Revista de Divulgación Científico-Tecnológica del Gobierno del Estado de Morelos

Amplificando la grieta en el espejo

Archivo: Química

Dr. Thomas Buhse / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Centro de Investigaciones Químicas, UAEM
Dr. Jesús Rivera Islas / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (CINVESTAV)

Las estructuras moleculares de la vida son los aminoácidos y los carbohidratos. Los aminoácidos son las unidades básicas de las proteínas mientras que los carbohidratos son reconocidos como una fuente de energía celular. De ambas especies químicas existen dos versiones que se denominan enantiómeros (del Griego ἐνάντιος, opuesto). Esencialmente los enantiómeros son como nuestras manos. Al colocar la mano izquierda en el espejo la imagen especular que observamos es de una mano derecha y viceversa. En término moleculares denominamos a los enantiómeros como L y D. Sorpresivamente en nuestra biosfera únicamente encontramos aminoácidos L y carbohidratos D, sus enantiómeros (aminoácidos D y carbohidratos L) prácticamente no existen de manera natural. A este fenómeno lo denominamos homoquiralidad biomolecular. Cuando en el laboratorio de química producimos artificialmente estas especies obtenemos una proporción 50:50 de L y D (llamada mezcla racémica).
¿Cuál es la razón de esta diferencia entre el experimento de laboratorio y lo que observamos en la naturaleza? A partir del experimento de laboratorio concluimos que un proceso químico deberá mantener la simetría especular, i.e. no se favorece un enantiómero sobre el otro. Esto esta de acuerdo con las leyes de física que indican que no existe diferencia entre izquierda y derecha ó entre un objeto y su imagen en el espejo.
         Entonces la cuestión debe centrarse sobre como la naturaleza genero una preferencia por un enantiómero especifico para aminoácidos y carbohidratos. Esta selección marca una clara ruptura de la simetría, ¿de donde proviene esta ruptura? Ante todo, hay una pequeña grieta de la simetría en física que se llama Violación de la Paridad. La violación de la paridad se observa en la Interacción Nuclear Débil que juega un rol central en los fenómenos del núcleo atómico y nos indica que debe existir diferencias entre cualquier par de enantiómeros, es decir la imagen especula de la mano izquierda no es la mano derecha. Esta diferencia entre enantiómeros es tan pequeña que no se ha podido medir experimentalmente. Asi que esencialmente no se toma en cuenta como la causa de la homoquiralidad.
¿Es la homoquiralidad una consecuencia de la evolución biológica? Aunque se considero esta posibilidad durante algún tiempo, este caso ahora parece ser poco probable. Se ha demostrado que la formación ADN ó ARN a partir de nucleótidos en mezcla racémica no es eficiente. Por ejemplo, cambiar uno solo de los nucleótidos por su imagen especular “equivocada” se observa la deformación de la estructura de doble hélice del ADN que es indispensable para los procesos del núcleo celular. Por tal razón se piensa que la homoquiralidad debió existir antes de iniciar la evolución biológica, es decir en un periodo de la historia terrestre cuando ocurrió la evolución química.
          Hay escenarios posibles que explican la formación de carbohidratos y aminoácidos durante la evolución química. Sin embargo, no se ha observado la ruptura de la simetría cuando estos escenarios se reproducen bajo condiciones de laboratorio. Es posible que estos procesos químicos fueran influenciados por alguna fuerza física como la luz estelar, campos magnéticos e incluso el decaimiento radioactivo. Diversos experimentos muestran que todas estas fuerzas pueden causar un exceso de un enantiómero sobre el otro en sistemas químicos ó durante una reacción química como en la fotolisis asimétrica. Sin embargo el exceso en todos estos casos es pequeño – aún hay un largo camino para alcanzar la homoquiralidad biomolecular observada.
Cualquiera que sea la fuente de esa pequeña diferencia entre enantiómeros debe existir algún tipo de mecanismo de amplificación capaz de dirigir un pequeño exceso de un enantiómero hasta un escenario homoquiral, este es el objetivo esencial de nuestra investigación.
Los químicos conocen un fenómeno muy raro llamado “síntesis asimétrica absoluta”. En este caso, una reacción química evoluciona espontáneamente hacia la formación de productos L ó D aunque la reacción se inicie con reactivos sin forma especular y sin catalizadores ó fuerzas que induzcan tal asimetría. En estas reacciones asimétricas, la denominada cinética autocatalítica puede romper la simetría especular y amplificar la pequeñísima grieta en el espejo.
          Imagina por un momento a un patinador en medio de una pista con forma de W. Mientras el patinador se encuentre haciendo equilibrio en la cima su posición será simétrica pero cualquier perturbación provocará espontáneamente su caída hacia alguno de los lados. De manera análoga una cinética autocatalítica puede hacer que una reacción simétrica sea susceptible a pequeñas perturbaciones permitiendo la aparición de solo uno de los enantiómeros en la reacción. Aún cuando solo existen dos posibilidades, L ó D, no es posible predecir cual aparecerá así como no es posible saber hacia que lado caerá el patinador al perder el equilibrio. Este es el fenómeno llamado Ruptura de la Simetría Especular e introduce a la química un elemento que había sido ignorado por un largo tiempo – a saber, la manifestación del comportamiento aleatorio que cuestiona el dogma de que cualquier resultado puede ser reproducido.
Adicionalmente la cinética autocatalítica permite la amplificación tal como la retroalimentación viciada de un micrófono conectado a un amplificador y dirigido a su propio altavoz. La amplificación puede ocurrir de manera similar: cada enantiómero L ó D favorece solo su propia formación. De esta manera, la ruptura de la simetría y la amplificación son las condiciones necesarias para alcanzar un resultado homoquiral en un sistema químico.
           Desafortunadamente son pocos los ejemplos experimentales que se conocen por lo que el mecanismo químico detallado aún no se comprende completamente. La investigación realizada por el grupo del Dr. Kenso Soai de la Universidad Metropolitana de Tokio ha atraído nuestro interés y el de la comunidad científica que busca el posible origen de la homoquiralidad biomolecular. El Dr. Soai descubrió el primer sistema químico real que es capaz de romper la simetría especular y de amplificar el exceso enantiomérico. En este sentido nuestra contribución consiste en lograr un mejor entendimiento de la cinética de reacción detrás del fenómeno de la ruptura de la simetría. Tales investigaciones son pertinentes porque los sistemas experimentales pueden revelar la manera detallada en que la naturaleza ha construido un medio ambiente homoquiral antes de que los primeros procesos biológicos emergieran.

 


Thomas Buhse obtuvo el doctorado en Ciencias Naturales en la Universidad de Bremen (Alemania). Trabaja como Profesor-Investigador en el Centro de Investigaciones Químicas de la UAEM y es investigador nacional. Trabaja en distintos aspectos de la cinética compleja de reacciones químicas que incluyen estudios sobre el origen de la homoquiralidad biomolecular, oscilaciones químicas y formación de patrones.


Jesús Rivera obtuvo su doctorado en la Facultad de Ciencias de la UAEM bajo la asesoría de Thomas Buhse y actualmente realiza una estancia Posdoctoral en el Departamento de Química del CINVESTAV con Eusebio Juaristi.