Descubren cómo calcular la energía mínima que gastan las células para mantener ciertas vías metabólicas

Expertos internacionales encabezados por la Universidad de Tokio (Japón) han propuesto un nuevo enfoque para calcular los llamados «costos de vida» desde una perspectiva termodinámica, con el objetivo de ofrecer una herramienta innovadora para comprender cómo se seleccionaron y evolucionaron las vías metabólicas en los orígenes de la vida. Este planteamiento se desarrolla en un artículo reciente publicado en Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (JSTAT).

El punto de partida del estudio es la constatación de que existen costos energéticos fundamentales que la mecánica clásica no logra capturar. Un ejemplo claro es la energía necesaria para mantener activos determinados procesos bioquímicos –como los implicados en la fotosíntesis– al tiempo que se inhiben otras reacciones alternativas que serían físicamente posibles. En la mecánica tradicional, si no hay desplazamiento, el trabajo es cero y, por tanto, impedir que algo ocurra no tendría ningún coste. Sin embargo, análisis detallados basados en la termodinámica estocástica muestran que, en sistemas vivos, mantener estas restricciones sí implica un gasto energético real y, en muchos casos, considerable.

Este problema se remonta a los albores de la vida. Cuando, en los océanos primitivos, un conjunto de moléculas orgánicas formó una frontera externa –la primera membrana celular– surgió por primera vez una separación clara entre un interior y un exterior. Desde ese momento, ese sistema incipiente tuvo que invertir energía para sostener la compartimentación y para seleccionar, entre una enorme variedad de reacciones químicas posibles, solo unas pocas vías metabólicas capaces de aprovechar recursos del entorno y transformarlos en productos útiles. La vida emergió, por tanto, ligada de forma inseparable al esfuerzo de mantener límites y tomar «decisiones» químicas.

Los procesos metabólicos no solo conllevan un coste directo asociado a las reacciones químicas que los componen, sino también un coste adicional derivado de dirigir los flujos químicos hacia una vía concreta y evitar que se dispersen en múltiples alternativas. Desde el punto de vista de la mecánica clásica, estas restricciones se consideran condiciones externas fijas y no se asocian a producción de entropía. El nuevo estudio cuestiona esta visión y propone una manera sistemática de cuantificar esos costos ignorados.

El trabajo fue liderado por Praful Gagrani, de la Universidad de Tokio, junto con Nino Lauber, de la Universidad de Viena, Eric Smith, del Instituto de Tecnología de Georgia y del Instituto de Ciencias de la Tierra y la Vida, entre otros colaboradores. Los investigadores desarrollaron un método para calcular estos costos termodinámicos y utilizarlo para clasificar distintas vías metabólicas según su eficiencia biológica, una información clave para los estudios evolutivos sobre el origen de la vida.

La inspiración del trabajo proviene de investigaciones previas de Eric Smith, quien utilizó un software llamado M*D, desarrollado por Flamm y colaboradores, para enumerar todas las vías químicas capaces de «construir» moléculas orgánicas a partir de CO₂. En un estudio sobre el ciclo de Calvin –el conjunto de reacciones fotosintéticas que convierte dióxido de carbono en glucosa– Smith enumeró todas las rutas posibles que logran esa misma conversión y las clasificó según lo que ahora se denomina costo de mantenimiento. El resultado mostró que el ciclo empleado por la naturaleza se encuentra entre los menos disipativos, es decir, entre los de menor coste energético.

A partir de esta idea, Gagrani y sus colegas formularon un marco general en el que la célula se concibe como un sistema atravesado por flujos constantes: una molécula entra como nutriente y otra sale como producto o residuo. Dada una química específica, se pueden generar todas las vías posibles que conectan entrada y salida, y a cada una se le asigna un costo termodinámico. Este costo no se expresa como energía clásica, sino como la improbabilidad de que, en un entorno dominado solo por reacciones espontáneas, la red química se comporte exactamente de esa forma.

Esa improbabilidad se descompone en dos elementos. El primero es el costo de mantenimiento, asociado a sostener un flujo estable a lo largo de una vía concreta. El segundo es el costo de restricción, que mide lo improbable que resulta bloquear todas las reacciones alternativas mientras se mantiene activa solo la vía deseada. En conjunto, estos costos permiten clasificar las rutas metabólicas según el esfuerzo necesario para mantenerlas operativas.

El análisis arrojó resultados contraintuitivos. Por ejemplo, mostró que utilizar varias vías en paralelo puede ser menos costoso que depender de una sola, una situación comparable a varias personas atravesando túneles estrechos: cuantos más pasajes disponibles, menor es la interferencia. En los sistemas biológicos reales, sin embargo, suele observarse la preferencia por una vía dominante, algo que se explica por la acción de catalizadores como las enzimas, que reducen los costos al acelerar reacciones específicas. Además, mantener múltiples vías puede implicar riesgos adicionales, como la acumulación de compuestos tóxicos.

En conjunto, los autores concluyen que este enfoque ofrece una herramienta prometedora para estudiar el origen y la evolución de la vida, al permitir evaluar los costos asociados a elegir y sostener procesos metabólicos concretos. No obstante, comprender por qué la evolución seleccionó unas vías y no otras exige, subrayan, un esfuerzo verdaderamente multidisciplinario que vaya más allá de la termodinámica.