¿Es la formamida un precursor prebiótico plausible?

La naturaleza de los productos químicos que desempeñaron el papel de precursores prebióticos en la Tierra primitiva sigue siendo un argumento debatido. En una aproximación general al problema, deben tenerse en cuenta las siguientes propiedades físicas y químicas de los compuestos orgánicos simples considerados. A saber: (i) la abundancia relativa de los materiales biogénicos de partida, que debe considerarse un requisito previo para el inicio temprano de los procesos genéticos en este planeta; (ii) su estabilidad; (iii) su capacidad de reaccionar para dar estructuras más complejas siguiendo vías reproducibles. La formación de precursores a partir de procesos químicos simples, y la presencia casi simultánea de todos los bloques de construcción que se utilizarán para el ensamblaje de moléculas informativas, son otros requisitos importantes.

(i) Disponibilidad

La formamida (H2NCOH) cumple los criterios requeridos de abundancia y difusión en el Universo. El análisis de la composición molecular de los cometas-asteroides y de las nubes interestelares muestra que los compuestos hechos de los 4 elementos más comunes y biológicamente relevantes H, O, C y N (excluyendo el He) son el isocianato HNCO y la formamida H2NCOH . La formamida se ha detectado en la fase gaseosa del medio interestelar , en el cometa de largo periodo Hale-Bopp , y tentativamente en la fase sólida de los granos alrededor del joven objeto estelar W33A . Se observó una posible producción de formamida en condiciones similares a las de Europa (Hand, K.; Carlson, R. W., Department of Geological & Environmental Sciences, Stanford University; comunicación personal, julio de 2006).

(ii) Estabilidad

La formamida cumple los criterios de estabilidad requeridos. Este tema debe considerarse en relación con la química del cianuro de hidrógeno (HCN). Desde el experimento fundamental de Orò sobre la síntesis de adenina a partir de HCN, se dedicaron numerosos estudios a evaluar el papel de este compuesto en el origen de los ácidos nucleicos primordiales . Sin embargo, quedan dos problemas por resolver en la relevancia prebiótica de la química del HCN (i) la inestabilidad termodinámica del HCN en condiciones hidrolíticas, (ii) el estrecho panel de nucleobases, limitado sólo a las purinas que pueden formarse por su proceso de condensación. En la perspectiva de esta última observación, se propuso un precursor totalmente purínico de los ácidos nucleicos, en el que las pirimidinas presentes en los ácidos nucleicos existentes serían sustitutos postenzimáticos de sus purinas isoelectrónicas e isogeométricas . El HCN es un gas en una amplia gama de condiciones ambientales. Así, la química del HCN en solución homogénea (el escenario químico prebiótico ampliamente aceptado en la Tierra primitiva) requiere en primer lugar la absorción en agua. Tras el proceso de adsorción compiten la polimerización y la hidrólisis del HCN, cuyos resultados vienen determinados por su concentración. Las dos reacciones son equivalentes a concentraciones de HCN entre 0,01 y 0,1 M (entre pH 8 y 9). La hidrólisis a formamida (Figura 1, ecuación A) predomina en las soluciones diluidas, mientras que la polimerización toma el relevo a concentraciones más elevadas . La concentración de HCN en estado estacionario en el océano primitivo se calculó, sobre la base de las tasas estimadas de su producción e hidrólisis, para ser a pH7 4 × 10-12 M a 100°C y 2 × 10-5 M a O°C. Estas concentraciones son demasiado bajas para que se produzca la polimerización a nucleobases, favoreciendo así la hidrólisis a formamida .

Como el HCN es más volátil que el agua, no puede concentrarse por simple evaporación a un pH inferior a su pKa (9,2 a 25°C). Esto sugirió la congelación eutéctica como medio para que el HCN alcanzara la concentración suficiente para la polimerización.

En el mismo estudio, la tasa de hidrólisis (y la concentración en estado estacionario) de la formamida a formiato de amonio (Figura 1, ecuación B) también se estimó en 2 × 10-18, 1 × 10-15 y 1 × 10-9 M, a 200, 100 y 0°C respectivamente, asumiendo que en el océano primitivo la formamida se formaba sólo por hidrólisis de HCN.

