El experimento de Miller y el inicio de la química prebiótica

El 15 de mayo de 1953 la revista Science publicó un breve artículo de un estudiante de doctorado de la Universidad de Chicago. En este texto Stanley L. Miller presentó los primeros resultados de su trabajo con Harold C. Urey sobre la simulación de los procesos químicos que pudieron tener lugar en la Tierra primitiva, antes de la existencia de la vida. La síntesis prebiótica de aminoácidos, y diversos compuestos orgánicos a partir de los gases atmosféricos, se consideraba un paso previo para la aparición de las primeras células. El experimento de Miller, ahora considerado un clásico de la ciencia, contribuyó en forma decisiva a transformar el estudio del origen de la vida en una disciplina científica.

Juli Peretó es profesor de bioquímica y biología molecular de la Universitat de ValènciaAntonio Lazcano es catedrático de origen de la vida de la Universidad Nacional Autónoma de México

 Explicación   de Miller y Urey

El experimento de Miller-Urey representa la primera demostración de que se pueden formar espontáneamente moléculas orgánicas a partir de sustancias inorgánicas simples en condiciones ambientales adecuadas.

En 1953 Stanley L. Miller (1930-2007), un estudiante de doctorado de la Universidad de Chicago propuso a su director Harold Urey, realizar un experimento para contrastar la hipótesis de Aleksandr Oparin y J. B. S. Haldane según la cual en las condiciones de la Tierra primitiva se habían producido reacciones químicas que condujeron a la formación de compuestos orgánicos a partir de inorgánicos, que posteriormente originaron las primeras formas de vida. Urey pensaba que los resultados no serían concluyentes pero finalmente aceptó la propuesta de Miller. Diseñaron un aparato en el que simularon algunas condiciones de la atmósfera de la Tierra primitiva. El experimento consistió, básicamente, en someter una mezcla de metano, amoníaco, hidrógeno y agua a descargas eléctricas de 60.000 voltios. Este experimento dio como resultado la formación de una serie de moléculas orgánicas, entre la que destacan ácido acético, ADP-Glucosa, y los aminoácidos glicina, alanina, ácido glutámico y ácido aspártico, usados por las células como los pilares básicos para sintetizar sus proteínas. Este experimento fue clave para comprobar la Teoría del caldo primordial para el origen de la vida.

Esquema del experimento

En el aparato se introdujo la mezcla gaseosa, el agua se mantenía en ebullición y posteriormente se realizaba la condensación; las sustancias se mantenían a través del aparato mientras dos electrodos producían descargas eléctricas continuas en otro recipiente.

Después que la mezcla había circulado a través del aparato, por medio de una llave se extraían muestras para analizarlas. En éstas se encontraron, como se ha mencionado, varios aminoácidos, un carbohidrato y algunos otros compuestos orgánicos.

El experimento realizado por Miller y Urey indicó que la síntesis de compuestos orgánicos, como los aminoácidos, fue fácil en la Tierra primitiva. Otros investigadores –siguiendo este procedimiento y variando el tipo y las cantidades de las sustancias que reaccionan- han producido algunos componentes simples de los ácidos nucleicos y hasta ATP.

Esta experiencia abrió una nueva rama de la biología, la exobiología. Desde entonces, los nuevos conocimientos sobre el ADN y el ARN, el descubrimiento de condiciones prebióticas en otros planetas y el anuncio de posibles fósiles bacterianos encontrados en meteoritos provenientes de Marte, han renovado la cuestión del origen de la vida

El clásico experimento que demostró que se generan aminoácidos cuando moléculas inorgánicas son expuestas a descargas eléctricas no es toda la historia, acaba de dar un giro. La síntesis de Miller-Urey de 1953 tenía dos estudios paralelos adicionales, ninguno de ellos fue publicado. Los frascos que contenían los productos de aquellos experimentos, fueron recuperados recientemente y reanalizados mediante técnicas modernas. Los resultados han sido publicados en la revista Science de esta semana. 

