EL SUBSUELO DE LA VIDA por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico numerario

La química de la vida se distingue tanto por su alto grado de orden como por su dependencia de una serie de reacciones que tienen lugar lejos del equilibrio. Algunas reacciones se pueden tratar como subsistemas aislados, empleando aproximaciones de equilibrio. El hecho de estar aislados ya implica desviaciones que son acumulativas y que vienen a reflejar las propiedades de un sistema de niveles que es como finalmente se aborda el estudio de la vida, cuando debiera considerarse como un todo.

La lógica compositiva son los principios de ensamblaje de las redes metabólicas que operan en los organismos, capturando las regularidades de la estructura de las redes resultantes y/o su dinámica que es la responsable del fenotipo o papel ecológico. La lógica evolutiva está constituida por los principios de selección o restricciones que expresan de forma compacta las regularidades evolutivas y relacionan esos aspectos fenotípicos que pueden suponer innovaciones restrictivas o ajustes determinados.

El orden dinámico de la química de la vida se mantiene por la transferencia de electrones en no equilibrio a través de la biosfera. Se puede deducir la energía libre de las diferencias de potencial entre los dadores y los aceptores de electrones, para una gran cantidad de ciclos bio-geo-químicos. Pero la transferencia de electrones en la célula está intermediada por un pequeño número de portadores universales de electrones que dirigen un conjunto limitado de reacciones orgánicas. Estas reacciones componen el denominado metabolismo, que gobierna la dinámica química, tanto de organismos como de ecosistemas. Una red metabólica, universal y aparentemente conservada, transciende a toda diversificación de especies y cambios evolutivos y enriquece la biosfera con la mayor cantidad de procesos concebibles a nivel planetario. Se identifica el metabolismo con la arquitectura de sustratos específica y el flujo de control jerárquico de la red que configuran, lo que proporciona la caracterización más esencial de la naturaleza química del estado vivo.

La comprensión de la estructura del metabolismo es fundamental para la comprensión de cómo la Física y la Química condicionan la vida y la evolución. La polimerización a partir de monómeros para dar lugar a macromoléculas funcionales concretas e incluso integraciones más complejas, incluso la replicación celular, forman una jerarquía, bien conocida, de procesos de coordinación y portadores de información. En la secuencia de la biosíntesis estos procesos acontecen posteriormente y ponen en juego muchas reacciones químicas más simples que las que forman el denominado core del metabolismo, como son la red en la que los monómeros básicos componentes de la biomasa se obtienen a partir de componentes del entorno.

Debido a que en el core tiene lugar el origen de la biomasa, su flujo es necesariamente mayor que el que se da en cualquier proceso secundario y únicamente el transporte de electrones en la membrana supone un flujo mayor de energía. En la literatura se propone que, en el caso de las enzimas, las reacciones metabólicas secundarias tienen velocidades que son del orden de 1/30 las velocidades típicas de las enzimas en las reacciones del core.

Podemos entender con Brakman y Smith, que el metabolismo es un subespacio de la Química Orgánica sobre el que la vida ha ganado el control catalítico, porque en la construcción y optimización de los fenotipos biológicos toda la materia fluye a través de este subespacio; su estructura interna impone un filtro muy severo sobre la evolución.

Brakman y Smith proponen una serie de principios organizativos, además de las estructuras universales y funciones del metabolismo. Proporcionan una caracterización simple de la arquitectura metabólica, particularmente en relación con el metabolismo microbiano, la ecología y la filogenia y las transiciones bio-geo-químicas más importantes en la evolución. A menudo se identifican los mismos patrones de organización a distintas escalas de tiempo, tamaño o complejidad y trazan esa química subyacente específica, redes topológicas o mecanismos de distinta robustez. Actúan como restricciones y fuentes de variación adaptativa y, en el fondo, gobiernan la evolución del metabolismo, desde las células más jóvenes y algunas de ellas son las que han llegado a gobernar su emergencia. Son las que nos permiten la reconstrucción plausible de la historia de las innovaciones metabólicas y también permiten explicar ciertas convergencias evolutivas y la persistencia en el tiempo de los componentes del core de la arquitectura metabólica.

