Mass Effect y la quiralidad (2)

Recapitulando mi artículo anterior, los aminoácidos que forman nuestras proteínas vienen en dos variedades (enantiómeros) que tienen los mismos átomos pero ordenados de forma reflejada llamados L-aminoácidos y D-aminoácidos. Son como las manos; ambas tienen cuatro dedos y un pulgar pero ordenados de forma distinta tal que uno puede diferenciar, sin dificultad, una mano izquierda de una derecha.

Lo que es interesante es que la vida en la Tierra, con muy pocas excepciones, utiliza exclusivamente L-aminoácidos. ¿Esta homoquiralidad será una constante en toda la galaxia? Asumiendo que haya otras formas de vida, ¿utilizarán también los mismos enantiómeros, o estarán intercambiados? ¿Podrá existir alguna forma de vida que no tenga esta preferencia y que viva en un medio con la misma cantidad de cada versión (es decir, un medio racémico?

En general se piensa que no. La replicación del ADN en un medio racémico parece muy difícil ya que los errores serían muy altos. Por lo tanto, se puede argumentar que la homoquiralidad es un prerrequisito para la vida. Cómo es que ésta surgió es un tema todavía abierto y muy interesante con varias explicaciones propuestas.

Explicación 1: Un feliz accidente.

En este artículo los autores argumentan que en presencia de actividad biológica, cualquier pequeño exceso enantiomérico se incrementaría hasta que sólo quedara una de las dos formas. Esto sucede por un proceso llamado inhibición cruzada enantiomérica. La unión de aminoácidos en largas cadenas de proteínas se ve cortado cuando en un extremo se encadena un aminoácido de quiralidad opuesta. A su vez, las cadenas largas de aminoácidos pueden comenzar la producción de aminoácidos de su misma quiralidad.

Es decir, largas cadenas de L-aminoácidos fabrican más L-aminoácidos, mientras que largas cadenas de D-aminoácidos fabrican más D-aminoácidos. A su vez, la presencia de L-aminoácidos dificulta la creación de largas cadenas de D-aminoácidos y viceversa. Esto hace que un pequeño exceso en la cantidad de alguno de los dos tipos de aminoácidos luego de cierto tiempo se transforme en una gran diferencia y finalmente en la extinción de los aminoácidos del otro tipo.  Es algo así como cuando si un gallo pone un huevo en el borde de un techo a dos aguas y un pequeño corrimiento hacia la izquierda o derecha resultan en finales completamente distintos. Un equilibrio inestable.

Según en este modelo, en los primeros momentos de la vida de la Tierra, podrían haber habido continentes enteros con estructura pre-bióticas que usaran D-aminoácidos que eventualmente fueron llevados a la extinción por la proliferación de las formas de vida con L-aminoácidos. ¿Sería posible encontrar, en las profundidades del océano, formas de vida aisladas basadas en D-aminoácidos? Ciertamente es una excitante posibilidad, aunque remota.

Si este es el caso, entonces la prevalencia de D- o L-aminoácidos es accidental y aleatoria. Quizás en otros planetas, incluso dentro de nuestro sistema solar, podrían existir formas de vida, civilizaciones, cuya biología esté basada en D-aminoácidos. En el Mass Effect (ver el post anterior) hay más de una docena de especies pero sólo dos utilizan D-aminoácidos en su biología. Tal disparidad sugiere que en ese universo la preferencia de quiralidad no es aleatoria.

Explicación 2: Inhomogeneidades locales.

Existen procesos que dan preferencia a uno u otro enantiómero. La luz polarizada circularmente y los electrones de espín polarizado, por ejemplo, aceleran las reacciones químicas de forma preferencial según su quiralidad (este paper explora varios de esos procesos). En el espacio interestelar no faltan fuentes de este tipo; es posible, entonces, que vastas regiones de nuestra galaxia, afectadas por una fuente de electrones espín-polarizados o de luz polarizada circularmente estén enriquecidas con un exceso enantiomérico. Regiones distantes podrían estar enriquecidas con distintos enantiómeros.

