Teoría de ensamblajes

La teoría de ensamblajes es un marco desarrollado para cuantificar la complejidad de las moléculas y los objetos evaluando el número mínimo de pasos necesarios para ensamblarlos a partir de bloques de construcción fundamentales. Propuesta por el químico Lee Cronin y su equipo, la teoría asigna un índice de ensamblaje a las moléculas, que sirve como indicador medible de su complejidad estructural. Este enfoque permite la verificación experimental y tiene aplicaciones en la comprensión de los procesos de selección, la evolución y la identificación de biofirmas en astrobiología . ^[1]

La hipótesis fue propuesta por el químico Leroy Cronin en 2017 y desarrollada por el equipo que dirige en la Universidad de Glasgow , ^{[2] [3]} luego ampliada en colaboración con un equipo de la Universidad Estatal de Arizona dirigido por la astrobióloga Sara Imari Walker , en un artículo publicado en 2021. ^[4]

La teoría de ensamblajes conceptualiza los objetos no como partículas puntuales, sino como entidades definidas por sus posibles historias de formación. ^[5] Esto permite que los objetos muestren evidencia de selección, dentro de límites bien definidos de individuos o unidades seleccionadas. ^[5] Los objetos combinatorios son importantes en química, biología y tecnología, en las que la mayoría de los objetos de interés (si no todos) son estructuras modulares jerárquicas. ^[5] Para cualquier objeto, un "espacio de ensamblaje" se puede definir como todas las vías ensambladas recursivamente que producen este objeto. ^[5] El "índice de ensamblaje" es el número de pasos en un camino más corto que produce el objeto. ^[5] Para dicho camino más corto, el espacio de ensamblaje captura la memoria mínima, en términos del número mínimo de operaciones necesarias para construir un objeto basado en objetos que podrían haber existido en su pasado. ^[5] El ensamblaje se define como "la cantidad total de selección necesaria para producir un conjunto de objetos observados"; para un conjunto que contiene objetos en total, de los cuales son únicos, el ensamblaje se define como $Estilo de visualización N_{T}$${\estilo de visualización N}$${\estilo de visualización A}$

${\displaystyle A=\mathop {\sum } \limits _{i=1}^{N}{e}^{{a}_{i}}\left({\frac {{n}_{i}-1}{{N}_{\rm {T}}}}\right)}$,

donde denota 'número de copia', el número de ocurrencias de objetos del tipo que tienen el índice de ensamblaje . ^[5]${\displaystyle n_{i}}$${\displaystyle i=\{1,2,\puntos ,N\}}$$Estilo de visualización ai$

Por ejemplo, la palabra 'abracadabra' contiene 5 letras únicas (a, b, c, d y r) y tiene 11 símbolos de longitud. Puede ensamblarse a partir de sus constituyentes como a + b --> ab + r --> abr + a --> abra + c --> abrac + a --> abraca + d --> abracad + abra --> abracadabra, porque 'abra' ya se construyó en una etapa anterior. Como esto requiere al menos 7 pasos, el índice de ensamblaje es 7. ^[6] La palabra 'abracadrbaa', de la misma longitud, por ejemplo, no tiene repeticiones, por lo que tiene un índice de ensamblaje de 10.

Tomemos dos cadenas binarias y como otro ejemplo. Ambas tienen la misma longitud de bits, ambas tienen el mismo peso de Hamming . Sin embargo, el índice de ensamblaje de la primera cadena es ("01" se ensambla, se une consigo mismo en "0101", y se une nuevamente con "0101" tomado del grupo de ensamblaje), mientras que el índice de ensamblaje de la segunda cadena es , ya que en este caso solo "01" se puede tomar del grupo de ensamblaje. ^{[ cita requerida ]}${\displaystyle C=[01010101]}$${\displaystyle D=[00010111]}$${\estilo de visualización N=8}$ $Estilo de visualización N_{1}=N/2=4$${\displaystyle a(C)=3}$${\displaystyle a(D)=6}$

En general, para K subunidades de un objeto O el índice de ensamblaje está limitado por . ^[3]${\displaystyle \log _{2}(K)\leq a_{O}\leq K-1}$

Una vez que se descubre una vía para ensamblar un objeto, el objeto puede reproducirse. La tasa de descubrimiento de nuevos objetos puede definirse por la tasa de expansión , introduciendo una escala de tiempo de descubrimiento . ^[5] Para incluir el número de copias en la dinámica de la teoría del ensamblaje, se define una escala de tiempo de producción, donde es la tasa de producción de un objeto específico . ^[5] Definir estas dos escalas de tiempo distintas , para el descubrimiento inicial de un objeto, y , para hacer copias de objetos existentes, permite determinar los regímenes en los que es posible la selección. ^[5]${\displaystyle k_{\text{d}}}$${\displaystyle \tau _{\text{d}}\aproximadamente 1/k_{\text{d}}}$${\displaystyle n_{i}}$${\displaystyle \tau _{\text{p}}\aproximadamente 1/k_{\text{p}}}$${\displaystyle k_{\text{p}}}$${\estilo de visualización i}$${\displaystyle \tau _{\text{d}}}$${\displaystyle \tau _{\text{p}}}$

