22 marzo, 2011

Los experimentos de Miller aún siguen dando sorpresas

¿Quién no conoce los experimentos realizados por Stanley Miller en los años 1950’s? Sin lugar a dudas, son uno de los más importantes hitos de la historia de la ciencia. Por si no recuerdan sus clases de Biología del colegio o de Biología I en la universidad, los experimentos realizados por Miller trataban de demostrar que, con las moléculas que pudieron haber existido en la atmósfera primitiva de la Tierra, y gracias a la radiación UV y las descargas eléctricas, se pudo haber realizado la síntesis abiótica de compuestos orgánicos.

MIller

Básicamente, Miller usó una mezcla de gases reductores como el H2, H2O, CH4 y NH3, los cuales se creían que formaban parte de la atmósfera primitiva de la Tierra. Luego le aplicó descargas eléctricas por unos días y vio que se formó un caldo turbio. Al hacer el análisis químico del caldo, usando la cromatografía en papel —la cual era la mejor técnica de separación de sustancias de aquella época— identificó la presencia de determinados aminoácidos.

Sin embargo, muchos geoquímicos creen que las condiciones de la atmósfera primitiva de la Tierra no era tan reductoras como lo creía Miller; conteniendo principalmente N2, CO2, H2O y CO, y en menor cantidad otras sustancias como H2S, CH4 y H2. Sin embargo, las condiciones reductores pudieron haberse dado cerca a las plumas de ceniza volcánica y en otros cuerpos del sistema solar. A pesar de ello, se han logrado obtener ciertos aminoácidos en atmósferas ligeramente reductoras y hasta en atmósferas neutras.

Fue así que en 1958, Miller hizo una pequeña modificación a su experimento, esta vez usando una atmósfera basada en H2S, CH4, NH3 y CO2, compuestos comúnmente encontrados en las plumas de ceniza volcánicas.

En el 2007, se encontraron las muestras originales que fueron secadas y preservadas en viales esterilizados por el mismo Miller. En base al cuaderno de trabajo de Miller, pudieron catalogar cada una de las muestras encontradas. Así que quedaba algo por hacer… ¿Qué era?… Analizar los componentes presentes en ellas usando la tecnología del siglo XXI, como el HPLC (Cromatografía Líquida de Alta Eficiencia), UPLC (Cromatografía Líquida de Ultra Eficiencia) y el TOF-MS (Espectrometría de Masas de Tiempo de Vuelo).

En el 2008, Johnson et al. analizaron 11 viales conteniendo las muestras originales de los experimentos llevados a cabo por Miller en los años 1950’s. Ellos encontraron una gran variedad de distintos aminoácidos —22 en total— y cinco aminas, de los cuales muchos de ellos no fueron reportados por Miller, claro, debido a las limitaciones de su época.

Miller_1

Por otro lado, el reciente descubrimiento de muestras que datan de los experimentos llevados a cabo por Miller en 1958, en el cual simulaba la atmósfera encontrada cerca a las plumas de cenizas volcánicas, ha dado pie a un nuevo estudio publicado ayer en PNAS. A diferencia de los dos últimos estudios —del 2008 por Johnson et al. y del 2010 por Parker et al.— el publicado ayer se hizo en unas muestras que, por alguna extraña razón, nunca fueron analizadas ni reportadas.

Lo que hicieron primero Parker et al. fue resuspender las muestras en agua bidestilada y desionizada y luego las sometieron al HPLC y al UPLC. Luego, para determinar si hubo compuestos que. por su naturaleza química, eluyeron al mismo tiempo, se usó la espectrometría de masas. Se identificaron una gran variedad de compuestos, entre ellos 23 aminoácidos y 5 aminas, de los cuales 6 aminoácidos y una amina tenían azufre. Este descubrimiento es importante porque la metionina, el primer aminoácido de las secuencias proteicas, es azufrado. Además, los aminoácidos azufrados permiten establecer los puentes disulfuro, lo cuales dan estabilidad a la estructura tridimensional de la proteína.

Miller_HPLC

Pero, ¿cómo sabían que los aminoácidos encontrados fueron generados por los experimentos de Miller y no son producto de una contaminación? Casi todos los aminoácidos tienen dos presentaciones: L y D, que son llamados enantiómeros, pero es uno de los dos el que se encuentra de manera en mayor abundancia en los seres vivos. Para que entiendan mejor la idea:

En los humanos, hay personas que serán diestras y personas que serán zurdas, pero son las diestras las que se presentan en mayor abundancia. Si los humanos nos hubiéramos formado de forma espontánea, sería lógico esperar la misma cantidad de diestros y zurdos porque dependería sólo del azar y no de nuestra carga genética. Lo mismo ocurre con los aminoácidos. Todas nuestras proteínas están diseñadas de tal manera que uno de los dos tipos de aminoácidos será el más usado, sino cambia toda su estructura y pierde su función.

Al estudiar las proporciones de las versiones L y D de los aminoácidos, Parker et al. encontraron que la proporción [D]/[L] fue 1±10%. Esto indicaría que los aminoácidos fueron producidos gracias al experimento y no son el resultado de una contaminación.

Si bien no se encontró el aminoácido azufrado cisteína, si se encontró cisteamina y ácido homocisteico, los cuales son producto de degradación de la cisteína, lo que indicaría que este aminoácido si estuvo presente en los experimentos de Miller pero fue degradado —por oxidación— ya que no fue conservado en un ambiente anóxico. Lo mismo ocurrió con la metionina, ya que su concentración fue más baja de lo esperada y también hubo la presencia de sus productos de degradación como el metioninsulfóxido y metioninsulfona.

Por otro lado, en 1972, Miller y sus colaboradores observaron que las abundancias relativas de los aminoácidos generados mediante sus experimentos, eran bastante similares a los encontrados en meteoritos condritos carbonáceos, lo que indicaría que el mismo tipo de reacciones se pudieron haber dado en otras partes del universo, y estas serían las responsables de la presencia de moléculas orgánicas complejas en dichos meteoritos. En otras palabras, no sólo en la Tierra se pudo haber dado este fenómeno.

Sin dudas, los experimentos de Miller nos dan varios indicios del origen de las primeras sustancias orgánicas en nuestro planeta, siempre y cuando, la composición química de la atmósfera primitiva fue de esa manera. Además, gracias a las técnicas analíticas de la actualidad, las cuales tienen un poder de resolución de 10 órdenes de magnitud superior a los usados por Miller en los 1950’s, se ha podido demostrar la formación de todos los 20 aminoácidos esenciales a partir de un mundo abiótico.


Referencia:

ResearchBlogging.orgParker, E., Cleaves, H., Dworkin, J., Glavin, D., Callahan, M., Aubrey, A., Lazcano, A., & Bada, J. (2011). Primordial synthesis of amines and amino acids in a 1958 Miller H2S-rich spark discharge experiment Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1019191108

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