Los científicos encuentran por primera vez uno de los componentes básicos de ARN en un asteroide, una prueba de que podrían existir formas rudimentarias de vida en otros lugares del sistema solar.
Las conclusiones de un equipo multidisciplinar de científicos, publicado en la revista Nature, apuntan al descubrimiento de las cinco letras genéticas (o nucleobases) que conforman el ARN (el ácido ribonucleico, formado por una cadena de nucleótidos), en el asteroide Ryugu, una roca espacial que lleva surcando el sistema solar desde los primeros tiempos. Se trata de las cinco letras -adenina, guanina, citosina, timina y uracilo- que se combinan con la ribosa y el fosfato para formar el ADN y el ARN, las estructuras en forma de escalera que constituyen el código genético de toda la vida en la Tierra.
Para llevar a cabo esta detección pionera, la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA, por sus siglas en inglés) envió la nave Hayabusa2 en un viaje de 322 millones de kilómetros hasta Ryugu, un asteroide que, según las investigaciones que se han hecho hasta la fecha, procede probablemente de la misma nebulosa que dio origen al Sol y a los planetas de nuestro sistema solar.
Tras aterrizar en el asteroide en 2018, Hayabusa2 raspó unos 5,4 gramos de la superficie de Ryugu antes de regresar a la Tierra. Aquellas muestras contienen uracilo (una molécula compuesta de cuatro átomos de carbono, cuatro de hidrógeno, dos de nitrógeno y dos de oxígeno (C4H4N202), además de otros componentes básicos de la vida.
No se sabe muy bien cómo se formó la vida en Ryugu o en la nube interestelar que más tarde daría origen al asteroide y al resto de nuestro sistema solar. Los investigadores creen que los aminoácidos y los nucleótidos podrían haberse formado cuando el hielo interestelar fue bombardeado con intensos rayos cósmicos, descomponiendo las moléculas simples atrapadas en su interior y reconstituyéndolas en configuraciones más complejas. Después de permanecer atrapadas en estas rocas del cinturón de asteroides, estas moléculas podrían haber llegado a la Tierra a través del impacto de meteoritos, donde desencadenaron los primeros brotes de vida en los océanos primigenios.
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ESTUDIO DE ASTEROIDES, UNA OPORTUNIDAD PARA LA CIENCIA
El asteroide Ryugu es una esfera de color negro de unos 900 metros de diámetro que orbita entre nuestro planeta y Marte. La nave Hayabusa2 fue la primera misión en devolver a la Tierra una muestra del subsuelo de un asteroide, lo que para la ciencia supone una oportunidad de oro para el estudio del origen del universo, pues ha permanecido inalterable desde los orígenes del sistema solar. La materia rica en carbono que contiene es el resultado de un largo proceso químico que se desarrolló desde la formación de materia orgánica en aquellas nebulosas hasta la acreción de los protoplanetas.
Ryugu no es la única roca espacial que se ha investigado. En 2021, la nave espacial OSIRIS-REx de la NASA recogió una muestra de otro asteroide con forma de diamante, llamado Bennu. Cuando la muestra regrese a la Tierra en septiembre, los indicios de materia orgánica que contenga podrían proporcionar a los científicos importantes pistas sobre la evolución del sistema solar y sus materiales, así como indicios de cómo surgió la vida a partir de ellos.
Abstracto
La muestra prístina del asteroide carbonoso cercano a la Tierra (162173) Ryugu recolectada por la nave espacial Hayabusa2 nos permitió analizar el material extraterrestre prístino sin una exposición incontrolada a la atmósfera y la biosfera de la Tierra. El equipo de análisis inicial de la materia orgánica soluble informó la detección de una amplia variedad de moléculas orgánicas, incluidos los aminoácidos racémicos, en las muestras de Ryugu. Aquí informamos la detección de uracilo, una de las cuatro bases nitrogenadas del ácido ribonucleico, en extractos acuosos de muestras de Ryugu. Además, el ácido nicotínico (niacina, un B 3vitámero), sus derivados e imidazoles fueron detectados en la búsqueda de moléculas heterocíclicas de nitrógeno. La diferencia observada en la concentración de uracilo entre A0106 y C0107 puede estar relacionada con las posibles diferencias en el grado de alteración inducida por partículas energéticas como fotones ultravioleta y rayos cósmicos. El presente estudio sugiere fuertemente que tales moléculas de interés prebiótico se formaron comúnmente en asteroides carbonosos, incluido Ryugu, y se enviaron a la Tierra primitiva.
