Todos los seres vivos deben obedecer las leyes de la física – incluyendo la segunda ley de la termodinámica, que establece que el desorden del universo, o entropía, sólo puede crecer. Las células y los organismos altamente ordenados parecen contradecir este principio, pero en realidad se ajustan a él porque generan calor que aumenta la entropía general del universo.
Aún así, sigue habiendo preguntas: ¿Cuál es el umbral teórico de la cantidad de calor que debe generar una célula viva para cumplir con sus limitaciones termodinámicas? En un artículo publicado recientemente en el Journal of Chemical Physics, el físico del MIT Jeremy England modeló matemáticamente la replicación de la bacteria E. coli y descubrió que el proceso es casi tan eficiente como es posible: La E. coli produce, como mucho, unas seis veces más calor del que necesita para cumplir las restricciones de la segunda ley de la termodinámica.
«Teniendo en cuenta de qué está hecha la bacteria y la rapidez con la que crece, ¿cuál sería la cantidad mínima de calor que tendría que expulsar a su entorno? Cuando se compara eso con la cantidad de calor que realmente está agotando, están más o menos en la misma escala», dice England, profesor asistente de física. «Está relativamente cerca de la máxima eficiencia».
El enfoque de England para modelar sistemas biológicos implica la mecánica estadística, que calcula las probabilidades de diferentes disposiciones de átomos o moléculas. Se centró en el proceso biológico de la división celular, mediante el cual una célula se convierte en dos. Durante los 20 minutos que dura el proceso de replicación, una bacteria consume una gran cantidad de alimento, reorganiza muchas de sus moléculas -incluyendo el ADN y las proteínas- y luego se divide en dos células.
Para calcular la cantidad mínima de calor que necesita generar una bacteria durante este proceso, England decidió investigar la termodinámica del proceso inverso, es decir, que dos células se conviertan en una. Esto es tan improbable que probablemente nunca ocurra. Sin embargo, la probabilidad de que ocurra puede estimarse sumando las probabilidades de invertir todas las reacciones menores que tienen lugar durante la replicación.
Una de las reacciones comunes que tienen lugar durante la replicación es la formación de nuevos enlaces peptídicos, que forman la columna vertebral de las proteínas. Invertir espontáneamente ese tipo de reacción llevaría unos 600 años, afirma England. El número de enlaces peptídicos en una bacteria típica es de unos 1.600 millones, y la potencia calorífica necesaria para romper todos esos enlaces es de unos 100.000 millones de unidades naturales.
«Tendría que esperar mucho tiempo para ver cómo se rompen todos esos enlaces», dice England.
Al estimar el tiempo de espera necesario para observar una inversión espontánea de la replicación, England calculó que la cantidad mínima de calor que necesita generar una bacteria mientras se divide es un poco más de una sexta parte de la cantidad que realmente produce una célula de E. coli durante la replicación.
«Como físico que intenta contribuir al estudio de la vida, su éxito me parece sumamente alentador», afirma Carl Franck, profesor asociado de física en la Universidad de Cornell. «Con elegancia, aporta una visión cuantitativa de un aspecto fundamental de la materia viva: la replicación. Se centra en lo que es sencillo e interesante de algo muy complicado».
El hallazgo sugiere que las bacterias podrían crecer mucho más rápido de lo que lo hacen ahora y seguir obedeciendo la segunda ley de la termodinámica. England afirma que, dado que la replicación celular es sólo una de las muchas tareas que E. coli necesita realizar, es poco probable que evolucionen hasta alcanzar su tasa de crecimiento más eficiente posible. Sin embargo, para las aplicaciones de la biología sintética, puede ser útil crear bacterias que puedan dividirse más rápido, lo que este trabajo muestra que es teóricamente posible.
El artículo también puede ofrecer algunas pruebas de por qué el ADN, y no el ARN, evolucionó como la principal forma de material genético, dice England: El ADN es más duradero y no rompe espontáneamente sus enlaces con tanta facilidad como el ARN. Esto significa que el ARN puede tener una ventaja sobre el ADN porque puede crecer más rápido y utilizar los recursos disponibles. Esto apoya una hipótesis sugerida anteriormente de que el ARN pudo haber evolucionado primero, antes de que la vida surgiera en la Tierra, y el ADN apareció más tarde.
«Creo que es una forma útil de intentar comprender un poco mejor los distintos tipos de fuerzas de selección que pueden haber actuado sobre los ácidos nucleicos», afirma England.
Ahora está utilizando el mismo enfoque teórico para modelar cómo evolucionan las células autorreplicantes elaborando nuevas formas de adaptarse a las fluctuaciones del entorno.