Sobre la base de estos datos, los autores sugieren que «es poco probable que la formamida pudiera haber desempeñado un papel significativo en la química prebiótica», ¡una frase bastante definitiva para este compuesto!

Sin embargo, esta suposición no tiene en cuenta que (i) la formamida puede formarse a partir de compuestos prebióticos ampliamente difundidos en la Tierra primitiva distintos del HCN, y (ii) que la formamida es líquida bajo una amplia gama de valores de temperatura y presión, con un punto de ebullición de 210°C y efectos azeotrópicos muy limitados . Así, a diferencia del HCN, la formamida en un modelo de laguna de secado puede concentrarse fácilmente, aumentando su estabilidad al concentrarse y proporcionando la concentración adecuada para que se produzca la polimerización a nucleobases. La hidrólisis de la formamida en agua fue revisada mediante el estudio del efecto isotópico cinético del deuterio del disolvente. Este análisis proporcionó un valor de la constante khyd de 1,1 × 10-10 s-1, que corresponde a un t1/2 de aproximadamente 200 años a 25°C y pH 7,0 .

(iii) Reactividad

Como compuesto orgánico capaz de generar «in situ» muchas otras sustancias químicas simples útiles para la síntesis de nucleobases, la formamida puede considerarse como un precursor prebiótico multifuncional. La proporción de los precursores producidos depende de las condiciones ambientales específicas.

A 190-210°C bajo presión atmosférica la formamida se descompone térmicamente en amoníaco (NH3) y monóxido de carbono (CO) (Figura 1, ecuación C) o en HCN y agua (Figura 1, ecuación D). La formación de HCN suele verse favorecida en presencia de catalizadores adecuados, es decir, con óxidos de aluminio el rendimiento a temperaturas entre 400°C y 600°C es >90%, mientras que en ausencia de catalizadores predomina la reacción que forma NH3 y CO . También se detectan otros productos de descomposición. Estos incluyen derivados poliméricos del cianuro de hidrógeno que pueden producir nucleobases en condiciones hidrolíticas. Debido a su alta constante dieléctrica, la formamida es además un excelente disolvente tanto para los óxidos metálicos como para las sales inorgánicas, que pueden actuar como catalizadores durante los procesos de condensación a nucleobases.

Así, la composición de una mezcla de reacción basada en la formamida como componente principal está sintonizada por la composición del reactor ambiental que proporciona, a diferencia del HCN, todos los precursores prebióticos necesarios para la síntesis de nucleobases tanto de purina como de pirimidina. La composición del panel de los productos predominantes depende de las propiedades físicas y químicas específicas de los catalizadores presentes en el medio de reacción, como se detalla a continuación.

La síntesis de precursores nucleicos a partir de formamida

Bases nucleicas, un aminoácido y un agente condensador

Bases nucleicas

Hemos observado que la formamida tiene la propiedad única de condensar en nucleobases de purina y pirimidina simplemente al calentar a 110-160°C en presencia de óxidos metálicos y minerales ampliamente difundidos . Los productos obtenidos se enumeran en la Tabla 1, cruzados con los catalizadores ensayados y agrupados en función de la complejidad creciente (aproximada). La purina es el único compuesto obtenido al calentar la formamida en ausencia de catalizadores. Los aspectos más relevantes de este amplio conjunto de productos son:

– el panel de compuestos obtenidos en presencia de cada catalizador es «limpio». Se observan pocos productos, en algunos casos la síntesis es muy específica, como en el caso del mineral de fosfato piromorfita que produce exclusivamente citosina o en el caso de la childrenita que produce casi sólo N-formilglicina. En otros casos se obtienen paneles más ricos de productos, como con el pirofosfato Na4P2O7 que produce (además de la purina) adenina, hipoxantina (un bioéster de la guanina), uracilo, citosina, N-formilglicina y carbodiimida; y con TiO2 que produce (además de la purina) adenina, N9-formilpurina, N9-N6-diformiladenina, citosina, timina y 5-hidroximetiluracilo.

