precursores de los veinte aminoácidos. Se ha logrado usando moléculas que pudieron existir en un ambiente similar a la Tierra primitiva, como agua (H2O), ácido sulfhídrico (H2S) y ferricianuro ( [Fe(CN)6]3−), entre otras. Un paso hacia adelante en nuestra comprensión del mundo prebiótico sin ribosomas en el que convivían péptidos y moléculas de ARN. Pero además podría tener aplicaciones en la síntesis industrial de péptidos. 

En la prensa hemos podido leer algunas noticias poco agraciadas. Cosas como que «la ciencia se acerca a la creación de la vida en un laboratorio» y al «surgimiento de los seres vivos sin recurrir a fuerzas sobrenaturales» (no me agradan las palabras como «creación» y «sobrenatural»). La síntesis de péptidos en agua usando aminonitrilos ricos en energía es un hito relevante. Pero estamos tan lejos de explicar cómo surgieron los primeros sistemas prebióticos tras la publicación del nuevo trabajo como antes de ella. Queda mucha investigación en curso para poder evaluar la relevancia del nuevo hallazgo en el origen de la vida. La reproducción del origen de la vida en un laboratorio bajo condiciones abióticas sigue siendo una utopía.

El artículo es Pierre Canavelli, Saidul Islam, Matthew W. Powner, «Peptide ligation by chemoselective aminonitrile coupling in water,» Nature (10 Jul 2019), doi: 10.1038/s41586-019-1371-4 [ePDF]; la información suplementaria (PDF, 237 páginas) detalla la síntesis de enlaces entre los 20 aminonitrilos precursores de los sendos aminoácidos. Recomiendo leer el resumen de uno de los autores, Matthew Powner, «Peptide synthesis at the origins of life: energy-rich aminonitriles by-pass deactivated amino acids completely,» Chemistry Community, 10 Jul 2019. Los extractos de prensa que cito son de Manuel Ansede, «La ciencia se acerca a la creación de la vida en un laboratorio. Tres científicos dan un paso esencial para certificar que es posible explicar el surgimiento de los seres vivos sin recurrir a fuerzas sobrenaturales», Materia, El País, 11 Jul 2019, pero son similares a los publicados en otros medios.

[PS 16 jul 2019] He cambiado el contenido de esta entrada gracias a los consejos de Carlos Briones, @brionesci, experto en química prebiótica, que me ha hecho el favor de actuar como editor. Me ha sugerido una serie de cambios (que aparecen «entre comillas en negrita« en la nueva versión). Gracias, Carlos. [/PS]

Los aminoácidos son moléculas orgánicas con un grupo amino (–NH2), un grupo carboxilo (–COOH) y un residuo (R) específico de cada uno. «Los péptidos son proteínas pequeñas, típicamente de menos de 20 aminoácidos«. La síntesis de los péptidos procede vía reacciones de polimerización que enlazan los aminoácidos entre sí. La síntesis química de un péptido en agua a pH neutro (parte izquierda de la figura en rojo), dado que un aminoácido es ácido, requiere usar un grupo protector (PG), lo que implica que el enlace químico debe ocurrir en la dirección del nitrógeno al carbono (N→C). Sin embargo, la síntesis biológica de un péptido en el ribosoma, que actúa como catalizador y como protector, ocurre en la dirección opuesta (parte derecha de la figura en azul) del carbono al nitrógeno (C→N). ¿Se puede lograr la síntesis química en la dirección C→N biológica en lugar de la N→C habitual? La única opción parece ser usar productos que no sean ácidos.

La idea de Powner y sus colegas ha sido usar aminonitrilos, los precursores de los aminoácidos. Los aminoácidos tienden a disociarse en agua neutra, con pKaH = 9.4, mientras los aminonitrilos, con pKaH = 5.3, aguantan muy bien; así se evita la necesidad de un grupo protector a pH fisiológico. Además, el enlace triple en los aminonitrilos ofrece energía de sobra para el enlace que requiere la polimerización de péptidos en agua. En el contexto del origen de la vida, la síntesis de péptidos en agua se enmarca en la «hipótesis del mundo tioéster». Powner y sus colegas proponen cambiar el enfoque original basado en aminoácidos y tióesteres por un nuevo enfoque basado en aminonitrilos y tioácidos (lo que podríamos llamar la «hipótesis del mundo tioácido»).

Este diagrama muestra el ciclo de formación del péptido por adición de aminonitrilos (AA-CN) vía una oxidación; le sigue una tiólisis y una hidrólisis, tras la cual se puede añadir un nuevo aminonitrilo. La repetición de este proceso cíclico produce la formación del polímero. La gran ventaja de esta síntesis de péptidos es que permite usar aminonitrilos con los 20 residuos (R) que caracterizan a todos los aminoácidos de nuestras proteínas. Y todo ello en un ambiente acuoso con pH fisiológico. Como las sustancias requeridas podrían formar parte del entorno prebiótico donde surgió la vida, esta nueva síntesis se considera un paso relevante para desvelar el origen de la vida. Pero quedan muchos misterios aún por resolver.

«En resumen, con esta propuesta (que podemos llamar «hipótesis del mundo tioácido») se ha dado un gran paso para entender la síntesis prebiótica de péptidos en medios acuosos, que (según la aproximación actual de la química de sistemas prebiótica) pudieron colaborar con el ARN que protagonizaba el «mundo de ARN» en la formación de sistemas que comenzaran a combinar metabolismo, replicación y un compartimento. A partir de ahí debió aumentar la robustez del sistema, a través de muchas otras etapas evolutivas que no se tratan en el artículo reseñado, incluyendo el origen del código genético y los ribosomas, el ADN y las primeras células modernas. El origen de la vida es un campo apasionante que nos ofrecerá muchas sorpresas en los próximos años«.



3 Comentarios

  1. Muchas gracias por tan interesantes noticias Francis.

    Ofrezco una disculpa por el siguiente comentario tan fuera de contexto:

    Hace poco leía sobre el concepto de recursión en el cálculo lambda y descubrí que en las exposiciones divulgativas se habla de que esto puede arrojar luz en cuestiones del tipo «el huevo y la gallina» o «péptido o el ARN». En el minuto 11:36 del siguiente video se hace un comentario muy intrigante sobre una posible relación entre el combinador Y en el cálculo lambda y el por qué de la estructura de doble hélice en el ADN https://www.youtube.com/watch?v=eis11j_iGMs A mi me gusto (aunque no podría valorar que tan ingenuo es el comentario).

  2. Hace tiempo que esperaba que alguien tratara este tema tan complejo y veo que van por el camino correcto , o al menos así parece .
    Lo interesante sería saber cuando hace su magistral entrada la selección natural , porque desde el momento en que lo hace ya nunca más nada volverá a ser lo mismo . gracias

  3. En el entorno natural de alrededor de 3800 millones de años atrás donde solo había agua , rocas , lava luz etc de donde podían salir o encontrarse en un mismo lugar tantos aminoácidos ? en la superficie expuesta en esos tiempos a una fuerte e ionizante radiación que pasaba sin filtro ya que no existía oxígeno atmosférico que diera lugar a la formación de ozono … cuesta imaginar tal conjunción de factores que propiciaran el comienzo de algo parecido a la vida .

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 15 julio, 2019
Categoría(s): ✓ Biología • Bioquímica • Ciencia • Nature • Noticias • Química • Science
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