Introducción
La nave espacial Hayabusa2 entregó con éxito un total de 5,4 g de muestras prístinas, recolectadas durante dos operaciones de aterrizaje, del asteroide cercano a la Tierra tipo C (162173) Ryugu el 6 de diciembre de 2020 1 . Los análisis iniciales de las muestras revelaron la similitud con las condritas carbonáceas de tipo Ivuna (CI) según la espectroscopia, la mineralogía y las composiciones isotópicas/elementales 2 , 3 , 4 , 5. También se realizaron estudios de materia orgánica soluble (MOS) en las muestras de Ryugu en el análisis inicial, lo que reveló que una amplia gama de compuestos orgánicos, como aminoácidos racémicos no proteicos, alquilaminas, ácidos carboxílicos, hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) , y moléculas heterocíclicas de nitrógeno están presentes en los extractos acuosos u orgánicos 3 , 6 . Entonces, si Ryugu tuviera un cuerpo principal común con condritas CI, esperaríamos que otras clases de compuestos orgánicos, en particular nucleobases, estuvieran presentes en las muestras de Ryugu, como se ha demostrado en estudios previos sobre la detección de uracilo en Orgueil. Meteorito CI 7 , 8 , 9 , 10 .
Recientemente hemos desarrollado un método analítico para la detección e identificación a pequeña escala de nucleobases en niveles de partes por billón (ppb) a partes por trillón (ppt) usando cromatografía líquida de alto rendimiento junto con espectrometría de masas de alta resolución de ionización por electrospray (HPLC/ ESI-HRMS) 11 , 12 . En los extractos acuosos del meteorito Murchison CM, para el cual se han realizado estudios intensivos de compuestos orgánicos desde su caída en 1969, detectamos con éxito las cinco nucleobases canónicas (adenina, guanina, citosina, timina, uracilo) en concentraciones que van desde 4 a 72 partes por billón 11 . Estos métodos altamente sensibles son muy adecuados para los análisis de Ryugu donde la masa de muestra disponible es limitada.
Aquí, buscamos nucleobases y otras clases de moléculas heterocíclicas de nitrógeno (N) (Fig. 1 complementaria ), así como sus homólogos alquilados, autóctonos de las muestras Ryugu A0106 y C0107 (Fig. 1 ), que se recolectaron de la primeros y segundos sitios de aterrizaje del asteroide Ryugu. Tales moléculas N-heterocíclicas, incluidas las nucleobases, serían un buen objetivo para comprender mejor la evolución química, ya que se considera que desempeñan un papel importante como reactivos y catalizadores para la síntesis de otras moléculas orgánicas complejas, como los ácidos nucleicos peptídicos y los nucleótidos en la evolución prebiótica 13 , 14 , 15 (Fig. 2 complementaria). Las muestras de Ryugu (~10 mg) se someten a extracción con agua caliente a 105 °C durante 20 horas, seguida de hidrólisis ácida (consulte la sección "Métodos"). Como las muestras de referencia más adecuadas de Ryugu, también analizamos el extracto de agua caliente del meteorito Orgueil y su hidrolizado ácido para comparar los contenidos de nucleobase entre el meteorito Ryugu y Orgueil.
Fotografías de las muestras iniciales A0106 (38,4 mg en total) 6 y C0107 (37,5 mg en total) del asteroide Ryugu (162173) durante el primer muestreo de aterrizaje y el segundo muestreo de aterrizaje, respectivamente 1 , 2 . Las fotos se tomaron en la cámara limpia de las instalaciones de conservación de la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón antes de la distribución de muestras. La barra de escala representa 3 mm (línea roja).
