La incesante búsqueda de explicaciones científicas para el origen de la vida comenzó con Louis Pasteur, el químico francés que hace un siglo y medio probó que los seres vivos nacen necesariamente de su propia especie. En el siglo XIX, se creía que los hongos, los insectos y los escorpiones podrían surgir espontáneamente de la basura o de animales en descomposición. Las dudas sobre el origen de la vida que persisten actualmente remiten, curiosamente, a una propiedad química descubierta por el propio Pasteur: existen moléculas formadas por los mismos elementos y uniones químicas, pero que se presentan en dos tipos diferentes, que apuntan en direcciones contrarias -uno hacia la izquierda, otro hacia la derecha-, como si estuvieran frente a su propia imagen reflejada en el espejo.
Un fenómeno que envuelve a esas formas espejadas y que aún intriga a los científicos es la formación de las proteínas, moléculas formadas por bloques menores, los aminoácidos, y esenciales para cualquier ser vivo. Forman parte de la estructura de los cromosomas, controlan la expresión de los genes, hacen posible la división celular, regulan la producción de energía, actúan en la diferenciación de las células que formarán los tejidos, participan del desarrollo embrionario y, en última instancia, determinan de qué manera los organismos se forman, crecen y mueren.
Pues bien, en la formación de las proteínas participan solamente los aminoácidos zurdos, químicamente llamados levógiros o simplemente L. Las moléculas diestras, conocidas como dextrógiros, o D, son sencillamente eliminadas del juego, aunque las dos formas aparecen juntas y en proporciones iguales en la naturaleza. Pero, ¿cómo se separan los aminoácidos, antes de formar las proteínas, y por qué solamente los zurdos triunfan? El químico Marcos Eberlin, de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), tiene algunas respuestas para la primera parte de esa pregunta.
Por medio de la espectrometría de masas, una técnica de análisis químico que permite visualizar con precisión el universo molecular, las equipos de Eberlin y del norteamericano Robert Cooks, de la Universidad de Purdue, Estados Unidos, detectaron un proceso jamás antes observado: la atracción de aminoácidos zurdos (L) y diestros (D) por parte de sus semejantes. Esa forma de organización, que permite comprender la separación entre estas moléculas en un momento anterior a la síntesis de proteínas, se debe principalmente a la geometría: los encajes son tan selectivos que impiden que los aminoácidos L se mezclen con los D. Tanto los aminoácidos zurdos como los diestros forman estructuras cilíndricas, diferenciadas tan solo por el hecho de ser espejadas, con ocho aminoácidos del mismo tipo.
Son los llamados octámeros, como el de la ilustración de esta página, que representa la serina, uno de los 20 aminoácidos esenciales que, en diferentes combinaciones, forman miles de proteínas en plantas y animales. Los octámeros se conectan entre sí a través de las llamadas uniones de hidrógeno, como las que mantienen unidas a las moléculas de agua, y forman estructuras cada vez mayores. “Fue literalmente un hallazgo, un primer paso para entender por qué solamente las moléculas L participan en la formación de las proteínas”, comenta Eberlin, que coordina el Laboratorio Thomson de Espectrometría de Masas del Instituto de Química.
Las informaciones suministradas por el espectrómetro y las simulaciones computacionales realizadas por Fábio Gozzo, químico del equipo del Laboratorio Thomson, permiten ver los aglomerados de serinas como si las moléculas estuvieran jugando a la ronda, pero dando solamente la mano izquierda, en el caso de los L, con los encajes ajustados en los costados de la estructura cilíndrica. Si uno de los miembros sale del grupo y el sustituto solamente puede dar la mano derecha, se rompe el encadenamiento. “El proceso de selección química de los aminoácidos es una consecuencia de ese ordenamiento tridimensional perfecto”, subraya Eberlin. “Todas las moléculas apuntan en la misma dirección. Si se altera la dinámica, el círculo no se cierra a la perfección. Por tal motivo, las diferentes son excluidas.”
