Miles de millones de años de evolución han hecho células modernas increíblemente complejas. Dentro de las celdas hay pequeños compartimentos. llamados organelos que realizan funciones específicas esenciales para la supervivencia y el funcionamiento de la célula. Por ejemplo, el núcleo almacena material genético y las mitocondrias producen energía.
Otra parte esencial de una célula es la membrana que la encierra. Las proteínas incrustadas en la superficie de la membrana controlan el movimiento de sustancias dentro y fuera de la célula. Esta sofisticada estructura de membrana permitió la complejidad de la vida tal como la conocemos. Pero, ¿cómo consiguieron mantener todo unido las células más antiguas y simples antes de que evolucionaran estructuras de membrana elaboradas?
En nuestra investigación recientemente publicada en la revista Science Advances, mis colegas de la Universidad de Chicago y la Universidad de Houston y yo exploró una posibilidad fascinante que El agua de lluvia jugó un papel crucial. en la estabilización de las primeras células, allanando el camino para la complejidad de la vida.
El origen de la vida.
Una de las preguntas más intrigantes de la ciencia es cómo comenzó la vida en la Tierra. Los científicos se han preguntado durante mucho tiempo cómo la materia no viva, como el agua, los gases y los depósitos minerales, se transformó en células vivas capaces de replicarse, metabolizarse y evolucionar.
Farmacia Stanley Miller y Harold Urey en la Universidad de Chicago realizó un experimento en 1953 demostrando que compuestos orgánicos complejos, es decir, moléculas basadas en carbono, podrían sintetizarse a partir de compuestos orgánicos e inorgánicos más simples. Utilizando agua, metano, amoníaco, gases de hidrógeno y chispas eléctricas, estos químicos formaron aminoácidos.
Los científicos creen que las primeras formas de vida, llamadas protocélulassurgió espontáneamente de moléculas orgánicas presentes en la Tierra primitiva. Estas estructuras primitivas, parecidas a células, probablemente estaban formadas por dos componentes fundamentales: un material de matriz que proporcionaba un marco estructural y un material genético que llevaba instrucciones para el funcionamiento de las protocélulas.
Con el tiempo, estas protocélulas habrían desarrollado gradualmente la capacidad de replicarse y ejecutar procesos metabólicos. Ciertas condiciones son necesarias para que ocurran reacciones químicas esenciales, como una fuente constante de energía, compuestos orgánicos y agua. Los compartimentos formados por una matriz y una membrana proporcionan de manera crucial un entorno estable que puede concentrar los reactivos y protegerlos del entorno externo, permitiendo que se produzcan las reacciones químicas necesarias.
Así, surgen dos preguntas cruciales: ¿De qué materiales estaban hechas la matriz y la membrana de las protocélulas? ¿Y cómo permitieron que las células primitivas mantuvieran la estabilidad y la función que necesitaban para transformarse en las células sofisticadas que constituyen todos los organismos vivos actuales?
Burbujas versus gotas
Los científicos proponen que dos modelos distintos de protocélulas (vesículas y coacervados) pueden haber desempeñado un papel fundamental en las primeras etapas de la vida.
vesículas Son pequeñas burbujas, como jabón en agua. Están formados por moléculas grasas llamadas lípidos que naturalmente forman láminas delgadas. Las vesículas se forman cuando estas láminas se curvan en una esfera que puede encapsular sustancias químicas y proteger reacciones cruciales de entornos hostiles y una posible degradación.
Como bolsas de vida en miniatura, las vesículas se asemejan en estructura y función a las células modernas. Sin embargo, a diferencia de las membranas de las células modernas, las protocélulas vesiculares habrían carecido de proteínas especializadas que permitan selectivamente que las moléculas entren y salgan de una célula y permitan la comunicación entre células. Sin estas proteínas, las protocélulas vesiculares tendrían una capacidad limitada para interactuar eficazmente con su entorno, lo que limitaría su potencial para la vida.
coacervadospor otro lado, son gotitas formadas a partir de una acumulación de moléculas orgánicas como péptidos y ácidos nucleicos. Se forman cuando las moléculas orgánicas se unen debido a propiedades químicas que las atraen entre sí, como las fuerzas electrostáticas entre moléculas con cargas opuestas. Estas son las mismas fuerzas que hacen que los globos se adhieran al cabello.
Uno puede imaginarse los coacervados como gotas de aceite de cocina suspendidas en agua. Al igual que las gotas de aceite, las protocélulas coacervadas carecen de membrana. Sin una membrana, el agua circundante puede intercambiar materiales fácilmente con las protocélulas. Esta característica estructural ayuda a los coacervados. concentrado de químicos y acelerar las reacciones químicascreando un ambiente animado para los componentes básicos de la vida.
Por tanto, la ausencia de membrana parece hacer que los coacervados sean mejores candidatos a protocélulas que las vesículas. Sin embargo, la falta de membrana también presenta un inconveniente importante: la posibilidad de que se escape material genético.