Resultados y discusión
Propiedades a granel de las muestras de Ryugu
Los análisis elementales e isotópicos a granel de ambas muestras mostraron muy buenas similitudes entre las condritas Ryugu y CI 5 , 6 (Fig. 2 y Tabla complementaria 1 ). El análisis espectral de reflectancia infrarroja de esas muestras de Ryugu indicó que las señales derivadas de minerales de silicato hidratado (es decir, 2,72 μm para absorción de OH) y materia orgánica (es decir, 3,1 μm y 3,4 μm para bandas de absorción de CH y NH, respectivamente) eran en su mayoría homogéneas entre A0106 y C0107 (Fig. 3 ) y tenía características similares a un perfil de características condríticas de IC 2 .
Los perfiles elementales de A0106 (es decir, primer sitio de toma de contacto) y C0107 (es decir, segundo sitio de toma de contacto) para carbono (C, peso %), nitrógeno (N, peso %) e hidrógeno (H, peso %). con las de las condritas carbonáceas de referencia (CI, CM, CO, CR y CV; Naraoka et al. 6 y la información complementaria). Con base en mediciones repetidas de muestras de grano muy fino, se encontró que tanto A0106 como C0107 tenían abundancias elementales similares (C, N, H). El cuadrado azul representa los perfiles de C (5,1 ± 0,4 % en peso) y N (0,26 ± 0,01 % en peso) del clasto Zag 53 .
Los perfiles sin procesar de los espectros de reflectancia infrarroja para las muestras a granel iniciales de Ryugu (A0106 y C0107) dentro de 2,0 a 4,0 μm. La adquisición de datos de este análisis no destructivo se describe en la literatura 2 . Las señales de los grupos funcionales importantes (OH, NH, CH) se indican en cada banda mediante líneas de puntos. La política de gestión de datos se declara en el apartado “Disponibilidad de datos” de este informe.
Detección de uracilo
La Figura 4 muestra cromatogramas de masas en la relación masa-carga ( m/z ) de 113,0346 Da (unidad de masa atómica) correspondiente a la del uracilo protonado (C 4 H 4 N 2 O 2 + H + ) para los hidrolizados ácidos de los extractos A0106 y C0107. Se observaron varios picos por encima del nivel de fondo en los cromatogramas de muestra. Dado que no hay picos en los cromatogramas de masas para el blanco serpentino en la m/z correspondiente, los picos observados deben ser autóctonos de las muestras. Basado en la comparación con los tiempos de retención utilizando los reactivos estándar auténticos de uracilo y sus isómeros estructurales (ácido 2-imidazol-carboxílico y ácido 4-imidazol-carboxílico; en adelante, 2-ICA y 4-ICA, respectivamente; Fig. 1 complementaria ) , el pico observado a ~16 min para las muestras de Ryugu ciertamente se deriva del uracilo. Este pico también se observó en el extracto del meteorito Orgueil (Fig. 4 ) y el análisis MS/MS (ver Métodos) para el pico a ~16 min mostró una clara coincidencia en el patrón de fragmentación de masa con el estándar auténtico de uracilo (Fig. 3 complementaria). La identificación de uracilo en los extractos de Orgueil refuerza aún más nuestra conclusión de que el pico detectado a los 16 min en los extractos de Ryugu seguramente se deriva del uracilo. La detección simultánea de uracilo de los extractos A0106 y C0107 mediante una técnica de separación diferente utilizando un instrumento de electroforesis capilar-espectrometría de masas de alta resolución (CE-HRMS) es una evidencia importante que respalda de manera confiable la detección analítica de uracilo con HPLC/ESI-HRMS como se discutió arriba (Fig. 5 ).
Cromatogramas de masas en el m/z de 113,0346 que corresponde al ion protonado de número de masa exacto para el uracilo en el hidrolizado ácido de los extractos de agua caliente de las muestras A0106 y C0107. Para Orgueil, también se mostraron los cromatogramas de masas medidos antes y después de la hidrólisis ácida. Los datos de la muestra en blanco y los estándares auténticos también se muestran para comparar. Los números entre paréntesis representan el rango del eje vertical en los cromatogramas de muestra.