Otra sorpresa consistió en observar que el cilindro de serina L, puesto en contacto con las formas L y D de otro aminoácido, capturaba únicamente moléculas L. Este proceso -también inédito-, descrito en un artículo publicado en mayo en la edición internacional de la revista alemana Angewandte Chemie , fue denominado como transmisión de quiralidad. Quiralidad (del griegochiros , mano) es el fenómeno descrito por Pasteur en el ácido tartárico: las moléculas, cuando se superponen, forman un dibujo parecido al que aparece cuando colocamos una mano al lado de la otra, con la palma y los pulgares dispuestos hacia adelante. “Observamos también un mecanismo inédito de propagación de la quiralidad de la serina en otros aminoácidos naturales quirales, como la cisteína, la asparagina, la leucina, el aspartato y la metionina”, informa Eberlin.
Contaminantes y sangre
Los descubrimientos solamente fueron posibles con los perfeccionamientos de la espectrometría de masas, una técnica versátil, aplicada, por ejemplo, en exámenes antidoping , en el control de calidad de los combustibles e incluso en el secuenciamento del conjunto de proteínas de un organismo (proteoma). Con dicha técnica, el equipo de Eberlin no solamente devela la organización de las moléculas esenciales para la vida. Amplía también el uso de la técnica, con sucesivas innovaciones. Una de las más recientes es un método de análisis de contaminantes, derivado de la espectrometría de masas convencional, pero con una innovación: éste utiliza una fibra recubierta de silicona que, luego de una exposición de tan solo un minuto, absorbe los contaminantes del aire, del vapor y de líquidos. La fibra facilita la captación, el transporte y la evaluación de las sustancias, luego trasladadas al espectrómetro, en el cual son examinadas. La descripción de esa técnica, llamada espectrometria de masas por introducción vía fibra (Fims), será publicada en breve en Analytical Chemistry .
La Fims viene a ser como la hija menor de otras técnicas para el análisis de contaminantes desarrolladas en el mismo laboratorio. La primera de éstas es la espectrometría de masas por introducción vía membrana con aprisionamiento criogénico (CT-Mims), que se vale de una membrana de silicona acoplada al espectrómetro para separar contaminantes y retener el agua. Ese proceso aumenta la sensibilidad hasta cien veces, y en pocos minutos se conoce la concentración de cloroformo, benceno y tolueno en agua, por ejemplo.
Existen también innovaciones relacionadas directamente con la salud humana. El año pasado, en el marco de una asociación con Nelci Fenalti Höehr, de la Facultad de Ciencias Médicas (FCM) de la Unicamp, se llegó al uso de una derivación de una técnica creada en el propio laboratorio para determinar la cantidad de cisteína y de homocisteína en la sangre. Los dos aminoácidos, que en concentraciones elevadas, representan un factor de riesgo para enfermedades cardiovasculares, son capturados en el plasma sanguíneo por la membrana de silicona. Nelci manda muestras de sangre al Instituto de Química, y en minutos el espectrómetro suministra el resultado. “Nuestra meta es ofrecer ese servicio como rutina en el complejo hospitalario de la Facultad de Ciencias Médicas”, afirma Nelci.
“Una vez superadas las limitaciones, ya podemos trabajar con cualquier tipo de molécula, desde las pequeñas hasta los polímeros, sales, azúcares, péptidos, proteínas y moléculas gigantescas; hasta un virus intacto, inclusive”, afirma Eberlin. Esto significa, sin lugar a dudas, un avance importantísimo, para una técnica creada a comienzos del siglo pasado por el físico británico Joseph John Thomson (1856-1940), el mismo que inspiró el nombre del laboratorio de la Unicamp. La espectrometría de masas es indispensable en los laboratorios de química y física desde que surgió, pues permite aislar estructuras atómicas y moleculares, siempre y cuando éstas estén aisladas, por tanto en forma gaseosa, y ionizadas (con carga positiva o negativa). De este modo, es posible medir sus propiedades, como la masa, las uniones químicas, la acidez, la reactividad y las estructuras.
