Este grupo de investigación aborda fundamentalmente el estudio de aspectos relativos a los posibles orígenes de la vida y su evolución en la Tierra, así como cuestiones relacionadas con el incremento de la complejidad molecular y la habitabilidad de otros entornos planetarios del Sistema Solar, desde una perspectiva totalmente transdisciplinar. Consideramos una conexión entre disciplinas cuya complementariedad en el contexto de la astrobiología no ha sido suficientemente desarrollada hasta la fecha, como son la química prebiótica, la físico-química de superficies, la termodinámica del no-equilibrio, y la teoría de la complejidad. Nuestras herramientas experimentales van desde el trabajo experimental simulando condiciones de la Tierra primitiva hasta entornos planetarios del Sistema Solar, prestando especial atención a las interfases acuosas y a las interacciones orgánico-mineral bajo una atmósfera controlada. El trabajo teórico se fundamenta por un lado en la modelización matemática de procesos complejos, haciendo uso de herramientas propias de la mecánica estadística, la teoría de redes complejas y la teoría de juegos, y por otro en trabajo computacional apoyado en el uso de datos reales.
Estudiar aquellos aspectos críticos que pudieron conducir a la aparición de una bioquímica primigenia, tales como el aumento de la complejidad molecular, la generación de sistemas macromoleculares con capacidad catalítica, el desarrollo de sistemas protometabólicos, el origen de la ruptura de la simetría quiral, o la autoorganización de biomoléculas en superficies.
Analizar el origen y evolución de la vida como procesos complejos y emergentes, haciendo uso de la teoría de la complejidad y las redes complejas.
En particular, nos interesa la química prebiótica que comprende todos los procesos físico-químicos naturales que tienen lugar dentro de un ambiente planetario, desde su formación hasta la emergencia del primer sistema autorreplicativo en el cual empezaron a operar procesos de selección darwiniana. Además, nos centramos en el estudio del origen y evolución de la complejidad física, química y biológica que ha caracterizado a la vida desde su origen hasta nuestros días.
Intentamos encauzar algunas cuestiones importantes aún no resueltas. Entre ellas:
La generación de moléculas orgánicas a partir de precursores muy sencillos como CH4 o HCN.
La producción de biomonómeros tales como amino ácidos, bases nucleicas o azúcares bajo potenciales condiciones prebióticas.
La síntesis de sistemas oligoméricos y sistemas macromoleculares con propiedades catalíticas y/o informacionales.
El origen de la homoquiralidad de los compuestos bio-orgánicos actuales.
El estudio de la interacción, reactividad y preservación de biomoléculas simples en superficies minerales y sus implicaciones en la química prebiótica y la exploración planetaria.
La caracterización molecular y el efecto de los parámetros fisicoquímicos en entornos planetarios simulados en cámaras de simulación planetaria.
El origen de la complejidad en las diferentes etapas evolutivas y a diferentes escalas del largo camino desde la creación de los ladrillos moleculares básicos de la vida en el medio interestelar y posteriormente en la Tierra primitiva hasta la compleja interacción entre los organismos de la biosfera actual.
Laboratorio de Química Prebiótica (coordinadora: Marta Ruiz Bermejo)
Química prebiótica en superficies: Interacción, reactividad y catálisis de biomoléculas sobre superficies minerales (coordinadora: Eva Mateo-Marti).
Aspectos teóricos de la química prebiótica y el origen de la homoquiralidad biológica (coordinador: David Hochberg).