Validación cruzada e identificación molecular de alta resolución de uracilo obtenido de extractos de agua caliente (fracción no hidrolizada) para Ryugu A0106 y C0107 mediante el uso de electroforesis capilar (CE) junto con espectrometría de masas orbitrap de alta resolución (CE-HRMS). Los datos del estándar auténtico también se muestran para comparar. La señal de color rojo representa el uracilo en el tiempo de migración (18,4 min).
La concentración de uracilo fue de 11 ± 6 y 32 ± 9 ppb en las muestras A0106 y C0107, respectivamente, las cuales fueron inferiores a las detectadas en el mismo extracto del meteorito Orgueil analizado en el presente estudio (140 ppb, Tabla 1) , y inferior al informado previamente (73 ppb) 8 , pero comparable al de las condritas CM2 (Tabla 1 ). Es probable que la hidrólisis ácida haya liberado o sintetizado uracilo a partir de sus derivados o precursores en los extractos de agua caliente, como es el caso de los aminoácidos en los meteoritos carbonosos 16 . De hecho, en el extracto de Orgueil, la concentración de uracilo aumentó en un factor de 1,5 después de la hidrólisis ácida (Tabla 1). Aplicando este factor a las muestras de Ryugu, la concentración de uracilo antes de la hidrólisis ácida se estima en 7 ± 4 y 21 ± 6 ppb en las muestras A0106 y C0107, respectivamente. Esto implica que el uracilo ha estado presente en las muestras de Ryugu como una forma lábil hasta cierto punto, lo que es consistente con la detección de uracilo en el extracto de agua caliente de ambas muestras de Ryugu antes de la hidrólisis ácida (Fig. 5) .). No se identificaron positivamente otras nucleobases de ADN/ARN en las muestras A0106 y C0107. Esto no excluye necesariamente la posibilidad de que esas nucleobases estén presentes en las muestras de Ryugu, pero pueden estar por debajo del límite de detección en las condiciones experimentales empleadas (consulte la Información complementaria para la no detección de nucleobases de purina). Tenga en cuenta que cualquier citosina que estuviera presente puede haber sido desaminada para producir uracilo tras la extracción con agua caliente durante 20 h a 105 °C, seguida de hidrólisis ácida durante la misma duración a 105 °C, como se ha demostrado en experimentos de laboratorio 17 , 18. Por lo tanto, no se puede excluir la posibilidad de que haya citosina en las muestras de Ryugu antes del tratamiento. El límite superior para las concentraciones de precursores de uracilo, incluida la citosina, se puede estimar a partir de la diferencia en la concentración de uracilo antes y después de la hidrólisis ácida, en 4 y 11 ppb en las muestras A0106 y C0107, respectivamente. Podría haber otros mecanismos de formación de uracilo en la muestra de Ryugu además de la hidrólisis de sus precursores químicos. Dado que Ryugu parece no haberse calentado por encima de los 100 °C después de la alteración acuosa 5 y por encima de los 200 °C por calentamiento radiativo a una profundidad de ~1 m por debajo de la superficie después de su transición orbital a la órbita cercana a la Tierra 19, los mecanismos de formación a temperaturas relativamente bajas pueden desempeñar un papel en su formación. Las reacciones fotoquímicas de los hielos interestelares que están compuestos de H 2 O, NH 3 , CH 3 OH y otras moléculas simples, seguidas por la acumulación en el asteroide tras la formación del sistema solar, pueden ser una de las vías posibles para la síntesis de bases nitrogenadas 12 , 20 . Las nucleobases, incluido el uracilo, también podrían sintetizarse mediante la adición lateral de pirimidina a través de reacciones fotoquímicas en hielos 21 y mediante procesos energéticos a formamida en asteroides 22 .