Piloto en peligro
Al principio, el orden de los procedimientos adoptados durante los análisis limitaba las aplicaciones: la observación solamente puede hacerse cuando las moléculas se volatilizan y reciben una carga eléctrica positiva o negativa. Ese procedimiento es esencial, porque únicamente pueden separarse y orientarse las moléculas con carga positiva o negativa – las neutras escapan al control. No obstante, hasta comienzos de la década de 90, era necesario que la molécula primero se vaporizase dentro del equipamiento, a una temperatura de hasta 300ºC, para luego ser ionizada. Los análisis se restringían a las sustancias orgánicas volatilizables y relativamente pequeñas. Ni pensar en azúcares o proteínas, que se descomponen cuando son sometidas a elevaciones de temperatura, antes de alcanzar la fase de vapor.
Para avanzar, se requería invertir el orden: primero ionizar y luego volatilizar. Y eso fue lo que hizo el químico norteamericano John Fenn al final de los años 80. Fenn, que trabaja actualmente en la Virginia Commonwealth University, de Estados Unidos, creó la técnica de Electrospray, que les permitió a los investigadores de la Unicamp y de Purdue descubrir las formas de organización de los aminoácidos. Primero, ellos colocaran las moléculas de serina en agua. Con la solución, hicieron unspray electrolítico (una especie de aerosol formado por gotas minúsculas y cargadas positiva o negativamente). Con el calentamiento y la evaporación del agua, las gotas disminuyeron de volumen -y los octámeros de serina pasaran a repelerse tan fuertemente que, en determinado momento, fueron literalmente eyectados de las gotas a la fase gaseosa -sin descomponerse, como ciertamente sucedería con la técnica anterior de ionización. “Es un proceso que guarda una cierta semejanza con lo que sucede cuando un piloto de un avión presiente el peligro y se eyecta al espacio desde la aeronave”, compara Eberlin.
Tanto las versiones zurdas como las diestras de la serina participaron en el experimento. Como ambas presentan la misma masa molecular, a la serina L se le adicionó un isótopo de carbono de masa 13, de manera tal de diferenciar ambas formas. Una vez colocadas en agua de manera aleatoria, las moléculas sorprendentemente reconocen a sus semejantes y originan dos conjuntos de ocho moléculas: los octámeros, uno conteniendo solamente serinas D y otros reuniendo solamente L. Los investigadores observaron también la unión entre los octámeros gemelos, que origina estructuras que reúnen 16, luego 32 y a continuación 64 aminoácidos -y así sucesivamente. “Para la serina, el ocho es un número mágico”, afirma Eberlin.
Los avances de la espectrometría de masas podrán también solucionar la segunda parte de la pregunta: ¿por qué los organismos vivos seleccionan únicamente el conjunto de aminoácidos izquierdos en la construcción de las proteínas, dejando a los derechos sólo observando el juego? En busca de la respuesta, el equipo de Arnaldo Naves de Brito, del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS), trabaja en colaboración con el Laboratorio Thomson. Brito, animado y con confianza, dice que los resultados del estudio se conocerán en breve.
La dificultad no reside tan solo en reproducir el ambiente terrestre primitivo, cuando se habrían dado la separación y la selección por vez primera. El obstáculo mayor lo constituyen las propiedades químicas y físicas de las moléculas L y D -son casi idénticas y no indican con claridad los caminos de investigación que deben seguirse. Incluso se piensa en otro escenario para los encajes primordiales. “La selección de aminoácidos pueden haber sucedido en la Tierra o en otra región del universo, como en los meteoritos o los cometas, llegando acá con posterioridad”, afirma Ricardo de Carvalho Ferreira, investigador de la Universidad Federal de Pernambuco (UFPE), que ya en la década del 50 se dedicaba a estudiar los sistemas quirales. Pese a las trampas, la tarea puede ser gratificante. “Estamos intentando entender la arquitectura química de los seres vivos”, dice Eberlin.
El Proyecto
Técnicas Modernas en Espectrometría de Masas y sus Aplicaciones en Química y Bioquímica
Modalidad
Proyecto temático
Coordinador
Marcos Nogueira Eberlin – Instituto de Química de la Unicamp
Inversión
R$ 1.211.117,27