– Bastante interesante es que el TiO2 también cataliza la síntesis de acyclonucleósidos de purina (no reportados en la Tabla 1, ver Ref 23). Esta observación es de particular relevancia prebiótica debido a la conocida dificultad de construir bajo condiciones prebióticas el enlace β-glicosídico entre nucleobases y azúcares sintetizados por separado. De todos modos, incluso en el caso de mezclas relativamente más complejas, los perfiles de los productos mantienen su carácter de pulcritud y no suelen contener productos de degradación ni clases adicionales de compuestos.

Glicina y carbodiimida

El derivado de α-aminoácido N-formilglicina se detectó en síntesis basadas en formamidas catalizadas por fosfato-minerales, a menudo acompañadas de carbodiimida . La síntesis de carbodiimida, que es un agente importante para la condensación de aminoácidos en péptidos, podría ser responsable de la formación de formilglicina a partir de glicina generada in situ , lo que sugiere un papel para el sistema formamida-fosfato en la síntesis prebiótica de péptidos.

También se observan intermediarios de las vías sintéticas para componentes de ácidos nucleicos existentes, es decir 4-aminoimidazol-5-carboxamida (AICA), 4-formilaminoimidazol-5-carboxamida (f-AICA) y 5-hidroximetiluracilo.

Los mecanismos químicos en los que se basan todas estas síntesis se describen y discuten críticamente en .

El concepto de quimimesis como selector de precursores prebióticos

Como se ha mencionado anteriormente, la identidad de los primeros precursores prebióticos de los ácidos nucleicos es todavía un argumento de debate. Por otra parte, el análisis del mecanismo de reacción de las moléculas orgánicas simples revela casos en los que también se producen intermedios clave correspondientes a los observados en las vías biológicas existentes. El concepto de quimimesis se aplica a estas correspondencias. Este término, introducido por primera vez por Eschenmoser y Loewenthal en 1992, se refiere generalmente a una vía de reacción química que puede utilizarse como plantilla para los procesos enzimáticos que aparecerán posteriormente en la evolución, dando lugar a los mismos productos finales. Esta propiedad puede, en principio, distinguir dos clases de precursores prebióticos: los precursores que son capaces de generar un proceso quimimimético de los que no lo son. La química de la formamida muestra interesantes casos de quimimesis.

Como ejemplo, la 5-aminoimidazol-4-carboxamida (AICA) y la 5-formamido-imidazol-4-carboxamida (f-AICA), obtenidas en alto rendimiento además de la hipoxantina al calentar la formamida en presencia de montmorillonitas (Tabla 1), son también intermedios clave (como ribonucleótidos-5′-monofosfatos) en los últimos pasos de la biosíntesis existente de inosina-5′-monofosfato (IMP), la principal ruta hacia los nucleótidos de purina en la célula (Figura 2).

De forma similar, la adición de formaldehído a un andamio de uracilo preformado durante la síntesis de timina a partir de formamida y TiO2 es un paso clave para la introducción de la fracción de metilo, de acuerdo con la biosíntesis existente de timidina. En esta reacción se añade una unidad de formaldehído a la uridina, enmascarada como la unidad de metileno activada del tetrahidrofolato de metilo (MTHF) para dar 5-hidroximetiluracilo-5′-monofosfato (HMU-5′-monofosfato). La timidina se obtendrá mediante sucesivos reordenamientos por desplazamiento de hidruros.

La posibilidad de que los primeros acontecimientos químicos desempeñaran el papel de plantillas para el desarrollo de vías enzimáticas más complejas (pero también más eficientes y selectivas) es un concepto fascinante que debe evaluarse más a fondo en el estudio de la evolución molecular de los polímeros informativos.