Muchos motivos estructurales se pueden interpretar como módulos funcionales, tanto a nivel de substrato como de control del metabolismo. Si se aíslan los efectos de la perturbación y se sustraen los que provienen del error, se identifica que, precisamente la modularidad, puede facilitar la emergencia y soportar las funciones robustas de sistemas complejos jerárquicos. Puede, también, afectar la estructura a gran escala de la evolución favoreciendo la variación de la regulación y enlace entre módulos, mientras conserva y, por tanto, minimiza la alteración de la arquitectura y la estabilidad interna. Esto puede impulsar la evolución a través de dos mecanismos distintos. Un incremento fenotípico, es decir, estructural o funcional, opuesto al genotípico. La robustez de los módulos individuales permitió el acceso a grandes espacios neutros genéticos y así es concebible un número mayor de fenotipos nuevos en los límites de esos espacios. Al mismo tiempo, concentrando los cambios a nivel de módulo, pueden decrecer la cantidad de variación genética necesaria para generar los cambios heredables en fenotipos agregados. Se ha propuesto que las asimetrías en las restricciones evolutivas pueden amplificarse a través de la selección directa para evolucionar y esto es una fuente fundamental de modularidad y jerarquía en los sistemas biológicos.

Estas consecuencias funcionales derivadas del diseño modular permiten concebir que el metabolismo será modular como reflejo de los requerimientos de emergencia y estabilidad interna. Ciertamente, esto se observa empíricamente, según la propuesta de Brakman y Smith. Muchos análisis topológicos de redes metabólicas identifican una estructura modular y jerárquica. Debido al elevado flujo de masa y una química más diversa en la secuencia del core, se espera que la modularidad en las subredes tendrá una mayor influencia en la dinámica evolutiva. Brakman y Smith revisa la evidencia que soporta esta expectativa, lo que sugiere que las innovaciones en el core de fijación del CO2 fueron una de las mayores causas de la mayor divergencia en el misterioso árbol de la vida.

La comprensión del origen y las consecuencias evolutivas de la modularidad en el metabolismo, precisan representaciones a nivel de sistemas que superan a la topología, para incluir, a veces, distinciones muy particulares de la función. Los detalles de la química de sustratos, agrupamiento de enzimas y conservación, y la filogenia de los módulos metabólicos, en particular, son fuentes ricas de información funcional y del contexto. La diferencias entre niveles también ayuda a distinguir la modularidad que origina los mecanismos de reacción y la topología de la red del sustrato metabólico de moléculas pequeñas, a partir de formas de modularidad de alto nivel, posiblemente independientes, en la regulación de las velocidades de flujo o expresión fenotípica debida a los componentes macromoleculares de las células. Se ha sugerido como ejemplo de esta segunda clase de control regulatorio las restricciones modulares observadas en las rutas biosintéticas de aminoácidos y la dinámica de respuesta de estas rutas. Estas formas de modularidad derivan de mecanismos tales como inhibición alostérica de enzimas y las actividades específicas de enzimas, que aparecieron en la topología de red subyacente en el inventario molecular de metabolitos. Hay rutas en las que la regulación de la red puede haber sido esencial para la estabilidad de sus arquitecturas subyacentes. El reconocimiento de los distintos caracteres de motivos arquitectónicos y mecanismos de control a diferentes niveles permite reconstruir etapas en la evolución metabólica e identificar sus fuerzas directrices ambientales.