Detección de otros N-heterociclos
Además del uracilo, sus isómeros estructurales 2-ICA y 4-ICA también se identificaron en el cromatograma en la m/z de 113,0346 (Fig. 4 ). La presencia de orgánicos con grupos carboxilo es consistente con el hallazgo de ácidos orgánicos de bajo peso molecular en el informe anterior 6 . Durante mucho tiempo se ha considerado que los imidazoles actúan como catalizadores en la activación de monómeros orgánicos como nucleótidos y aminoácidos 13 , 14 , 23 , por lo que se espera que desempeñen un papel importante en la evolución química de los asteroides y también en la Tierra primitiva. La concentración de 4-ICA está en el mismo rango que la de uracilo, mientras que la de 2-ICA es claramente inferior a la de los otros dos isómeros (Tabla 1). La abundancia relativamente baja de 2-ICA es consistente con la observada en el meteorito Orgueil (Tabla 1 ) y los meteoritos carbonosos CM2 11 . Tenga en cuenta que se cree que los imidazoles que se sustituyeron en la posición 4 del anillo se forman a partir del cianuro de hidrógeno (HCN) a través de una vía prebiótica propuesta hacia la formación de nucleobases de purina 24 , 25 . Si este es el caso de los asteroides carbonosos, la preferencia de 4-ICA sobre 2-ICA en las muestras y meteoritos de Ryugu puede demostrar una vía de evolución molecular de este tipo desde HCN hasta nucleobases de purina en un entorno natural.
También detectamos especies a base de piridina en el hidrolizado ácido de las muestras de Ryugu. La Figura 6 muestra cromatogramas de masas en el m/z de 124,0393, que corresponde al ion protonado del ácido nicotínico (C 6 H 5 NO 2 ). En las muestras A0106 y C0107 se identificaron ácido nicotínico, conocido como niacina a B 3 vitamer, y su isómero estructural ácido isonicotínico (Tabla 1 ). Estas moléculas también se identificaron en el extracto de agua caliente y su hidrolizado ácido del meteorito Orgueil (Fig. 6), aunque sus concentraciones son un orden de magnitud mayores que las de las muestras de Ryugu. Estas moléculas también han sido identificadas en varias condritas carbonáceas y son más abundantes que las nucleobases 11 , 26 . Su isómero estructural, el ácido picolínico (Fig. 1 complementaria ), no se identificó ni en Ryugu ni en las condritas carbonáceas (Fig. 6 ). Esto es consistente con la distribución de productos de laboratorio que se formaron por reacciones fotoquímicas de análogos de hielo interestelar que contienen H 2 O, CO, CH 3 OH y NH 3 a 10 K 11 , 12 (Fig. 4 complementaria ), lo que también sugiere una contribución de las reacciones fotoquímicas a baja temperatura al origen de los N-heterociclos en las muestras de Ryugu. No se detectó nicotinamida (C 6 H 6 N 2 O), otro vitámero B 3 , en los hidrolizados ácidos de las muestras A0106 y C0107. Sin embargo, esta molécula puede haber estado presente originalmente en las muestras de Ryugu, pero se habría descompuesto con la hidrólisis ácida del extracto de agua caliente. De hecho, la nicotinamida y su isómero estructural, la isonicotinamida, se detectaron en el extracto de agua caliente del meteorito Orgueil antes de la hidrólisis ácida, mientras que no lo fueron después de la hidrólisis ácida (Figura 5 y Tabla 1 complementarias ) .), lo que apoya nuestra suposición anterior. Dado que la nicotiniamida y la isonicotinamida también están presentes en los meteoritos CM2 Murchison 11 , también pueden ser comunes en los asteroides carbonosos de tipo CI. ............................... siga leyendo........ https://www.nature.com/articles/s41467-023-36904-3?utm_medium=affiliate&utm_source=commission_junction&utm_campaign=CONR_PF018_ECOM_GL_PHSS_ALWYS_DEEPLINK&utm_content=textlink&utm_term=PID100052172&CJEVENT=0095dc77c88b11ed826f00570a18ba72
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