Los científicos revelan el papel secreto de la urea en el origen de la vida

Científicos de ETH Zurich y la Universidad de Ginebra han desarrollado una nueva técnica que les permite observar reacciones químicas que tienen lugar en líquidos con una resolución temporal extremadamente alta. Esta innovación les permite monitorear cómo cambian las moléculas en unos pocos femtosegundos; en otras palabras, en unas pocas cuatrillones de segundo.

Este avance se basa en investigaciones anteriores realizadas por el mismo equipo, dirigido por Hans Jakob Wörner, profesor de química física en ETH Zurich. Ese trabajo produjo resultados similares para reacciones que ocurren en ambientes gaseosos.

Para ampliar sus observaciones de espectroscopia de rayos X a líquidos, los investigadores tuvieron que diseñar un aparato capaz de producir un chorro de líquido con un diámetro inferior a un micrómetro en el vacío. Esto era fundamental porque si el chorro hubiera sido más ancho, habría absorbido parte de los rayos X utilizados para medirlo.

Pionero molecular de la bioquímica.

Utilizando el nuevo método, los investigadores lograron obtener información detallada sobre los procesos que llevaron a la aparición de la vida en la Tierra. Muchos científicos suponen que en este caso la urea jugó un papel clave. Es una de las moléculas más simples que contiene carbono y nitrógeno.

Además, es muy probable que la urea ya estuviera presente cuando la Tierra era muy joven, como también sugiere un famoso experimento realizado en los años 1950: el científico estadounidense Stanley Miller preparó una mezcla de aquellos gases que se creía que constituían el origen primordial. del planeta. atmósfera y la expuso a las condiciones de una tormenta. Esto produjo una serie de moléculas, una de las cuales fue la urea.

Según las teorías actuales, la urea podría haberse enriquecido en charcos calientes (comúnmente llamados sopa primordial) en la entonces Tierra sin vida. A medida que el agua de la sopa se evaporaba, aumentaba la concentración de urea. A través de la exposición a radiaciones ionizantes como los rayos cósmicos, es posible que esta urea concentrada produzca malónica. ácido en múltiples pasos de síntesis. A su vez, esto puede haber creado los componentes básicos de ARN Y ADN.

Porque esta misma reacción sucedió

Utilizando su nuevo método, investigadores de ETH Zurich y la Universidad de Ginebra estudiaron el primer paso de esta larga serie de reacciones químicas para descubrir cómo se comporta una solución concentrada de urea cuando se expone a radiación ionizante.

Es importante saber que las moléculas de urea en una solución concentrada de urea se agrupan en pares, los llamados dímeros. Como han podido demostrar los investigadores, la radiación ionizante produce hidrógeno átomo dentro de cada uno de estos dímeros para pasar de una molécula de urea a otra. Esto convierte una molécula de urea en una molécula de urea protonada y la otra en un radical de urea. Este último es altamente reactivo químicamente; de ​​hecho, tan reactivo que es muy probable que reaccione con otras moléculas, formando así también ácido malónico.

Los investigadores también pudieron demostrar que esta transferencia de un átomo de hidrógeno se produce extremadamente rápido, tardando sólo unos 150 femtosegundos, o 150 cuatrillones de segundo. «Es tan rápido que esta reacción precede a todas las demás reacciones que teóricamente podrían ocurrir», afirma Wörner. «Esto explica por qué las soluciones concentradas de urea producen radicales de urea en lugar de albergar otras reacciones que producirían otras moléculas».

Las reacciones en líquidos son muy importantes.

En el futuro, Wörner y sus colegas quieren examinar los siguientes pasos que conducirán a la formación de ácido malónico. Esperan que esto les ayude a comprender los orígenes de la vida en la Tierra.

En cuanto a su nuevo método, en general también se puede utilizar para examinar la secuencia precisa de reacciones químicas en líquidos. “En los líquidos tienen lugar toda una serie de reacciones químicas importantes: no sólo todos los procesos bioquímicos del cuerpo humano, sino también una gran cantidad de síntesis químicas de importancia industrial”, afirma Wörner. «Por eso es tan importante que ahora hayamos ampliado el alcance de la espectroscopia de rayos X de alta resolución temporal para incluir reacciones en líquidos».

Referencia: “Transferencia de protones con femtosegundo en soluciones de urea analizadas mediante espectroscopia de rayos X” por Zhong Yin, Yi-Ping Chang, Tadas Balčiūnas, Yashoj Shakya, Aleksa Djorović, Geoffrey Gaulier, Giuseppe Fazio, Robin Santra, Ludger Inhester, Jean -Pierre Wolf y Hans Jakob Wörner, 28 de junio de 2023, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06182-6

En este trabajo, investigadores de ETH Zurich y la Universidad de Ginebra contaron con la ayuda de colegas de Deutsches Elektronen-Synchrotron. DESY en Hamburgo, que realizó los cálculos necesarios para interpretar los datos de medición.