Estudio del origen y evolución de la vida desde la perspectiva de la teoría de la complejidad y las ciencia de las redes (Grupo de Complejidad y Astrobiología, coordinador: Jacobo Aguirre)
Estudiar los procesos de aumento de la complejidad molecular a partir de moléculas muy sencillas y su posterior evolución química es clave para entender los mecanismos que pudieron conducir a la aparición de la vida en la Tierra. Desde un punto de vista químico, el origen de la vida es un gigantesco problema de retrosíntesis. Partiendo de estas ideas, en el Laboratorio de Química Prebiótica sintetizamos mezclas orgánicas complejas, principalmente, a partir de gases y disoluciones acuosas salinas. A su vez, también generamos sistemas macromoleculares por activación térmica de determinadas moléculas consideradas como prebióticas. En este tipo de experimentos se recrean posibles condiciones físico-químicas de la Tierra primitiva, pero también de otros entornos planetarios del Sistema Solar. Las moléculas clave en nuestros estudios sobre evolución química son el CH4, el HCN (y sus sales solubles e insolubles como el NaCN y el Azul de Prusia) y el tetrámero de esta última molécula, el diaminomaleonitrilo (DAMN). Las características de las mezclas orgánicas que se obtienen a partir de ellas son directamente dependientes de las condiciones de síntesis, las cuales favorecen la generación de unas moléculas frente a otras o la producción de sistemas macromoleculares insolubles frente a oligómeros solubles. En la gran mayoría de nuestros experimentos el agua juega un papel fundamental. En concreto, simulamos condiciones de sistemas hidrotermales y estudiamos el efecto de las interfases acuosas (aire-agua y hielo-agua líquida) ya que éstas modifican notablemente la naturaleza de los productos finales. Por otra parte, también realizamos estudios sobre la influencia de los minerales en este tipo de reacciones en disolución acuosa. De este modo, para comprender como fue/es posible generar una bioquímica primigenia, nuestra metodología se centra en:
Sintetizar mezclas complejas a partir de precursores prebióticos como el CH4, el HCN y sus derivados.
Analizar mediante técnicas cromatográficas (GC-MS y HPLC) los crudos de reacción para la identificación de biomonómeros tales como aminoácidos, bases nucleicas y azúcares, así como cofactores, ácidos carboxílicos o bases no canónicas.
Identificar los mecanismos de reacción de estos procesos complejos y como las condiciones de reacción son capaces de modificarlos.
Buscar posibles componentes de sistemas protometabólicos y detectar procesos oscilantes en nuestros sistemas de alta complejidad molecular.
Estudiar las propiedades catalíticas y re-dox de los productos obtenidos.
Detectar y producir vesículas bajo potenciales condiciones prebióticas.
Nuestro objetivo son estudios que nos ayudan a comprender las directrices que gobiernan la adsorción molecular en superficies, controlar procesos de interacción biomolécula/mineral y entender qué condiciones y especies químicas fueron más favorables para el desarrollo de la química prebiótica y catálisis en superficies minerales en el origen de la Vida. Para ello realizamos el estudio y caracterización de los procesos de adsorción y reactividad química de biomoléculas sobre superficies metálicas y minerales, mediante avanzadas técnicas de caracterización de superficies. Un segundo objetivo es estudiar la función que las superficies minerales, ofrecen para catalizar la formación de compuestos orgánicos prebióticos, como posible fuente de energía y catalizadores en los primeros estadios de formación de moléculas orgánicas complejas. Estudiar, por tanto, cómo las superficies pueden tener un papel crucial para catalizar reacciones de dichas moléculas sencillas en los procesos prebióticos. Estos estudios se realizan de manera experimental en el sistema de ultra alto vacío: espectroscopías y microscopías en superficies (SMS) y en la cámara de simulación de atmósferas y superficies planetarias (PASC), equipos ubicados en el laboratorio de simulación planetaria en CAB. Dichos estudios contribuyen a la comprensión de la reactividad química molecular y del papel que los minerales podrían haber desempeñado en la química prebiótica y en la exploración planetaria.
Para ello centramos nuestros estudios en:
La dosificación y adsorción de aminoácidos y moléculas sencillas sobre superficies minerales en condiciones de ultra alto vacío y simulación planetaria.
La caracterización físico-química de la interacción y reactividad biomolécula/superficie mediante espectroscopias en superficies (XPS, IR y Raman).
El estudio de catálisis y/o preservación de moléculas en superficies minerales sometidas a condiciones de simulación planetaria.
