Uno de los fundadores de la bioquímica moderna, Jacques Loeb, escribió en 1912: «nada indica, sin embargo, en la actualidad, que la producción artificial de materia viva esté más allá de las posibilidades de la ciencia… debemos tener éxito en la producción artificial de materia viva, o debemos encontrar las razones por las que esto es imposible».[1][2] Esto fue escrito antes de la cristalización de una sola proteína, el descubrimiento del ciclo del ácido cítrico y gran parte del metabolismo, antes de entender la estructura del ADN y los conceptos de biología molecular.
Por todas estas razones, se puede disculpar al Dr. Loeb por su prematuro optimismo con respecto a la síntesis de la materia viva. De hecho, más de un siglo después, el concepto de abiogénesis de laboratorio apenas comienza a surgir, debido al campo emergente de la biología sintética.
El objetivo final de la biología sintética es producir materia viva en el laboratorio, abiogénesis in vitro.[3][4][5] Aunque existe una falta de consenso en la comunidad científica sobre lo que constituye la «materia viva»,[6][7][8][9][10] se ha publicado una compilación muy útil de nueve características invariables de todas las estructuras vivas. [11] Pero para el propósito de este artículo, la característica más útil de una entidad viviente se da en la sutil revisión de este campo:[12] «… por “vivir” entendemos la capacidad de autosuficiencia autónoma en un estado homeostático fuera de equilibrio, con la posibilidad adicional de crecimiento y división, dando lugar a una especie de ciclo de vida mínimo y a la evolución».
La «esencia de la vida»
Debido a que generalmente se piensa que en el corazón mismo de toda la materia viva, la «esencia de la vida» es una constelación necesaria de ácidos nucleicos y proteínas, todos los esfuerzos actuales en biología sintética están dirigidos a lograr células modelo que contengan estos componentes. Citando a un destacado científico sobre este tema: «…la vida misma puede verse como una propiedad emergente: las moléculas que constituyen una célula viva (ADN, proteínas, polisacáridos, lípidos, etc.) no están vivas. La cualidad «vida» surge del conjunto de estos elementos no vivos, debidamente ordenados en el espacio y el tiempo».[13]
Detrás de todos los esfuerzos en biología sintética se encuentra la suposición fundamentalmente crucial, de que es posible ensamblar materia viva, paso a paso, a partir de un conjunto de biomoléculas. Una consecuencia de esta suposición es que, al menos en principio, la materia viva se puede desmontar y volver a montar de forma reversible. Si bien ese es el consenso casi universal dentro de la comunidad científica, estas suposiciones no se han verificado experimentalmente.
¿Materia viva elaborada a partir de moléculas orgánicas inertes?
La convicción de que la materia viva puede ser elaborada a partir de moléculas orgánicas inertes se remonta a los postulados de I. O Oparin[14] y J. D. Haldane[15] sobre los orígenes de la vida. Con los descubrimientos de S. Miler y H. Urey[16] esta noción floreció en el campo de la evolución química, que durante los últimos tres cuartos de siglo produjo un prodigioso cuerpo de trabajo[17] pero poca claridad en cuanto a cómo la materia viva podría han llegado a existir en un entorno terrestre primitivo.
La biología sintética se libera de la carga de hacer bioquímica en condiciones básicas. ¡Ahora los laboratorios son libres de usar cualquier medio que tengan disponible para construir materia viva! De hecho, hay un optimismo considerable de que la biología sintética finalmente logrará el “santo grial” de la biología, la producción de una célula viva artificial. En consecuencia, un comentario final de un artículo de revisión relativamente reciente sobre el tema afirma: «La síntesis de una célula artificial viva a partir de componentes abrirá la puerta a muchas líneas de investigación más arriesgadas…»[18] Sin embargo, un crítico más cauteloso afirma: «…es importante notar que aún no se ha logrado vida en el laboratorio. ¿Significa esto que en principio no es posible? Yo no lo creo, aunque como científico siempre es bueno tener un poco de duda (quizás nos faltó algo importante en nuestro análisis teórico)».[19]
El estado «fuera de equilibrio» de la materia viva
Esta comunicación apunta a la subestimación de la naturaleza esencial del estado “fuera de equilibrio” de la materia viva.
