Al cocinar la materia de la vida, uno no puede sustituir la margarina con mantequilla. O al menos esto es lo que los científicos pensaban.
Los investigadores han inducido a un microbio a usar como bloque de construcción de sí mismo el arsénico en lugar del fósforo una sustitución sin precedentes de uno de los seis elementos esenciales de la vida. Estos científicos informaron en línea el 2 de diciembre en Science que la bacteria parece haber incorporado arsénico en su maquinaria celular, e incluso en su ADN.
El arsénico es un elemento tóxico para la vida, y se cree que es demasiado inestable químicamente para cumplir la función del fósforo, en tareas tales como sostener el ADN en una ordenada doble hélice, activar las proteínas y transportar la energía que se debe aportar a las células. Si se validan los nuevos resultados, tendrán enormes implicaciones para la bioquímica básica, y en el origen y evolución de la vida, tanto en la Tierra y como en otras partes del universo.
“Este es un resultado maravilloso, un resultado sorprendente, muy importante y sorprendente… si resulta cierto”, dijo el químico molecular Alan Schwartz, de la Universidad de Radboud Nijmegen en los Países Bajos. “Soy más escéptico de lo habitual, debido a las implicaciones. Pero es un trabajo fascinante. Es original, y posiblemente es muy importante. ”
Los experimentos comenzaron sobre sedimentos del Lago Mono, en el este de California, lleno de camarones, moscas y algas que pueden sobrevivir en la extraña química del lago. El Lago Mono se formó en una cuenca cerrada —donde el agua sólo sale por evaporación— lo que hace que el lago sea casi tres veces más salado que el mar. Es altamente alcalino y rico en carbonatos, fósforo, arsénico y azufre.
Dirigidos por Felisa Wolfe-Simon del Instituto de Astrobiología de la NASA y del Estudio Geológico de los EE.UU. en Menlo Park, California, los investigadores cultivaron microorganismos de los sedimentos del lago Mono. Los microbios recibieron una dieta típica de azúcar, vitaminas y algunos metales, pero no de fosfato, la forma del fósforo preferida por la biología. A continuación, el equipo empezó a forzar a los organismos a una alimentación con arseniato, una forma análoga del arsénico, en cantidades cada vez mayores.
Un microbio en particular —identificado ahora como cepa GFAJ-1 de la familia Halomondaceae, afines a la sal y en su mayoría marinos— fue separado y se lo cultivó en tubos de ensayo. Algunos fueron alimentados con arseniato, mientras que otros recibieron fosfato. Si bien los microbios que subsistieron con arseniato no se desarrollaron tanto como los fosfatos, aún así crecieron en forma sostenida, duplicando su número cada dos días, dijo Wolfe-Simon. Y si bien el equipo de investigación no pudo eliminar todo rastro de fosfato del cultivo original, la detección y técnicas de análisis sugieren que la cepa GFAJ-1 comenzó a utilizar arseniato como bloque de construcción en el lugar de fosfato.
“Estos datos demuestran que estamos logrando una sustitución en todos los ámbitos”, dice Wolfe-Simon. “Este microbio, si no nos equivocamos, ha resuelto el desafío de estar vivo de una manera diferente.”
El arsénico está justo debajo del fósforo en la tabla periódica de los elementos y de este modo, químicamente hablando, no es tan diferente, señala Wolfe-Simon. Y de los seis elementos esenciales de la vida —carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre (también conocido como CHNOPS)— el fósforo tiene una distribución relativamente irregular en la superficie de la Tierra. Si se puede obligar a un microbio en un tubo de ensayo a vivir en el arsénico, tal vez el hogar primordial de la vida también era rico en arsénico, y la vida que utiliza el fósforo vino después. Incluso puede existir una “biosfera oculta” de vida basada en arsénico en forma oculta en la Tierra, o en alguna solitaria roca en el espacio.
“No se trata del arsénico, y no se trata del Lago Mono”, dijo Wolfe-Simon. “Hay algo fundamental acerca de la comprensión de la flexibilidad de la vida. A cualquier vida, un microbio, un árbol, lo pulverizas y [sus componentes] van a ser CHNOPS. Pero tenemos una sola muestra de la vida. No se puede buscar lo que uno no conoce.”
Las similitudes entre el arsénico y el fósforo son, además, lo que hacen que el elemento sea tan venenoso. A menudo la vida no puede distinguir entre los dos, y se puede introducir arsénico en las células. Allí compite con el fósforo, atrapa grupos de azufre, o se apropia de otra manera de la tarea, causando la muerte celular. Algunos microbios “respiran” pasando electrones al arsénico, pero incluso en esos casos el elemento tóxico se mantiene fuera de la célula.
Los investigadores están teniendo dificultades para cambiar sus mentes con respecto al arseniato haciendo el trabajo del fosfato en las células. La “P” en el ATP —la moneda de energía de toda la vida— es sinónimo de fosfato. Y la columna vertebral de la doble hélice del ADN, la molécula que contiene las instrucciones genéticas para la vida, está hecha de fosfato. La bioquímica básica dice que estas moléculas serían tan inestable que se desmoronarían si se construyeran con arseniato en vez de con fosfato.
“Cada organismo que conocemos utiliza el ATP y el ADN fosforilado”, dice Matthew Pasek, biogeoquímico de la Universidad de South Florida en Tampa. Él dice que la nueva investigación es a la vez fascinante y excepcional. Tan fantástica, que se necesita una gran cantidad de trabajo para establecer con exactitud cómo está usando arseniato el microbio.
Tanto el fosfato como el arseniato se pueden juntar en grupos, y siendo su carga eléctrica ligeramente negativa, el ADN ligeramente positivo sería atraído por estos grupos, dice Pasek. Tal vez el arsénico detectado en la fracción de ADN era en realidad un grupo cercano que el ADN envolvió a su alrededor, especula.
El microbio puede haber sustituido el fosfato discretamente, dice el geoquímico Everett Shock de la Universidad Estatal de Arizona en Tempe, utilizando arsénico en algunos lugares pero no en otros. Pero Shock dice que el valor real del trabajo no está en los detalles específicos. “Esto introduce la posibilidad de que puede haber una sustitución de uno de los principales elementos de la vida”, dice. Este tipo de investigación “extiende la perspectiva. Ahora tendremos que ver cuán lejos puede llegar esto. ”
Dónde pueden estar las sustituciones
La estructura de soporte de una hebra de ADN está formada por unidades alternas de grupos fosfato y de azúcar. El azúcar en el ADN es una pentosa, concretamente, la desoxirribosa.
Ácido fosfórico
Su fórmula química es H3PO4. Cada nucleótido puede contener uno (monofosfato: AMP), dos (difosfato: ADP) o tres (trifosfato: ATP) grupos de ácido fosfórico, aunque como monómeros constituyentes de los ácidos nucleicos sólo aparecen en forma de nucleósidos monofosfato.
Adenosín trifosfato
El trifosfato de adenosina o adenosín trifosfato (ATP, del inglés Adenosine TriPhosphate) es un nucleótido fundamental en la obtención de energía celular. Está formado por una base nitrogenada (adenina) unida al carbono 1 de un azúcar de tipo pentosa, la ribosa, que en su carbono 5 tiene enlazados tres grupos fosfatos.
Se produce durante la fotosíntesis y la respiración celular, y es consumido por muchas enzimas en la catálisis de numerosos procesos químicos. Su fórmula es C10 H16 N5 O13 P3.
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