Estos Polímeros Que Imitan Enzimas Pueden Haber Ayudado A Iniciar La Vida En La Tierra

Partículas de polímero hiperramificado ZnS

La micrografía muestra nanopartículas uniformes de menos de 10 nm de diámetro. Crédito: Tony Z. Jia, ELSI

Los científicos del Earth-Life Science Institute encuentran que pequeños polímeros altamente ramificados que pueden haberse formado espontáneamente en la Tierra primitiva pueden imitar la función enzimática de la proteína biológica moderna. Estas simples estructuras catalíticas pueden haber ayudado a poner en marcha los orígenes de la vida.

La mayor parte del esfuerzo en la investigación de los orígenes de la vida se centra en comprender la formación prebiótica de los componentes básicos biológicos. Sin embargo, es posible que la evolución biológica temprana se basara en diferentes estructuras y procesos químicos, y estos fueron reemplazados gradualmente con el tiempo por eones de evolución. Recientemente, los químicos Irena Mamajanov, Melina Caudan y Tony Jia del Earth-Life Science Institute (ELSI) en Japón tomaron prestadas ideas de la ciencia de los polímeros, la administración de fármacos y la biomimetización para explorar esta posibilidad. Sorprendentemente, descubrieron que incluso pequeños polímeros altamente ramificados podrían servir como catalizadores efectivos, y estos pueden haber ayudado a comenzar la vida.

En la biología moderna, las enzimas proteicas codificadas realizan la mayor parte del trabajo catalítico en las células. Estas enzimas están formadas por polímeros lineales de aminoácidos , que se pliegan y se doblan sobre sí mismos para formar formas tridimensionales fijas. Estas formas preformadas les permiten interactuar muy específicamente con los químicos cuyas reacciones catalizan. Los catalizadores ayudan a que las reacciones ocurran mucho más rápido de lo que lo harían de otra manera, pero no se consumen en la reacción en sí, por lo que una sola molécula de catalizador puede ayudar a que la misma reacción ocurra muchas veces. En estos estados plegados tridimensionales, la mayor parte de la estructura del catalizador no interactúa directamente con los productos químicos sobre los que actúa, y solo ayuda a que la estructura de la enzima mantenga su forma.

Pasos evolutivos que conducen a las enzimas modernas

Las enzimas de sulfuro de metal podrían haberse originado a partir de partículas globulares de polímero hiperramificado / sulfuro de metal. Crédito: Irena Mamajanov, ELSI

En el presente trabajo, los investigadores de ELSI estudiaron polímeros hiperramificados, estructuras en forma de árbol con un alto grado y densidad de ramificación que son intrínsecamente globulares sin la necesidad de un plegamiento informado, que se requiere para las enzimas modernas. Los polímeros hiperramificados, como las enzimas, son capaces de colocar catalizadores y reactivos y modular la química local de forma precisa.

La mayor parte del esfuerzo en la investigación de los orígenes de la vida se centra en comprender la formación prebiótica de las estructuras biológicas modernas y los bloques de construcción. La lógica es que estos compuestos existen ahora y, por lo tanto, comprender cómo se podrían producir en el medio ambiente podría ayudar a explicar cómo llegaron a existir. Sin embargo, solo conocemos un ejemplo de vida y sabemos que la vida está en constante evolución, lo que significa que solo sobreviven las variantes más exitosas de organismos. Por lo tanto, puede ser razonable asumir que los organismos modernos pueden no ser muy similares a los primeros organismos, y es posible que la química prebiótica y la evolución biológica temprana se basaran en estructuras y procesos químicos diferentes a los de la biología moderna para reproducirse. Como analogía con la evolución tecnológica, los primeros televisores de rayos catódicos realizaban más o menos la misma función que las pantallas modernas de alta definición, pero son tecnologías fundamentalmente diferentes. Una tecnología condujo a la creación de la otra de alguna manera, pero no fue necesariamente el precursor lógico y directo de la otra.

Si este tipo de modelo de “andamiaje” para la evolución bioquímica es cierto, la pregunta es ¿qué tipo de estructuras más simples, además de las utilizadas en los sistemas biológicos contemporáneos, podrían haber ayudado a llevar a cabo el mismo tipo de funciones catalíticas que requiere la vida moderna? Mamajanov y su equipo razonaron que los polímeros hiperramificados podrían ser buenos candidatos.

El equipo sintetizó algunos de los polímeros hiperramificados que estudiaron a partir de sustancias químicas que razonablemente se podría esperar que estuvieran presentes en la Tierra primitiva antes de que comenzara la vida. Luego, el equipo demostró que estos polímeros podían unirse a pequeños grupos inorgánicos de átomos naturales conocidos como nanopartículas de sulfuro de zinc. Se sabe que estas nanopartículas son inusualmente catalíticas por sí mismas.

Como comenta el científico principal Mamajanov, “En este estudio probamos dos tipos diferentes de andamios de polímeros hiperramificados. Para que funcionen, todo lo que necesitábamos hacer era mezclar una solución de cloruro de zinc y una solución de polímero, luego agregar sulfuro de sodio, y “listo”, obtuvimos un catalizador basado en nanopartículas estable y eficaz ‘.

El siguiente desafío del equipo fue demostrar que estos híbridos de nanopartículas y polímeros hiperramificados podían hacer algo interesante y catalítico. Descubrieron que estos polímeros dopados con sulfuro metálico que degradan moléculas pequeñas eran especialmente activos en presencia de luz; en algunos casos, catalizaron la reacción hasta en un factor de 20. Como dice Mamajanov, ‘Hasta ahora solo hemos explorado dos posibles andamios y un solo dopante. Sin duda, quedan muchos, muchos más ejemplos de esto por descubrir. ‘

Los investigadores señalaron además que esta química puede ser relevante para un modelo de origen de la vida conocido como el “Mundo del Zinc”. Según este modelo, el primer metabolismo fue impulsado por reacciones fotoquímicas catalizadas por minerales de sulfuro de zinc. Piensan que con algunas modificaciones, tales andamios hiperramificados podrían ajustarse para estudiar análogos de enzimas proteicas que contienen hierro o molibdeno, incluidas las importantes involucradas en la fijación biológica moderna de nitrógeno. Mamajanov dice: ‘La otra pregunta que esto plantea es, suponiendo que la vida o la anterior usaran este tipo de proceso de andamiaje, ¿por qué la vida finalmente se basó en las enzimas? ¿Existe alguna ventaja en el uso de polímeros lineales sobre los ramificados? ¿Cómo, cuándo y por qué ocurrió esta transición? ‘

Referencia: “Protoenzimas: el caso de nanocristales de ZnS con andamios de polímeros hiperramificados” por Irena Mamajanov, Melina Caudan y Tony Z. Jia, 13 de agosto de 2020, Life .
DOI: 10.3390 / life10080150

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