Todos los procesos de la vida, el metabolismo, el crecimiento, la respuesta al estímulo y la replicación son impulsados por reacciones químicas en curso. Cada reacción química existe en uno de estos dos estados: no equilibrio y equilibrio. Los procesos químicos en curso están siempre en estado de no equilibrio.
Cuando una reacción química, aA + bB ⇌ cC + dD sigue su curso, se produce el equilibrio, donde la relación de acción de masas Γ=[C]cx[D]d/[A]ax[B]b se convierte en la constante de equilibrio, Keq. En el equilibrio, el cambio de energía libre es ∆F=0 y en este estado la reacción no puede generar ni absorber energía.
Durante las reacciones químicas hay un flujo neto de materia de los reactivos a los productos o viceversa. Sin embargo, en el equilibrio el flujo se detiene.
Además, el estado de equilibrio se resiste al cambio. Como establece el principio de Le Chatelier[20], si un sistema químico en equilibrio experimenta un cambio en la concentración, la temperatura, el volumen o la presión parcial, entonces el equilibrio se desplaza para contrarrestar el cambio impuesto y se establece un nuevo equilibrio. Así, según este principio, cualquier cambio de un estado de no equilibrio a uno de equilibrio es irreversible.
El equilibrio mata a la célula
Aunque en las células vivas cada reacción es impulsada hacia el equilibrio por una enzima (para prevenir la posibilidad de eventos químicos no biológicos aleatorios más lentos), si alguno de los cientos o miles de procesos químicos pudiera alcanzar el equilibrio, se produciría un proceso metabólico irreversible. Múltiples de tales equilibrios matarían a la célula. Sin embargo, en las células vivas no se producen reacciones aisladas y así se evita el problema del equilibrio. Más bien, los eventos químicos están vinculados en vías, de modo que los productos de las reacciones no se acumulan, sino que reaccionan inmediatamente con otra sustancia.
Los productos finales de las rutas metabólicas se utilizan inmediatamente o son secretados por la célula. Además, los sistemas reguladores como la “inhibición de retroalimentación” ayudan a mantener la homeostasis.
Se puede demostrar que los estados estacionarios de no equilibrio de todas las reacciones/vías químicas en las células vivas constituyen una esencia de la vida mediante el simple experimento de tratar brevemente una alícuota de cultivo de Escherichia coli en crecimiento con gotas de tolueno.[21] Este procedimiento crea agujeros en la membrana externa de la bacteria, provocando la disolución del gradiente de protones entre el citoplasma y el periplasma.[22][23] A su vez, la síntesis de ATP se detiene y en segundos las reacciones en la célula alcanzan su equilibrio y el organismo muere.
Una célula muerta nunca volverá a la vida
En este punto, la célula muerta contiene la mayor parte de sus ácidos nucleicos, proteínas, lípidos, polisacáridos y metabolitos. Por lo tanto, mientras que el material genético, el ARN, las enzimas, los polisacáridos y los lípidos son todos componentes necesarios de una célula viva; su mera presencia no es suficiente para la vida. En las células vivas, superpuesta a todos los biopolímeros necesarios, se encuentra la dinámica de no equilibrio en estado estacionario de todos los eventos químicos.
Incluso si fuera posible evitar la degradación interna de sus biopolímeros, la célula muerta nunca volvería a la vida solo con una incubación continua.
Los practicantes actuales de la biología sintética, aunque reconocen el «estado homeostático fuera del equilibrio» obligatorio de la materia viva, no parecen apreciar la irreversibilidad del estado de equilibrio. La construcción de células artificiales de forma modular dará como resultado inevitablemente el inicio del equilibrio químico dentro de cada módulo. Una vez que se alcanza el equilibrio, la célula artificial, en sentido figurado, “choca contra una pared de ladrillos”. Ya no es capaz de crecer ni realizar ningún proceso químico neto.
