¿Cómo surge la vida de la materia inerte? Una nueva teoría intenta aclarar el misterio

Lee Cronin, University of Glasgow

La física moderna puede explicarlo todo, desde el spin de la partícula más diminuta hasta el comportamiento de cúmulos enteros de galaxias. Pero no puede explicar la vida. No existe ninguna fórmula que establezca la diferencia entre un trozo de materia viva y otro inerte. La vida parece “surgir” misteriosamente de componentes no vivos, como las partículas elementales.

La teoría del ensamblaje, cuyas líneas básicas han sido publicadas recientemente en Nature, es un audaz enfoque para explicar la vida a la escala más fundamental. Parte de dos conceptos clave: la complejidad y la información (como la que contiene ADN). La nueva teoría permite entender cómo surgen ambos en los sistemas químicos.

“Emergencia” es una palabra que los físicos utilizan para explicar algo que es más grande que la suma de sus partes. Por ejemplo, cómo el agua puede percibirse húmeda cuando las moléculas individuales de agua no los son. La humedad, entonces, es una propiedad emergente.

Aunque es una teoría elegante desde el punto de vista matemático, sólo puede ser fiable si se pone a prueba en el laboratorio. Para que las abstracciones de la hipótesis del ensamblaje se basen en la realidad química, es esencial realizar experimentos cuidadosamente diseñados, como el que estamos llevando a cabo mis colegas y yo.

En el núcleo de la teoría del ensamblaje está la idea de que los objetos pueden definirse no como entidades inmutables, sino a través de la historia de cómo se formaron. Esto nos lleva a los procesos mediante los cuales se construyen configuraciones complejas a partir de bloques de construcción más simples.

La teoría propone un “índice de ensamblaje” que cuantifica los pasos mínimos, o el camino más corto, necesarios para construir un objeto. Esta medida mide el grado de “selección” indispensable para producir un conjunto de objetos, en referencia a la memoria –como el ADN– necesaria para crear seres vivos.

Al fin y al cabo, los seres vivos no surgen espontáneamente, como el helio en las estrellas. Requieren el ADN como modelo para crear nuevas versiones.

Quince pasos para crear una molécula de vida

Pero ¿cómo podrían comprobarse experimentalmente estas construcciones teóricas? Un aspecto clave de la nueva teoría ya se ha probado en nuestro laboratorio. Se trata de la determinación del índice de ensamblaje mediante espectrometría de masas, una herramienta analítica que permite medir la relación entre la masa y la carga de las moléculas.

Fragmentando moléculas y analizando sus espectros de masas podemos estimar su índice de ensamblaje. O sea, podemos ver literalmente cuántos pasos necesitan los distintos fragmentos para unirse y formar una molécula determinada. Dicho índice también puede medirse con otras técnicas, como la espectroscopía infrarroja y la espectroscopía de resonancia magnética nuclear.

En nuestra investigación hemos podido determinar el índice de ensamblaje para una serie de moléculas, en el laboratorio y mediante simulaciones computacionales. Nuestro trabajo demuestra que las moléculas asociadas a la vida, como las hormonas y los metabolitos (productos de las reacciones metabólicas), son realmente más complejas y requieren más información para ensamblarse que las moléculas que no se vinculan exclusivamente a la vida, como el dióxido de carbono.

De hecho, hemos demostrado que un índice de ensamblaje superior a 15 pasos sólo se encuentra en las moléculas relacionadas con los seres vivos, tal y como sugiere la teoría.

La hipótesis del ensamblaje también propone ideas sobre el origen de la vida que pueden someterse a comprobación. Según postula, hay un punto en el que las moléculas se vuelven tan complejas que empiezan a utilizar información para hacer copias de sí mismas –de repente requieren memoria e información–, una especie de umbral en el que la vida surge de la no vida.

En última instancia, puede ocurrir que sistemas no biológicos adquieran capacidad de selección y una memoria mínima (igual que el Sol formó los planetas juntando una gran cantidad de masa). Pero no es posible la existencia de organismos vivos o la tecnología que estos crean, desde el Lego a la ciencia espacial, sin altos niveles de memoria y capacidad de selección.

Sopa química

Tenemos previsto investigar más a fondo este origen de la vida creando una especie de sopa química en nuestro laboratorio. En dicha sopa podrían crearse moléculas totalmente nuevas a lo largo del tiempo, ya sea añadiendo diversos reactivos o por azar, mientras controlamos su índice de ensamblaje y el crecimiento del sistema. Ajustando las velocidades de reacción y las condiciones, podríamos estudiar ese fascinante punto de transición de la no vida a la vida, y averiguar si sigue las predicciones de la teoría del ensamblaje.

También estamos diseñando “generadores de sopa química”, que mezclan sustancias químicas simples para obtener otras complejas. Estos generadores pueden ayudarnos a comprender mejor cómo puede construirse la complejidad con la teoría del ensamblaje y cómo puede iniciarse la selección fuera de la biología.

Esto podría darnos alguna pista sobre cómo evolucionó la vida por primera vez, comenzando con una selección mínima y requiriendo luego cada vez más. En condiciones idénticas, ¿se construyen los objetos de forma predecible? ¿O entra en juego el azar en algún momento? Esto nos ayudaría a entender si la aparición de la vida es determinista y predecible o, por el contrario, resulta más caótica.

La teoría del ensamblaje podría aplicarse más allá de las moléculas, inspirando estudios sobre otros sistemas que dependen de combinaciones, como agregados de materiales, polímeros o química artificial. Esto podría dar lugar a nuevos conocimientos científicos o innovaciones tecnológicas. Podría revelar patrones sutiles mediante los que las moléculas por encima de un índice de ensamblaje mínimo poseen determinadas propiedades de manera desproporcionada.

También sería posible utilizar la teoría para estudiar la propia evolución. Los investigadores podrían explorar el papel de los fragmentos de células en el proceso de formación de una célula global, surgidos a su vez de moléculas más pequeñas que se combinan para formar aminoácidos y nucleótidos. Rastrear la aparición de redes metabólicas y genéticas de este modo podría ofrecer pistas sobre las transiciones en la historia evolutiva.

Rastrear cómo se ensamblan los objetos exige un seguimiento experimental preciso, pero puede merecer la pena. La teoría del ensamblaje promete una comprensión radicalmente nueva de la materia, con la posibilidad de descubrir principios universales de construcción jerárquica que trascienden la biología.

Las configuraciones complejas de la materia quizá no sean objetos inmutables, sino puntos de referencia en un proceso abierto de construcción que se propaga a través del tiempo. El universo puede obedecer ciertas leyes físicas, pero en última instancia es creativo.

Lee Cronin, Regius Chair of Chemistry, University of Glasgow

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.