Problemas en la polimerización prebiótica

Precursores activados

La evolución de la información genética basada en polímeros lineales implica un mecanismo de reproducción mediado por plantillas. La reproducción por plantillas permite mantener la información acumulada y modificarla ocasionalmente, estableciendo así reglas evolutivas de base química. Se han descrito sistemas de autorreplicación no enzimáticos basados en la síntesis de oligonucleótidos dirigida por plantillas (entre los que se encuentran los descritos en , revisados en ), proporcionando la prueba de principio de la plausibilidad de este mecanismo general. Los primeros polímeros pregenéticos no estaban necesariamente formados por los restos de azúcares que componen los actuales ácidos nucleicos, ni los nucleósidos estaban conectados a la fuerza por los enlaces fosfotónicos que conocemos hoy en día. Se han realizado análisis exhaustivos de las posibles alternativas. Sin embargo, en ausencia de evidencias directas o de indicios sólidos de lo contrario, se asume con seguridad que la evolución genética se originó en base a polímeros similares al ARN, que la ribosa y los enlaces fosfodiésteres fueron los componentes reales cuyas propiedades permitieron e iniciaron la evolución, que los caballos moleculares no fueron cambiados durante el recorrido. Las razones que favorecen el fosfato como un elemento de conexión están bien establecidas.

Un problema general deriva del hecho de que la formación de un enlace fosfodiéster es termodinámicamente cuesta arriba. Así, la síntesis prebiótica sin proteínas dirigida por plantillas de oligonucleótidos ligados a fosfodiésteres requirió muy probablemente el uso de nucleótidos activados químicamente.

Fosforilación de nucleósidos catalizada por formamida

La relevancia prebiótica de los mecanismos propuestos para la producción de nucleósidos activados es cuestionable . La observación, por otra parte importante, de que secando el nucleósido activado químicamente 5′-fosforimidazolide-adenosina (ImpA) sobre la superficie de una arcilla de Montmorillonita un decanucleótido preabsorbido podía alargarse hasta 30 nucleótidos adicionales y resultados similares en sistemas comparables en , sufren la misma limitación. Por lo tanto, es probable que esté implicado un mecanismo catalítico eficiente y robusto para la activación (posiblemente fosforilación) de los nucleósidos. Hemos observado que la fosforilación de nucleósidos se produce fácilmente en presencia de formamida y de un donante de fosfato. El donante podía ser un monofosfato, di-fosfato o tri-fosfato soluble; o un nucleósido fosforilado diferente; o uno de los diversos minerales de fosfato cristalinos entre los que se encuentran la hidroxilapatita, la libethenita y la pseudomalaquita (datos no detallados, presentados para su publicación en otro lugar). La fosforilación se produjo en los átomos C 5′, 3′ o 2′ de la fracción de ribosa, y 2′:También se observaron formas de fósforo cíclico 3′ y 3′:5′. Basándose en la innovadora observación de Orgel de que los difosfatos dinucleósidos se formaban a partir del fosfato cíclico 2′:3′ de adenosina, este sistema de ribonucleótidos de fosfato cíclico es de posible relevancia prebiótica particular.

Acuoso frente a no acuoso

La formación químicamente relativamente fácil de polímeros lineales a partir de precursores activados no resuelve el problema de su origen. El problema del cambio de energía libre de Gibbs en estado estándar (ΔG°’), evaluado críticamente por van Holde , y la inestabilidad intrínseca de los polímeros en solución limitan la formación y la supervivencia de los polímeros en entornos acuosos. El problema de ΔG°’ es el mayor obstáculo para las polimerizaciones en fase líquida en condiciones prebióticas.

La fosforilación de nucleósidos en superficies minerales mencionada anteriormente se obtuvo en presencia de formamida. Así, los monómeros nucleósidos activados pueden formarse en un medio líquido no acuoso en condiciones compatibles con la termodinámica de la polimerización, proporcionando una solución operativa. Si la formamida proporcionara precursores activados por fosforilación de nucleósidos y permitiera su polimerización por una simple reacción de trans-fosforilación (un proceso aún hipotético pero químicamente plausible), el factor limitante para la evolución de las moléculas pre-genéticas se convertiría en la estabilidad de las formas polimerizadas resultantes. En otras palabras, al considerar las condiciones en las que los polímeros pregenéticos podrían polimerizarse, replicarse y evolucionar de forma espontánea, los parámetros físico-químicos que favorecen o permiten la supervivencia del propio estado polimérico son de vital importancia. De ahí el interés de definir los nichos termodinámicos iniciales en los que el estado polimérico podría haber sido favorecido sobre el monomérico.