El problema fundamental de la transferencia de electrones en disolución da lugar a una división cualitativa entre la química catalítica “dura” y “fácil” y esta división en una u otra forma tiene mucho de arquitectura y evolución del metabolismo de largo alcance y la biosfera. La Química “dura” implica transferencias de electrones cuyos estados intermedios serían inestables o energéticamente inaccesibles en el agua, si no mediaran los centros de metales de transición, incluidos en complejos metal-ligando y/o complejos estructurales de cofactores orgánicos. Una Química ”fácil”, implica la hidrogenación e hidratación, reacciones redox intramoleculares y un amplio conjunto de química ácido -base. Esta química “fácil” se reutiliza reiteradamente y proporciona y justifica las reacciones internas con los módulos del metabolismo del core. La química “dura” define los límites de módulo y las restricciones de la innovación evolutiva. Estas ideas simples ilustradas por Brakman y Smith, subrayan una descomposición modular de la fijación de carbono que da cuenta de toda la diversidad conocida, en gran medida en términos de adaptaciones únicas para las variaciones químicas simples que acontecen en el entorno abiótico. Sobre el fundamento del metabolismo del core que rehace en la fijación del carbono. El resto de la biosíntesis está arreglado ampliamente de rutas anabólicas crecientemente independiente. El papel unificador del core permite diversas rutas anabólicas que revierten independientemente y llegan a ser catabólicas y la combinatoria de las posibles reversiones en comunidades de organismos determina el espacio de posibilidades evolutivas para la ecología heterotrófica.

Brakman y Smith proponen un papel de retroalimentación en Bioquímica, que toma diferentes formas a varios niveles. Se identifican redes autocatalíticas si consideramos aparte el origen de las funciones catalíticas externas y de cofactor, como una propiedad interna de las redes de sustrato de pequeñas moléculas que intervienen en muchas rutas del core. Una forma diferente, cualitativamente, de retroalimentación se establece a través de cofactores, que pueden actuar, bien como catálisis molecular o como redes. Como redes catalíticas difieren de los pequeños metabolitos debido a su estructura interna que no cambia, excepto a una distancia de uno o dos enlaces, en la reacción en que intervienen. Los cofactores actúan como claves que establecen dominios mixtosn Química Orgánica con Bioquímica y esto genera un área extraordinariamente productiva al tiempo que severamente limitante. No existen funciones de ruta del core sin cofactores y la diversificación parece haber sido fundamental como diversificación enzimática en algunas ramas de evolución profunda. Se arguye, para una coevolución de la función de cofactor con la expansión de la red metabólica universal de componentes inorgánicos, el interés de intentar situar los grupos cofactores clave con independencia jerárquica de las rutas biosintéticas, particularmente en relación con la habilidad inicial para sintetizar RNA.

El mensaje más importante a obtener es la notable huella dejada por las restricciones químicas de muy bajo nivel e incluso las de muy alto nivel de organización biológica. Solo siete módulos de fijación de carbono, la mayoría determinados por distintas reacciones de carboxilación dependientes de metales, cubren toda la diversidad filogénica conocida y proporcionan los bloques de construcción tanto para la innovación metabólica autotrófica como la heterotrófica. Una colección pequeña, similar, de familias de cofactores orgánicos y organometálicos han sido las claves que determinan la estructura de red metabólica desde las primeras células hasta el presente. El número de estos cofactores se puede reducir si identificamos relaciones biosintéticas que dan lugar a funciones relacionadas (como los cofactores derivados de la purina o del ácido corísmico) o casos de convergencia evolutiva dominada por propiedades de elementos. Todo ello se puede entender como leyes de organización biológica.

En una teoría geoquímica de la emergencia del metabolismo, las regularidades deberían ser predecibles a partir de las propiedades de la Química Orgánica subyacente. La comprensión de la Química Orgánica relevante continúa expandiéndose a áreas hasta hace poco inexploradas, como formas particulares tales como la Química organometálica o usos convergentes de nitrógeno y azufre, que es de suponer que serán predecibles a partir de sus propiedades catalíticas singulares.

La correlación en biología es en gran medida una propiedad constructiva. No ha tenido la misma importancia siempre y su persistencia depende de la escala de tiempo. La evolución de largo alcance permite la recombinación, incluso en células recientes y en el genoma. La vida inicial, en contraste, con sus células menos integradas y genomas y unos rasgos acoplados más holgadamente, “construyó” menos correlación de largo alcance. Estos fueron los dominios en los que se evidenciaba la más simple pero invariante restricción que suponían la Química y Física subyacentes.