La química de la vida tal y como la conocemos está basada en una asimetría excepcional. A saber: una molécula cuya estructura geométrica no es idéntica a su imagen especular posee “quiralidad”. Las estructuras de la imagen especular de una molecular quiral se llaman enantiómeros. Así como distinguimos la mano derecha de la mano izquierda, las dos estructuras moleculares relacionadas por su imagen especular se identifican como el enantiómero-L (de “levo”) y el enantiómero-D (de “dextro”). Los aminoácidos, los ladrillos que conforman las proteínas, y la desoxirribosa en el ADN, son moléculas quirales. Según Francis Crick, “el primer gran principio unificador de la bioquímica es el hecho de que todas las moléculas claves tienen la misma quiralidad (“handedness”) en todos los organismos.” Esta propiedad se conoce como la homoquiralidad biológica. Esta asimetría de la bioquímica fue descubierta por Louis Pasteur en 1857. Casi 170 años después, su origen sigue siendo un enigma y ha dado lugar a una apasionante área de investigación activa que se beneficia de la interacción entre la química y la física.
Para resolver este problema, centramos nuestro trabajo en los siguientes objetivos:
El Criterio General de Evolución y el origen de la homoquiralidad biológica. La evolución química hacia la bioquímica y los primeros seres vivos primitivos involucra procesos físico-químicos alejados del equilibrio que disipan energía al entorno. Los teoremas de la termodinámica del no-equilibrio determinan cómo debe evolucionar esta disipación en el tiempo, en dichos sistemas, lo cual nos aporta una ventana cuantitativa importante a la dinámica de la evolución química. Estudiamos redes químicas prebióticas que dan lugar a la homoquiralidad y el papel que juega el Criterio General de la Evolución.
Transferencia “top-down” de la quiralidad en el autoensamblaje molecular mediante vórtices hidrodinámicos en 3D. La vorticidad neta en flujos secundarios en sección en reactores con geometría helicoidal se transmite a una quiralidad neta al nivel molecular durante el autoensamblaje en dichos vórtices. Empleamos la simulación numérica de campos de flujos en función de reactores con distintas geometrías, y la resolución de ecuaciones de reacción-difusión-advección.
Aspectos teóricos de la química prebiótica y la amplificación quiral. Estudiamos sistemas de reacción auto-catalíticos, sistemas auto-replicativos químicos, y sistemas que conducen a la ruptura espontánea de la simetría quiral, como precursores del origen de la homoquiralidad biológica. Empleamos redes de reacciones en distintas arquitecturas y estudiamos sus propiedades de estabilidad dinámica, sus propiedades críticas, el papel del ruido y fluctuaciones intrínsecas y extrínsecas, y su evolución espacio-temporal. Otros temas que abordamos son las condiciones impuestas por la termodinámica de sistemas alejados del equilibrio y los aspectos entrópicos de la ruptura de la simetría quiral en moléculas, y la influencia de fuerzas físicas quirales fundamentales como la violación de la paridad en la fuerza electrodébil.
La interacción, colaboración y competición entre diferentes agentes representan las principales fuerzas impulsoras detrás de la evolución de los sistemas biológicos, sociológicos y tecnológicos que nos rodean. Igualmente, muchos sistemas astrobiológicos son tan complejos que para representarlos debemos utilizar redes complejas formadas por multitud de nodos y sus interacciones. Desde esta perspectiva, el objetivo del Grupo de Complejidad y Astrobiología del CAB es crear un puente entre la teoría de la complejidad y la astrobiología para arrojar luz sobre uno de los contextos científicos más desafiantes de nuestro siglo: el origen de la vida y su evolución hacia la complejidad actual de la biosfera.
Para ello, centramos nuestro trabajo en tres objetivos:
La aparición de complejidad molecular en el medio interestelar durante la creación de compuestos orgánicos relevantes para la química prebiótica.
Los primeros procesos químicos prebióticos que tuvieron lugar en la Tierra a partir de dichos compuestos (traídos a su superficie por el impacto de meteoritos y cometas) y que dieron lugar al origen de la vida, con el fin de discernir si las propiedades básicas de la vida -tales como las creación de diversidad, la herencia y la replicación- pueden emerger de forma natural en un modelo suficientemente simple.
El estudio de la evolución de poblaciones heterogéneas (secuencias de ARN, virus y bacterias) en el marco del mundo de RNA y la bioquímica actual, como paradigmas de las entidades biológicas autónomas más simples.
Nuestra investigación se lleva a cabo en estrecha coordinación con experimentales, haciendo hincapié en las aplicaciones prácticas y biomédicas de las predicciones teóricas.
Email: prayo (+@cab.inta-csic.es)