Estos nichos fueron identificados tanto para los sistemas desoxirribo como ribo, mostrando que combinaciones definidas de temperatura y disolvente favorecen el estado polimérico. Estos nichos son notablemente más amplios para el ARN que para el ADN (cfr. datos en versus ).

En el marco de la hipótesis del «mundo del ARN», este hallazgo muestra que además de las tres propiedades importantes del ARN debe considerarse también la propiedad de la persistencia favorecida. Esta cuarta propiedad consiste en el conjunto de parámetros termodinámicos y cinéticos relativos al proceso de polimerización y a la estabilidad de los polímeros. Las condiciones que favorecen la persistencia oligomérica podrían proporcionar información sobre el entorno en el que las moléculas ur-genéticas llegaron a existir y sobrevivieron.

La estabilidad como fenotipo crítico para la evolución de los polímeros informativos

Al reconstruir el paso de los monómeros a los polímeros portadores de información que conocemos en la actualidad, y resumiendo los datos reportados anteriormente, hemos observado que la formamida 1) se condensa en todas las bases nucleicas necesarias para formar los ácidos nucleicos actuales. Este proceso sólo requiere una temperatura moderada (110-160°C) y catalizadores fácilmente disponibles. 2) Se forman varios compuestos que encierran un enlace β-glicosídico oculto, resolviendo potencialmente el rebusque químico planteado por la no reactividad de las bases nucleicas con los azúcares. 3) Se observó la fosforilación basada en formamidas de nucleósidos preformados (datos presentados en otro lugar), proporcionando una solución plausible al problema del mecanismo químicamente robusto necesario para una producción no fastidiosa de alto rendimiento de precursores activados. La formación de polímeros podría ser una hipótesis a través de un proceso de trans-fosforilación dirigido por una plantilla. La plantilla adecuada podría ser proporcionada por una superficie mineral o por polímeros nucleicos. Estos procesos proporcionan un marco de química simple en el que se han descrito todos los pasos desde el compuesto de un átomo de carbono H2NCOH hasta los nucleótidos activados. Todas estas reacciones requieren formamida como material de construcción y/o como catalizador.

Sin embargo, los organismos existentes viven en agua, no en formamida. Y la estructura y las propiedades de los ácidos nucleicos insinúan con fuerza que la interacción con el agua es una de sus propiedades más íntimas. ¿En qué momento pudo producirse el paso de un entorno de formamida a agua?

En este punto estamos en terreno hipotético. Partamos de un modelo en el que la síntesis de un ribo oligonucleótido se ha producido mediante la conexión de nucleósidos pre-sintetizados ], fosforilados por fosforilación catalizada por formamida y unidos por trans-fosforilación catalizada por formamida (hipotético). Los puentes fosfodiésteres entre nucleósidos podrían haberse producido entre monómeros unidos como unidades individuales en superficies minerales de fosfato, proporcionando tanto una fuente de restos de fosfato como un ordenamiento espacial correcto. La distancia P-P en un ácido nucleico estirado es de 9,15 Å, en buena correspondencia con las dimensiones de la célula cristalina de los minerales de fosfato, cuyos valores a y b en un gran número de minerales diferentes están comprendidos entre 6 y 10 Å (etapa de primera generación). Alternativamente, o en una etapa posterior, se habrían formado puentes de fosfodiéster entre monómeros activados unidos como unidades individuales en la plantilla de ácido nucleico (etapa de segunda generación). Ambas etapas requieren formamida como producto químico impulsor de la formación de puentes de fosfato.