La química se centra en la creación de nuevas entidades (moléculas, materiales, sistemas), quizás más que cualquier otra ciencia. A lo largo de los siglos, los químicos han aprendido a sintetizar moléculas de impresionante complejidad. Con la llegada de la química de sistemas, el ámbito de la química se ha ampliado para incluir también el diseño y la síntesis de sistemas de moléculas que albergan propiedades a nivel de sistemas que van mucho más allá de la suma de sus partes (es decir, propiedades emergentes). Entre las propiedades más intrigantes y desafiantes se encuentra la vida. La vida representa un enorme desafío sintético, considerado intratable durante muchos años. Sin embargo, con los recientes avances en metodología sintética, química supramolecular y herramientas analíticas y una mejor comprensión de la bioquímica y la evolución, se están abriendo oportunidades para crear nuevas formas de vida, que no necesariamente están constituidas por los tipos de biomoléculas que se encuentran en la vida existente. (es decir, proteínas, ácidos nucleicos, etc.). Los enfoques para la vida de novo difieren de los esfuerzos por crear células sintéticas con el objetivo de construir vida desde cero, utilizando bloques de construcción fabricados por el hombre en lugar de moléculas obtenidas de la vida actual. Los esfuerzos dirigidos a la síntesis de la vida también informarán sobre los posibles orígenes de la vida en la Tierra.
Aunque el desarrollo de la vida de novo no está necesariamente guiado o limitado por cuestiones de relevancia prebiótica y consideraciones geoquímicas, los principios y conceptos generales descubiertos en el proceso bien pueden extenderse al origen de la vida actual.Abordar el desafío de la síntesis de novo de la vida comienza con la definición del objetivo. Si bien no existe una definición de vida generalmente aceptada,
Un enfoque pragmático para definir este objetivo es enumerar las características clave (funcionales) que cualquier forma de vida debe abarcar. Estas características se resumen en:
(i) Autorreplicación, que es la capacidad de un sistema de catalizar de forma autónoma la formación de copias de sí mismo;
(ii) Metabolismo, que es la capacidad de un sistema de formar sus constituyentes a partir de precursores y conectar el mantenimiento interno del sistema a una fuente de energía externa;
(iii) Compartimentación, que es el medio por el cual un sistema impide la propagación incontrolada de sus componentes a su entorno.
(iv) Estado fuera de equilibrio; la vida requiere un aporte continuo de energía para evitar que colapse en un mínimo termodinámico sin vida.
(v) Evolución darwiniana: el proceso de selección natural entre mutantes que se produce cuando la replicación va acompañada de variabilidad (es decir, mutación).Estas características se superponen en parte; es decir, la implementación práctica de la evolución darwiniana requiere un régimen de reproducción/destrucción, que está inherentemente fuera de equilibrio y la parte del metabolismo que recoge energía también contribuye a mantener los sistemas fuera de equilibrio.Con esta lista de características, se presenta un acercamiento gradual a la síntesis de una forma mínima de vida. Como primer paso, se puede desarrollar un sistema que implemente sólo una de estas características y luego se pueden integrar características adicionales de manera gradual.Se han logrado avances considerables en el desarrollo de sistemas que capturan una de las primeras cuatro de las cinco características enumeradas anteriormente: se han creado moléculas autorreplicantes basadas en muchos diseños moleculares diferentes; se han identificado redes de reacción que permiten aumentar la complejidad química; se han investigado muchas formas diferentes de compartimentación, incluyendo vesículas bicapa, microgotas, coacervados, e incluso absorción en las superficies.
Por último, los sistemas químicos fuera de equilibrio están atrayendo una atención renovada, especialmente en el ámbito del autoensamblaje.
Sólo la implementación de la evolución darwiniana en sistemas químicos fuera del ámbito de la biología/biomoléculas aún no ha recibido mucha atención.
La frontera actual en la síntesis de novo de la vida abarca la integración binaria de diferentes subsistemas; los primeros informes que combinan la replicación (principalmente mediada por enzimas) con la compartimentación o replicación con metabolismo han aparecido. Además, se ha desarrollado una metodología para mantener los compartimentos y replicadores fuera de equilibrio.
Si bien la integración gradual de subsistemas es un enfoque lógico y que vale la pena, no debemos descartar la posibilidad de que puedan surgir en un solo evento sistemas que integren varias de las características de la vida. De hecho, como mostraremos más adelante, las capacidades protometabólicas pueden surgir en sistemas que fueron seleccionados principalmente por su capacidad de autorreplicarse, en un único paso de emergencia conjunto.
Si algún día los humanos logramos sintetizar vida de novo, esto tendrá varias implicaciones. Primero, nos ayudará a comprender qué es la vida. Tener más de una bioquímica debería ayudar a identificar y generalizar las características distintivas de la vida. Este conocimiento también ayudaría a definir el(los) objetivo(s) de nuestra búsqueda de formas de vida extraterrestres.El proceso de creación de vida también informará sobre el camino que se pudo haber recorrido en el surgimiento de la vida en la Tierra. Aunque los esfuerzos por sintetizar vida no están necesariamente dirigidos por la bioquímica actual o la geoquímica prebiótica, tener uno (o más) caminos sintéticos que conecten la química con la biología podría ayudar a identificar una ruta análoga que sea compatible con las condiciones de la Tierra primitiva y que converja. sobre la bioquímica existente. Es posible que ya se obtengan algunas ideas potencialmente útiles sobre la aparición prebiótica de los sistemas autocatalíticos a partir del trabajo descrito en esta Cuenta. Por ejemplo, encontramos que los sistemas autocatalíticos surgen espontánea y fácilmente en mezclas donde los monómeros se oligomerizan de manera reversible, siempre que estos oligómeros sean capaces de autoensamblarse. Esta observación sugiere que la autocatálisis puede ser más fácil de lograr de lo que se pensaba anteriormente, dado que la oligomerización reversible y el autoensamblaje son fenómenos bastante generales y extendidos. Nuestro trabajo también ha demostrado que este mecanismo puede conducir a la formación autocatalítica de matrices unidimensionales de ácidos nucleicos.
Tales matrices pueden ser un trampolín hacia sistemas en los que se replican secuencias de ácido nucleico dentro de dichas matrices.Finalmente, no es descabellado esperar que la capacidad de sintetizar vida pueda tener un impacto que sea al menos similar al impacto producido por la capacidad de sintetizar moléculas orgánicas. Resulta tentador establecer un paralelo entre estos dos acontecimientos. Durante mucho tiempo se pensó que las moléculas orgánicas sólo podían ser producidas por organismos vivos. La idea de que se necesitaba una “fuerza vital” fue finalmente refutada al demostrar que tales moléculas también podían obtenerse sintéticamente (un ejemplo famoso es la síntesis de urea realizada por Wöhler en 1828).
Estas demostraciones dieron origen al campo de la química orgánica, que ha tenido un tremendo impacto en áreas que van desde la medicina hasta los materiales. Ahora estamos cada vez más cerca de poder sintetizar la vida (y demostrar que no es sólo un producto de formas de vida existentes). Así como la urea no fue exactamente el ejemplo más impresionante o útil de una molécula orgánica, es igualmente poco probable que la primera forma de vida sintética impresione, en comparación incluso con el organismo vivo más simple en la actualidad. Sin embargo, al igual que las muchas moléculas orgánicas creadas por el hombre que siguieron a la síntesis de la urea, es probable que las formas posteriores de vida creada por el hombre (tecnología viva) tengan al menos un impacto similar, pero de maneras que actualmente pueden ser difíciles de predecir.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.1c00534