 Aparato empleado la segunda vez por Miller en el experimento no publicado. El agua hirviendo (1) genera una corriente de aire que conduce el vapor de agua y los gases a través del matraz de descarga de chispas (2). Un estrechamiento del aparato de vidrio genera un efecto de espita (circulo aumentado), que incrementa el flujo de aire. Un condensador (3) devuelve parcialmente el vapor al matraz con agua líquida, que gotea hacia abajo a la trampa (4), donde los productos químicos también decantan.

Los autores del artículo, Peretó y Lazcano

TEORIAEl estudio científico del origen de la vida, dentro del pensamiento evolucionista, es relativamente reciente. El bioquímico ruso Aleksandr I. Oparin publicó en 1924 un pequeño libro1 que resolvía la tensión que habían generado los experimentos de Louis Pasteur sobre la imposibilidad de la generación espontánea dentro de la teoría darwinista. Si los organismos debían aparecer por causas naturales, según Charles Darwin, y la generación espontánea de microorganismos no es posible, como demostró Pasteur, ¿cómo surgieron las primeras células en la Tierra primitiva?Oparin propuso que la evolución biológica habría sido precedida de una etapa de evolución química, y que en el planeta primitivo habrían existido las condiciones físicas y los ingredientes químicos necesarios para iniciar la vida. De forma independiente el bioquímico británico John B. S. Haldane propuso en 19292 unas ideas similares e introdujo la idea de una sopa prebiótica formada por los compuestos orgánicos disueltos en los mares como materia prima para la formación de los primeros seres vivos.

El trabajo de Oparin de 1924 no se publicó en inglés hasta 19673. Entretanto, Oparin había elaborado sus ideas en un texto más documentado y desarrollado de 1936 que apareció publicado en Estados Unidos dos años después4. Las ideas de Oparin fueron bien recibidas entre algunos biólogos, pero lo más importante es que generaron un marco intelectual muy fértil no sólo para la elaboración de hipótesis sino también para diseñar experimentos. Por primera vez se podía plantear un intento riguroso de simulación de condiciones y procesos relevantes para nuestra comprensión del origen de la vida.

Dichos intentos experimentales empezaron después de la segunda guerra mundial, en la década de 1950. En 1951 el grupo de Melvin Calvin en Berkeley publicó los

resultados de experimentos de reducción de CO2 usando radiación ionizante5. Este enfoque experimental fue posible tanto por la disponibilidad de carbono marcado (14C), que permitía el seguimiento de los productos,

Aleksandr Ivanovitch Oparin (1894-1980)

como de buenas fuentes de energía en ciclotrones. Sin embargo, Calvin y sus colaboradores obtuvieron muy pocos compuestos y de escaso interés biológico. Al mismo tiempo Harold C. Urey, en su estudio del origen de los planetas, consideraba que la atmósfera de la Tierra primitiva debía ser reductora y que dichas condiciones serían relevantes para el origen de la vida, como el mismo Oparin había supuesto.Stanley L. Miller, después de sus estudios de licenciatura en la Universidad de California en Berkeley, llegó a la Universidad de Chicago a realizar la tesis doctoral en septiembre de 1951. Poco después asistió a un seminario en el que Urey exponía su idea de que la atmósfera de la Tierra primitiva debía parecerse a la de los  

El aparato de Stanley Miller atrajo menos atención aunque proporcionó los resultados más emocionantes, ha manifestado Adam Jonson, autor del informe de la revista Science. “Pensamos que en parte fuera debido a que entonces no disponían de los medios analíticos de que disponemos hoy, por lo que se han perdido muchos de ellos”. Johnson es un candidato a doctor en el IU Blooming Biochemistry Program. Su asesor es la biogeoquímica Lisa Pratt, profesora de Ciencias Geológicas y directora del Indian-Princeton-Tenessee Astrobiology Institute de la NASA. 