La parsimonia es un criterio para construir árboles de relaciones que minimizan los casos repetitivos de la misma innovación en los enlaces. La parsimonia estricta está bien definida, pero encajarla cuando se requiere alguna repetición, no se define solamente con el criterio de parsimonia. En la práctica, ordenar las distintas soluciones con el criterio de parsimonia va acompañado de valoraciones basadas en la probabilidad que penaliza un método tan acreditado como el de máxima probabilidad o bayesiano que soslayaría las innovaciones repetidas.

El metabolismo se ha construido sobre los fundamentos de la Química Orgánica y emplea estructuras e interacciones a muchos niveles. Pese a todas las complejidades, el metabolismo exhibe regularidades notables y robustas que se manifiestan en formas modulares y jerárquicas, que Brakman y Smith describen de forma compacta en términos de unos pocos principios de composición. Estas regularidades muestran una arquitectura metabólica comprensible como un sistema y también sugiere un orden en esas distintas capas que dan lugar al sistema. Se puede concebir como que el metabolismo es una capa fundamental para otras jerarquías, al menos hasta el nivel de la integración celular, incluyendo la bioenergética y la replicación molecular y la ecología trófica. Los patrones que se dan primero en el metabolismo, presentes en otros niveles, inducen a interpretar el metabolismo como una fuente motivadora o restrictiva de muchas formas de organización en la biosfera. Muchas formas de modularidad y jerarquización que se exhiben en el metabolismo se interpretan como estados de emergencia de control catalítico de los sistemas vivos sobre la Química Orgánica, en ocasiones recapitulando o incorporando mecanismos geo-químicos. Son subconjuntos de compuestos químicos y reacciones o de funciones, las que se dan en muchos contextos que conservan la estructura interna. A nivel de sustrato de pequeñas moléculas, los limites del módulo van asociados, a menudo, a mecanismos altamente conservativos de reacciones más complejas, catalizadas por enzimas, Los cofactores, que son componentes no protéicos, termoestables y de bajo peso molecular, necesario para la acción de una enzima, forman unas capas de control biosintético y funcional por encima de los sustratos de moléculas pequeñas. Los más complejos entre los cofactores están asociados a reacciones que tienen lugar en los limites del módulo en la red de sustrato, mientras que cofactores más simples participan en reacciones ampliamente generalizadas. Las estructuras químicas de los cofactores, explotan propiedades de los distintos elementos de la Tabla Periódica, con lo cual, actúan como llaves que incardinan reacciones orgánicas con bioquímicas. La zona frontera de los módulos proporcionan interfases donde se concentran los cambios, proponen Brakman y Smith, cuando catalogan la diversidad existente en los fenotipos metabólicos y encuentran que los mismos módulos que organizan la diversidad del metabolismo son los que gobiernan la evolución de largo alcance. La evolución primigenia del core metabólico y, en especial, la fijación de carbono, supone, en realidad, muy pocas innovaciones y haber usado pocas reglas de composición de módulos para producir las adaptaciones a diferencias químicas o energéticas del entorno, simples, sin soluciones diversas y sin contingencia histórica. Brakman y Smith han demostrado que estos hechos del metabolismo en cada uno de los niveles jerárquicos, comienzan con sustratos metabólicos de pequeñas moléculas y arquitectura de redes, continúan a través de los cofactores y reacciones clave y culminan con la agregación en las células, mediante procesos físicos y bioquímicos múltiples. Es esta una forma de interpretar la lógica compositiva y evolutiva del metabolismo. En Ciencia, nunca está dicha la última palabra. Pero conceptualmente ya es un avance significativo. Estas reflexiones y otras parecidas nos llevan a la convicción de que la vida es preciso interpretarla como un todo. La visión holística tiene sus dificultades, añadida a la propia de desentrañar los procesos individuales que, en todo caso, acontecen en el subsuelo de la propia vida.