Protocélulas inestables y con fugas
Unos años después de que los químicos holandeses Se descubrieron gotas coacervadas en 1929.bioquímico ruso Alejandro Oparin propuso que los coacervados fueron el primer modelo de protocélulas. Sostuvo que las gotas de coacervado proporcionaban una forma primitiva de compartimentación crucial para los procesos metabólicos tempranos y la autorreplicación.
Posteriormente, los científicos descubrieron que los coacervados a veces pueden ser compuesto por polímeros con cargas opuestas: moléculas largas en forma de cadena que se parecen a espaguetis a escala molecular y que transportan cargas eléctricas opuestas. Cuando se mezclan polímeros con cargas eléctricas opuestas, tienden a atraerse entre sí y a pegarse para formar gotas sin membrana.
La ausencia de una membrana presentó un desafío: las gotas se fusionan rápidamente entre sí, de manera similar a las gotas de aceite individuales en el agua que se unen formando una gran masa. Además, la falta de membrana permitió que el ARN (un tipo de material genético que se cree que es el Forma más antigua de molécula autorreplicante.crucial para las primeras etapas de la vida: para el intercambio rápido entre protocélulas.
mi colega Jack Szostak demostró en 2017 que la rápida fusión e intercambio de materiales puede conducir a mezcla incontrolada de ARNlo que dificulta la evolución de secuencias genéticas estables y distintas. Esta limitación sugirió que los coacervados podrían no ser capaces de mantener la compartimentación necesaria en las primeras etapas de la vida.
La compartimentación es un requisito estricto para la selección natural y la evolución. Si las protocélulas coacervadas se fusionaran incesantemente y sus genes se mezclaran e intercambiaran continuamente entre sí, todas ellas se parecerían entre sí sin ninguna variación genética. Sin variación genética, ninguna protocélula tendría una mayor probabilidad de sobrevivir, reproducirse y transmitir sus genes a generaciones futuras.
Pero la vida actual prospera con una variedad de material genético, lo que sugiere que la naturaleza de alguna manera resolvió este problema. Por lo tanto, tenía que existir una solución a este problema, posiblemente oculta a plena vista.
Agua de lluvia y ARN
Un estudio que realicé en 2022 demostró que las gotas de coacervado se pueden estabilizar y evitar la fusión si sumergido en agua desionizada — agua libre de iones y minerales disueltos. Las gotas expulsan pequeños iones al agua, lo que probablemente permite que se formen polímeros con cargas opuestas en la periferia. acercarse el uno al otro y forma una capa de piel reticular. Esta “pared” mallada impide efectivamente la fusión de las gotas.
A continuación, con mis colegas y colaboradores, entre ellos Mateo Tirrell y Jack Szostak, estudié el intercambio de material genético entre protocélulas. Colocamos dos poblaciones de protocélulas separadas, tratadas con agua desionizada, en tubos de ensayo. Una de estas poblaciones contenía ARN. Cuando se mezclaron las dos poblaciones, el ARN permaneció confinado en sus respectivas protocélulas durante días. Las “paredes” reticulares de las protocélulas impidieron la fuga de ARN.
Por el contrario, cuando mezclamos protocélulas que no fueron tratadas con agua desionizada, el ARN se difundió de una protocélula a la otra en cuestión de segundos.
Inspirado por estos resultados, mi colega Alamgir Karim Se preguntó si el agua de lluvia, que es una fuente natural de agua libre de iones, podría haber hecho lo mismo en el mundo prebiótico. Con otro colega, Anusha Vonteddudescubrí que el agua de lluvia efectivamente estabiliza las protocélulas contra la fusión.
Creemos que la lluvia puede haber allanado el camino para las primeras células.
Las gotitas con paredes reticulares resisten la fusión y evitan la fuga de su ARN. En esta imagen, cada color representa un tipo diferente de ARN.
Trabajando entre disciplinas
El estudio de los orígenes de la vida aborda tanto la curiosidad científica sobre los mecanismos que llevaron a la vida en la Tierra como preguntas filosóficas sobre nuestro lugar en el universo y la naturaleza de la existencia.
Actualmente, mi investigación profundiza en el inicio mismo de la replicación de genes en las protocélulas. En ausencia de las proteínas modernas que hacen copias de genes dentro de las células, el mundo prebiótico se habría basado en reacciones químicas simples entre nucleótidos (los componentes básicos del material genético) para hacer copias de ARN. Comprender cómo se unieron los nucleótidos formar una larga cadena de ARN es un paso crucial para descifrar la evolución prebiótica.
Para abordar la profunda cuestión del origen de la vida, es crucial comprender las condiciones geológicas, químicas y ambientales de la Tierra primitiva hace aproximadamente 3.800 millones de años. Por lo tanto, descubrir los inicios de la vida no se limita a los biólogos. Ingenieros químicos como yo e investigadores de diversos campos científicos estamos explorando esta fascinante cuestión existencial.
Este artículo fue publicado originalmente en La conversación por Aman Agrawal de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago. Lea el artículo original aquí.
