El coste (metabólico) de la vida

Existen “costes de la vida” que la física mecánica no puede calcular. Un ejemplo claro es la energía necesaria para mantener activos determinados procesos bioquímicos —como los que constituyen la fotosíntesis, aunque los ejemplos son innumerables— al tiempo que se impide que ocurran procesos alternativos. En mecánica, si no hay desplazamiento no hay trabajo y, dicho de forma sencilla, no existe un coste energético por evitar que algo suceda. Sin embargo, cálculos cuidadosos de termodinámica estocástica muestran que estos costes sí existen —y que a menudo son bastante significativos—.

Un nuevo artículo publicado en el Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (JSTAT) propone una forma de calcular estos costes desde una perspectiva termodinámica y, de este modo, ofrecer una nueva herramienta para comprender la selección y la evolución de las rutas metabólicas en el origen de la vida.

Cuando, en un océano antiguo, un puñado de moléculas orgánicas formó una frontera externa —la primera membrana celular—, apareció por primera vez una clara distinción entre un interior y un exterior. Desde ese momento, aquel sistema primordial tuvo que invertir energía para mantener esta compartimentación y para seleccionar, entre las muchas reacciones químicas posibles, solo unas pocas rutas metabólicas capaces de aprovechar sustancias valiosas tomadas del “exterior” y transformarlas en nuevos productos. La vida nació junto con este esfuerzo de compartimentación y elección.

Los procesos metabólicos tienen un coste energético directo, pero también requieren un “coste adicional” para seguir canalizando los flujos químicos hacia una ruta preferente en lugar de dejarlos dispersarse entre todas las alternativas físicamente posibles. Sin embargo, desde el punto de vista de la mecánica clásica, la compartimentación y la selección de reacciones —las “restricciones” impuestas en los límites de un sistema— no deberían tener ningún coste, ya que se tratan como condiciones externas fijas que no contribuyen a la producción de entropía.

Praful Gagrani, investigador de la Universidad de Tokio y primer autor del nuevo estudio, junto con sus colegas —Nino Lauber (Universidad de Viena), Eric Smith (Georgia Institute of Technology y Earth-Life Science Institute) y Christoph Flamm (Universidad de Viena)— desarrolló un método para calcular estos costes pasados por alto y ordenar las rutas metabólicas. Esto permite a los investigadores evaluar su eficiencia biológica, una información valiosa para los estudios evolutivos que exploran cómo surgió la vida en nuestro planeta.

“Lo que inspiró este nuevo trabajo es que Eric Smith, uno de los coautores, utilizó MØD, un software desarrollado por Flamm y sus colaboradores, para enumerar todas las rutas posibles que pueden ‘construir’ moléculas orgánicas a partir de CO₂”.

Gagrani se refiere a uno de los estudios anteriores de Smith y colaboradores sobre el ciclo de Calvin, un ciclo de reacciones químicas de la fotosíntesis que convierte el dióxido de carbono en glucosa.

“Eric utilizó el algoritmo para enumerar todas las rutas que pueden realizar la misma conversión que el ciclo de Calvin y luego empleó lo que ahora llamamos el coste de mantenimiento en nuestro artículo para ordenarlas”.

De este modo, Smith y colaboradores demostraron que el ciclo utilizado por la naturaleza se encuentra entre las rutas menos disipativas, es decir, aquellas con el menor coste energético. “Impresionante, ¿no?”, comenta Gagrani.

Inspirados por el trabajo de Smith, Gagrani y sus colegas idearon un método general para estimar de forma sistemática los costes termodinámicos de los procesos metabólicos. En su marco teórico, la célula se imagina como un sistema atravesado por un flujo constante, en el que, por ejemplo, entra una molécula (un nutriente) y sale otra (un producto o un residuo). Dada la química subyacente, se pueden generar todas las rutas químicamente posibles que convierten la entrada en la salida. Cada ruta tiene su propio “coste termodinámico”. En lugar de calcular la energía en el sentido clásico, el método estima cuán improbable sería —en un mundo impulsado únicamente por la química espontánea— que la red (el conjunto de moléculas y reacciones que convierten la entrada en la salida) se comporte exactamente de ese modo.

Esta improbabilidad tiene dos componentes. El primero es el coste de mantenimiento, es decir, lo improbable que resulta sostener un flujo constante a través de una determinada ruta. El segundo es el coste de restricción, que mide lo improbable que es bloquear todas las reacciones alternativas de la red mientras se mantiene activa únicamente la ruta de interés.

La improbabilidad calculada representa el coste de ese proceso, que puede utilizarse para clasificar las rutas metabólicas según lo “costoso” que resulta para la célula mantener activa una ruta y silenciar las demás.

“Vimos cosas que no esperábamos, pero que tienen sentido cuando se reflexiona sobre ellas”, explica Gagrani. “Por ejemplo, que utilizar varias rutas al mismo tiempo es menos costoso que utilizar solo una. He aquí una analogía: imaginemos a cuatro personas que necesitan ir de A a B a través de túneles estrechos. Si cada persona tiene su propio túnel —cuatro túneles— llegan más rápido que si solo hay tres o menos, porque dos o más personas se estorbarían en el mismo pasaje estrecho”.

En la naturaleza, sin embargo, normalmente vemos que se favorece un proceso frente a muchos otros. ¿Cómo se explica esto? “Es cierto, pero en los sistemas biológicos suele intervenir la catálisis —la acción de moléculas facilitadoras, las enzimas—, que acelera las reacciones y las hace menos costosas, logrando el mismo efecto que tener múltiples rutas en paralelo. Esta elección evolutiva ocurre porque mantener muchas rutas puede tener otros inconvenientes, como la producción de numerosas moléculas potencialmente tóxicas”.

“Nuestro método”, concluye Gagrani, “es una herramienta útil para estudiar el origen y la evolución de la vida, porque nos permite evaluar los costes de elegir y mantener procesos metabólicos específicos. Nos ayuda a entender cómo surgen determinadas rutas, pero explicar por qué se seleccionaron precisamente esas requiere un esfuerzo verdaderamente multidisciplinar”.