Aunque otros enfoques pueden proporcionar una medida de la complejidad, los investigadores afirman que el número de ensamblaje molecular de la teoría de ensamblaje es el primero que se puede medir experimentalmente. Es muy poco probable que las moléculas con un alto índice de ensamblaje se formen de forma abiótica, y la probabilidad de formación abiótica disminuye a medida que aumenta el valor del índice de ensamblaje. ^[5] El índice de ensamblaje de una molécula se puede obtener directamente mediante métodos espectroscópicos . ^{[5] [1]} Este método podría implementarse en un instrumento de espectrometría de masas en tándem de fragmentación para buscar biofirmas . ^[1]

La teoría se extendió para mapear el espacio químico con árboles de ensamblaje molecular, demostrando la aplicación de este enfoque en el descubrimiento de fármacos, ^[2] en particular en la investigación de nuevas moléculas similares a los opiáceos conectando los "elementos del grupo de ensamblaje a través del mismo patrón en el que fueron desconectados de sus compuestos originales".

Es difícil identificar firmas químicas que sean exclusivas de la vida. ^[7] Por ejemplo, los experimentos biológicos del módulo de aterrizaje Viking detectaron moléculas que podrían explicarse por procesos vivos o naturales no vivos. ^[8] Parece que solo las muestras vivas pueden producir mediciones de índice de ensamblaje superiores a ~15. ^[1] Sin embargo, en 2021, Cronin explicó por primera vez cómo los polioxometalatos podrían tener índices de ensamblaje grandes >15 en teoría debido a la autocatálisis. ^[9]

El químico Steven A. Benner ha criticado públicamente varios aspectos de la teoría de ensamblajes. ^[10] Benner sostiene que es claramente falso que los sistemas no vivos, y sin intervención de la vida, no puedan contener moléculas complejas, pero la gente se equivocaría al pensar que, como se publicaron en revistas Nature después de una revisión por pares, estos artículos deben ser correctos.

Un artículo publicado en el Journal of Molecular Evolution ^[11] concluye que "el bombo publicitario en torno a la teoría de ensamblajes se refleja bastante desfavorablemente tanto en los autores como en el sistema de publicación científica en general". El autor ^[11] concluye que lo que "la teoría de ensamblajes realmente hace es detectar y cuantificar el sesgo causado por restricciones de nivel superior en algunos mundos bien definidos basados ​​en reglas"; uno "puede usar la teoría de ensamblajes para verificar si algo inesperado está sucediendo en una gama muy amplia de mundos o universos de modelos computacionales ".

Otro artículo escrito por un grupo de químicos y científicos planetarios, incluido un autor afiliado a la NASA , publicado en el Journal of the Royal Society Interface ^[12] demostró que los procesos químicos abióticos tienen el potencial de formar estructuras cristalinas de gran complejidad, valores que exceden la división abiótica/biótica propuesta de índice MA = 15. Concluyen que "si bien la propuesta de una biofirma basada en un índice de ensamblaje molecular de 15 es un concepto intrigante y comprobable, la afirmación de que solo la vida puede generar estructuras moleculares con un índice MA ≥ 15 es errónea".

• Lista de moléculas interestelares y circunestelares
• Problema de palabras para grupos

• Cronin, Leroy; Walker, Sara Imari (3 de junio de 2016). "Más allá de la química prebiótica". Science . 352 (6290): 1174–1175. Bibcode :2016Sci...352.1174C. doi :10.1126/science.aaf6310. ISSN  0036-8075. PMID  27257242. S2CID  206649123.
• Cronin, Leroy; Krasnogor, Natalio; Davis, Benjamin G.; Alexander, Cameron; Robertson, Neil; Steinke, Joachim HG; Schroeder, Sven LM; Khlobystov, Andrei N.; Cooper, Geoff; Gardner, Paul M.; Siepmann, Peter (2006). "El juego de imitación: un enfoque químico computacional para reconocer la vida". Nature Biotechnology . 24 (10): 1203–1206. doi :10.1038/nbt1006-1203. ISSN  1546-1696. PMID  17033651. S2CID  4664573.
• Ball, Philip (4 de mayo de 2023). "Una nueva teoría sobre el ensamblaje de la vida en el universo". Revista Quanta .