Conclusión
No se conoce ninguna tecnología para lograr el ensamblaje modular de células artificiales mientras se preserva el estado de no equilibrio de la reacción de cada componente. Si bien estas consideraciones no se aplican a las polimerizaciones, como la síntesis de ARN o ADN, ya que cada extensión incremental del polímero se acompaña de la hidrólisis de un enlace de alta energía que hace que estos pasos sean esencialmente irreversibles, cualquier otro evento metabólico está sujeto a termino debido a que se alcanza el equilibrio. Hasta que la construcción de estructuras similares a células, que alberguen metabolismos en estados homeostáticos de no equilibrio, se hagan realidad, los esfuerzos más sofisticados de la biología sintética por crear vida, quedarán en nada.
Por lo tanto, más de un siglo después, nuestra respuesta al llamado de Jacques Loeb para la síntesis de la materia viva, es que todavía no hemos llegado a ese punto. Necesitamos encontrar formas de generar condiciones de no equilibrio en estado estacionario dentro de las células artificiales. Esta tecnología tendrá que esperar a los descubrimientos futuros.
Autor: George T. Javor, PhD. Traducción de Esther Azón, editora de Revista.Adventista.es
Imagen: Foto de Drew Hays en Unsplash
Referencias
[1] Loeb, J. (1912). The Mechanistic Conception of Life. University of Chicago Press: Chicago. pp. 5-6.
[2] Pereto, J., Catala, J. (2007). The renaissance of synthetic biology. Biological Theory 2:128-130.
[3] Luisi, P. L. (2002). Toward the engineering of minimal living cells. The Anatomical Record 268:208-14.
[4] Szostak, J.W.; Bartel, D.P.; Luisi, P.L. (2001). Synthesizing life. Nature 409:387–390.
[5] Stano, P. (2019). Is research on “synthetic cells” moving to the next level? Life 9(1):3. doi:10.3390/life9010003
[6] Schrodinger, E. (1945). What is Life? Cambridge University Press: Cambridge, London, New York, New Rochelle, Melbourne, Sydney.
[7] Fleischbaker, G. R. (1990). Origin of life: An operational definiton. Origins of Life and Evolution of Biospheres 20:127-137.
[8] Rizzotti, M. et al., ed. (1996). Defining Life: The Central Problem in Theoretical Biology; University of Padova Press: Padova, Italy.
[9] Ruiz-Mirazo, K., J. Pereto, Moreno, A. (2004). A universal definition of life: autonomy and open-ended evolution. Origins of Life and Evolution of Biospheres 34:323-346.
[10] Bruylants G., Bartik, K., Reisse, J. (2010). Is it useful to have a clear-cut definition of life? On the use of fuzzy logic in prebiotic chemistry. Origins of Life and Evolution of Biosphere 40:137-143.
[11] Abel, D. L. (2010). Is life unique? Life 2:106-134.
[12] Stano, ibid.
[13] Luisi, ibid.
[14] Oparin, A. I. (1938). The Origin of Life. Translated by S. Morgulis. Macmillan: New York.
[15] Haldane, J. B. S. (1929). The Origin of Life. The Rationalist Annual for the Year 1929.
[16] Miller, S. L. (1953). A production of amino acids under possible primitive Earth conditions. Science 117:528-529.
[17] Pereto, J. (2005). Controversies on the origin of life. International Microbiology 8:23-31.
[18] Blain, J. C., Szostak. J. W., 2014. Progress toward synthetic cells. Annual Review of Biochemistry. 83:615-640.
[19] Luisi, ibid.
[20] Le Chatelier, H., Boudouard, O. (1898). Limits of flammability of gaseous mixtures. Bulletin de la Societe Chimique de France (Paris) 19:483-488.
[21] This procedure is the first step in the assay for β-galactosidase. See for example: Javor, G.T., Ryan A., Borek, E. (1969). Studies of the impaired inducibility in relaxed mutants of E. coli. Biochemical and Biophysical Acta 190:442 452.
[22] Jackson, R. W, J. A. DeMoss (1965). Effects of toluene on Escherichia coli. Journal of Bacteriology 90:1420-1425.
[23] Halegoura, S., A. Hirashima, J. Sekizauwa, Inouye, M. (1976). Protein synthesis in toluene treated Escherichia coli. European Journal of Biochemistry 69:163-167.
PUBLICACIÓN ORIGINAL: Synthesizing Life in the Laboratory: Why is it not Happening?