Esto supondría una alta probabilidad de que la vida en el sistema solar y sus alrededores usaría la misma preferencia. No parece ser el caso en el universo de Mass Effect. El planeta natal de los quarians es Rannoch, que se encuentra prácticamente en al lado opuesto de la galaxia a Palaven, el planeta de los turians. Además Palaven se encuentra muy cerca de la Tierra.

Explicación 3: Una preferencia del Universo.

Pero también es posible de que la preferencia por L-aminoácidos sea una propiedad intrínseca del universo. Esta posibilidad es una de las más interesantes ya que relaciona a la biología con la física fundamental. En física hay tres simetrías: las leyes físicas no cambian si se invierten las coordenadas (Paridad), el sentido del tiempo Tiempo o la Carga electromagnética. El Teorema de simetría CPT dice que las leyes de la física se conservan si se realizan las tres transformaciones pero se sabe que existen violaciones de C, CP (que por el teorema CPT implica también violación de T) y, más importante para nuestro tema, de P.

La violación de la simetría P significa que, de alguna manera, las leyes físicas hacen diferencia entre la izquierda y al derecha. Esto es algo notable pero también sirve para encontrar explicaciones plausibles para la homoquiralidad. Existe una diferencia de energía por la violación de la paridad (PVED, por sus siglas en inglés) que es del orden de los 10^-19 eV. Los L-aminoácidos, entonces, tienen menor energía, lo que los haría más estables que su contraparte. Esta diferencia, sin embargo, es muy pequeña y todavía hay debate sobre si es suficiente para explicar la homoquiralidad. Un extenso resumen profundo sobre esta temática puede leerse en este artículo de Laurence Barron.

De estas tres posibilidades, me parece que la más congruente con los hechos del Mass Effect es que la homoquiralidad se deba a la violación de la Paridad. En el universo del juego la gran mayoría de las especies usan L-aminoácidos y las dos únicas excepciones podrían ser explicadas por características locales.

La vida desde el cielo

Por desgracia, en la vida real la explicación de la homoquiralidad de la vida se nos sigue escapando. Sin embargo existen observaciones que podrían darnos pistas que favorezcan una u otra explicación. Además de el descubrimiento de una vasta comunidad galáctica de extraterrestres, una de estas observaciones es la del análisis molecular de meteoritos.

Cada año caen a la Tierra entre 37.000 y 78.000 toneladas de materia extraterrestre, mayormente en forma de polvo. Sin embargo es posible encontrar rocas de tamaño considerable que pueden ser recolectadas y analizadas. Si se pudiera encontrar aminoácidos en ellas podríamos ver la distribución de aminoácidos es uniforme o está sesgada. El primer caso favorecería la Explicación 1, en el que la decisión biológica de usar L- o D-aminoácidos es simplemente una cuestión de azar, mientras que el segundo caso favorecería la Explicación 2 o 3, según las cuales hay una preferencia hacia una de las dos versiones, ya sea local o universal.

Por desgracia, según me parece, la evidencia es inconclusa. Existen meteoritos, como el famoso Meteorito Murchison, contienen un exceso de L-aminoácidos, incluso en aminoácidos que no son utilizados por la biología. ¡Evidencia en contra de la aleatoriedad de la homoquiralidad! Pero tampoco faltan meteoritos, como uno caído en 2008, que muestran una mezcla homogénea de aminoácidos, ¡evidencia en contra de una preferencia universal o local!

Lo que estos meteoritos nos muestran sin lugar a dudas es que las moléculas básicas de la vida pueden sintetizarse naturalmente en el espacio exterior, lo cual tiene implicaciones para la investigación sobre el inicio de la vida.

Pregunta sin respuesta

En resumen, todavía no sabemos por qué la biología en la Tierra usa sólo L-aminoácidos ni sabemos si puede existir una civilización extraterrestre que utilice sólo la versión opuesta. Es uno de los fascinantes temas abiertos de la ciencia que abarca tanto la biología como la física elemental.

Lo que sí sabemos es que en el universo del Mass Effect no sólo hay civilizaciones que usan D-aminoácidos sino que éstas tienen contacto rutinario con nosotros. ¿Qué resultaría de un contacto de este tipo? Para no fastidiar al lector, eso quedará para el próximo post.

Mass effect y la quiralidad
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