Explorando la participación de tungsteno y molibdeno en las vías del metabolismo primitivo: Origen del cofactor piranopterina

Abstract

La evolución del metabolismo ha sido ampliamente estudiada para comprender el origen y la complejidad de las redes bioquímicas. En particular, el metabolismo anaeróbico representa una etapa primordial en la historia de la vida, caracterizada por la ausencia de oxígeno molecular y la utilización de compuestos inorgánicos y orgánicos simples como fuentes energéticas. Entre los elementos esenciales de este proceso se encuentran los cofactores, como la piranopterina, cuya capacidad para coordinar metales, como tungsteno (W) y molibdeno (Mo), ha permitido facilitar reacciones redox en diversos sistemas metabólicos. Este estudio evalúa la incorporación de la vía de síntesis de piranopterina en la expansión de una red metabólica anaeróbica, explorando su relación con las reacciones dependientes de piranopterina (asociadas con W y Mo) y la aparición de los 20 aminoácidos. Para ello, se implementó un algoritmo de expansión en Python, utilizando la base de reacciones de KEGG v.2020 y un conjunto de 49 compuestos iniciales propuestos por Muchowska y col. (2019), representativos de condiciones prebióticas. Los resultados indican que la vía de síntesis de piranopterina emergió en la iteración 26, aproximadamente a mitad del proceso de expansión, como parte de una red más amplia, sostenida por la interdependencia de vías que suministran precursores nitrogenados, azufrados y radicalarios. Se comprobó que la mayoría de las reacciones dependientes piranopterina surgieron antes de completarse dicha vía, lo que sugiere la existencia de agentes orgánicos funcionales previos a la consolidación del cofactor completo. En particular, las reacciones dependientes de W emergieron en etapas más tempranas que aquellas asociadas a molibdeno, en concordancia con la hipótesis de un rol más antiguo de W en ambientes anóxicos, mientras que Mo habría adquirido mayor relevancia en etapas más avanzadas del metabolismo. El análisis del orden de aparición de los 20 aminoácidos reveló que estos surgieron antes y durante la síntesis de la piranopterina, lo que indica que su incorporación ocurrió en un entorno ya bioquímicamente activo, con sistemas enzimáticos funcionales previamente establecidos. A diferencia de estudios previos, este trabajo vincula directamente la emergencia de cofactores especializados como la piranopterina con el desarrollo temprano de rutas catalizadas por metales de transición y con la aparición de los aminoácidos, aportando una perspectiva complementaria al modelo propuesto por Goldford y col. (2023). Si bien el modelo utilizado presenta limitaciones, como la simultaneidad en la creación de compuestos por iteración, la influencia del conjunto de semillas y la ausencia de restricciones en la reversibilidad de las reacciones, futuras modificaciones permitirán aproximarse a un escenario más realista de la evolución de redes metabólicas. Estos hallazgos abren nuevas líneas de investigación en astrobiología y genómica evolutiva, especialmente en relación con la adaptación bioquímica a condiciones aerobias.

The evolution of metabolism has been extensively studied to understand the origin and complexity of biochemical networks. In particular, anaerobic metabolism represents a primordial stage in the history of life, characterized by the absence of molecular oxygen and the use of simple inorganic and organic compounds as energy sources. Among the essential elements of this process are cofactors such as pterin, whose ability to coordinate metals like tungsten (W) and molybdenum (Mo) has enabled redox reactions in various metabolic systems. This study evaluates the incorporation of the pterin biosynthesis pathway into the expansion of an anaerobic metabolic network, exploring its relationship with pterin-dependent reactions (associated with W and Mo) and the emergence of the 20 amino acids. To this end, a network expansion algorithm was implemented in Python using the KEGG v.2020 reaction database and a set of 49 initial compounds proposed by Muchowska et al. (2019), which are representative of prebiotic conditions. The results indicate that the pterin biosynthesis pathway emerged at iteration 26, approximately halfway through the expansion process, as part of a broader network sustained by the interdependence of pathways supplying nitrogenous, sulfur-containing, and radical precursors. It was found that most pterin-dependent reactions emerged before the pathway was fully completed, suggesting the existence of functional organic agents prior to the consolidation of the complete cofactor. In particular, W-dependent reactions appeared earlier than those associated with molybdenum, in line with the hypothesis of an older role for W in anoxic environments, whereas Mo would have become more relevant in later stages of metabolism. The analysis of the emergence order of the 20 amino acids revealed that they arose before and during pterin synthesis, indicating that their incorporation occurred in an already biochemically active environment, with previously established functional enzymatic systems. Unlike previous studies, this work directly links the emergence of specialized cofactors such as pterin with the early development of transition metal-catalyzed pathways and the appearance of amino acids, offering a complementary perspective to the model proposed by Goldford et al. (2023). Although the model used presents limitations, such as the simultaneous creation of compounds per iteration, the influence of the seed set, and the lack of constraints on reaction reversibility, future modifications will allow for a more realistic scenario of metabolic network evolution. These findings open new lines of research in astrobiology and evolutionary genomics, particularly in relation to biochemical adaptation to aerobic conditions.