El 15 de Mayo de 1953, el artículo de la revista Science decía, “Producción de aminoácidos bajo las posibles condiciones primigenias de la Tierra”, Miller solo identificó cinco aminoácidos: ácido aspartico, glicina (amino-acético), ácido alfa-amino butírico y dos variedades de alanina. El ácido aspartico, la glicina y la alanina, son constituyentes de las proteínas naturales. Miller dependía de una técnica mediocre para identificar las moléculas orgánicas que había creado en el laboratorio bajo las condiciones primitivas, según los estándares de hoy. En el diario de la American Chemical Society, Miller identificó otros compuestos tales como ácidos carboxílicos e hidroxicarboxílicos, pero el no habría podido ser capaz de identificar nada que estuviera presente a concentraciones muy bajas. 

Johnson químico de la Scripps Institution of Oceanography Marine, Jeffrey Bada (principal investigador de este artículo de la revista Science), Antonio Lazcano biólogo de la National Autonomous University of Mexico, James Cleaves químico de la Carnegie Institution of Washington, y los astrobiólogos Jason Dworkin y Daniel Glavin del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA, examinaron los frascos procedentes del experimento de Miller a principios de los 50. 

Estos frascos asociados a los originales, contenían muchas más moléculas orgánicas de las que Stanley Miller observó, 14 aminoácidos y 5 aminas. 

Los 11 frascos recuperados del experimento inédito provistos del aspirador, produjeron no obstante 22 aminoácidos y las mismas 5 aminas que los obtenidas en el experimento original. “Creímos que teníamos más que aprender del experimento original de Miller” dijo Bada. “Encontramos que, en comparación con el diseño con el que todo el mundo está familiarizado a través de los libros de texto, el aparato volcánico produce una mayor variedad de compuestos”, y Jonson añadió, muchos de estos otros aminoácidos poseen grupos hidroxilo, lo que indica que han sido más reactivos, con la posibilidad de generar moléculas totalmente nuevas con tiempo suficiente”. Deleitan los resultados de la revisión del experimento, pero también nos dejan perplejos.  

¿Qué es lo que está impulsando a la diversidad molecular del segundo experimento, y porqué no publicó Miller los resultados del mismo? Una posible respuesta a la primera pregunta puede ser el incremento de flujo del mismo, afirmó Jonson, y “retirar las moléculas recién formadas del matraz de chispas mediante el incremento del flujo parece crucial, parece menos importante la posibilidad de que, el chorro de vapor impulsase a las moléculas recién formadas fuera del matraz de descargas de chispas antes de que se produjeran reacciones adicionales en su seno. Otra razón puede ser que la presencia de más cantidad de agua en la reacción permita

que se den una mayor variedad de reacciones”. 

Una respuesta a la segunda cuestión se relega a la especulación. Miller, un héroe aún para muchos científicos falleció por un corazón débil en 2007. Jonson manifestó que, él y Bada sospecharon que Miller no estaban impresionados con los resultados del segundo experimento y optó por comunicar a los editores de Science los resultados de un experimento más simple. 

En un tercer intento, también Miller no dio a conocer un experimento con un equipo que poseía un aspirador, pero utilizó una descarga “silenciosa”. Este tercer dispositivo parece que producía una menor diversidad de moléculas orgánicas. 

La investigación acerca de la geoquímica planetaria primigenia y los orígenes de la vida no está limitada a los estudios en la Tierra. Conforme los seres humanos exploran el Sistema Solar, las investigaciones del pasado o el presente de la vida extraterrestre son inevitables. Las recientes especulaciones se han centrado en Marte, cuyas regiones polares se sabe que contienen hielo de agua, pero existen otros candidatos como Europa (luna de Júpiter) y Encelado (luna de Saturno), ambas cubiertas de agua helada. El Instituto de Astrobiología de la NASA que apoya estas investigaciones, ha mostrado un gran interés en la revisión de la síntesis de Miller-Urey. 

“Esta investigación es el resultado de un labor conjunta de las Fundaciones Experimentales de Astrobiología, y los apasionantes resultados nos llevan hacia una mayor comprensión acerca de cómo pudo aparecer la vida en la Tierra”, ha manifestado Carl Pilcher, director del Instituto de Astrobiología de la NASA