La primera chispa de vida celular en la Tierra probablemente necesitaba un envoltorio de regalo.
Déjame explicarte. Con las fiestas a la vuelta de la esquina, todos comenzamos a pedir regalos. Cada uno está cuidadosamente empaquetado dentro de una caja o sobre envuelto en burbujas y con la dirección para su envío. Sin embalaje, los artículos caerían en un caos caótico y perderían su destino.
Las primeras sustancias químicas de la vida eran, en cierto modo, como estos “regalos”. Flotaron en una sopa primordial y finalmente formaron las moléculas más largas que componen la vida tal como la conocemos. Pero sin una “envoltura” que las encapsulara en paquetes individuales, diferentes moléculas chocaron entre sí pero eventualmente se alejaron, perdiendo las conexiones necesarias para generar vida.
En otras palabras, las “envolturas” celulares o membranas celulares son clave para empaquetar la maquinaria molecular de la vida. Hechas de moléculas grasas, estas envolturas son la base de nuestras células y la base de la vida multicelular. Mantienen a raya a las bacterias y otros patógenos al tiempo que activan los mecanismos biológicos que impulsan las funciones celulares normales.
Los científicos llevan mucho tiempo debatiendo cómo se formaron las primeras membranas celulares. Sus componentes básicos, los lípidos de cadena larga, eran difíciles de encontrar en la Tierra primitiva. Por el contrario, abundaban las moléculas grasas más cortas. Ahora, un nuevo estudio en Química de la naturaleza Ofrece un puente entre estas moléculas grasas cortas y las primeras células primordiales.
Dirigido por Neal Devaraj de la Universidad de California en San Diego, el equipo convirtió moléculas grasas cortas en burbujas que pueden encapsular moléculas biológicas. Luego, el equipo añadió moléculas de ARN modernas para impulsar reacciones químicas dentro de las burbujas y observó cómo funcionaban las reacciones, de manera comparable a las de una célula funcional.
Las membranas celulares diseñadas también resistieron altas concentraciones de sustancias abundantes en los charcos de la Tierra primitiva que podrían dañar su integridad, protegiendo a los portadores moleculares de información genética y permitiéndoles trabajar normalmente.
Las protocélulas resultantes son las últimas en sondear la orígenes de la vida. Para ser claros, sólo imitan partes de células vivas normales. No tienen la maquinaria molecular para replicarse y sus envoltorios son rudimentarios en comparación con los nuestros.
Pero el “fascinante” resultado “abre una nueva vía” para comprender cómo aparecieron las primeras células, afirmó Sheref Mansy, de la Universidad de Trento, que no participó en el estudio. dijo Ciencia.
Al principio
Los orígenes de las moléculas de la vida son muy debatidos. Pero la mayoría de los científicos coinciden en que la vida surgió de tres elementos principales: ADN, ARN y aminoácidos (los componentes básicos de las proteínas).
Hoy en día, en la mayoría de los organismos, el ADN almacena el modelo genético y el ARN transporta esta información genética a las fábricas de producción de proteínas de las células. Pero muchos virus almacenan genes sólo en el ARN, y los estudios de los primeros años de vida sugieren que el ARN puede haber sido el primer portador de herencia. El ARN también puede estimular reacciones químicas, incluidas aquellas que unen aminoácidos a diferentes tipos de proteínas.
Pero independientemente de qué molécula apareció primero, “toda la vida en la Tierra requiere membranas lipídicas”, escriben los autores del nuevo artículo.
Fabricada con una doble capa de moléculas grasas, la membrana celular moderna es una obra de arte. Es la primera defensa contra los invasores bacterianos y virales. También está lleno de “túneles” de proteínas que modifican las funciones de las células; por ejemplo, ayudan a las células cerebrales a codificar recuerdos o a las células del corazón a latir sincronizadas. Estas paredes celulares vivas también actúan como andamios para reacciones bioquímicas que a menudo dictan el destino de las células: si viven, mueren o se convierten en “células zombis” que contribuyen al envejecimiento.
Dado que son tan importantes para la biología, los científicos se han preguntado durante mucho tiempo cómo surgieron las primeras membranas celulares. ¿Qué formó “la primera estructura comparable a una membrana celular primordial en la Tierra antes del surgimiento de la vida”? preguntaron los autores.
Nuestras membranas celulares están construidas sobre largas cadenas de lípidos, pero éstas tienen estructuras químicas complejas y requieren múltiples pasos para sintetizarse, probablemente más allá de lo que period posible en la Tierra primitiva. Por el contrario, las primeras membranas protocelulares probablemente se formaron a partir de moléculas ya presentes, incluidos ácidos grasos cortos que se autoorganizaban.
Regreso al futuro
Anteriormente, el equipo encontró un aminoácido que “engrapa” los ácidos grasos. Llamada cisteína, la molécula probablemente prevalecía en la sopa primordial de nuestro planeta. En una simulación por computadora, agregar cisteína a ácidos grasos cortos hizo que formaran membranas sintéticas.
El nuevo estudio se basó en esos resultados en el laboratorio.
El equipo añadió cisteína a dos tipos de lípidos cortos y observó cómo el aminoácido reunía los lípidos en burbujas en 30 minutos. Los lípidos tenían una longitud comparable a los que probablemente estaban presentes en la Tierra primitiva, y las concentraciones moleculares también imitaban las del período.
A continuación, el equipo observó más de cerca con un microscopio electrónico. Las membranas generadas eran aproximadamente tan gruesas como las de las células normales y muy estables. Finalmente, el equipo simuló un escenario hipotético en la Tierra primitiva donde el ARN sirve como primer materials genético.
“La hipótesis del mundo de ARN se acepta como uno de los escenarios más plausibles del origen de la vida”, escribieron los autores. Esto se debe en parte a que el ARN también puede actuar como enzima. Estas enzimas, denominadas ribozimas, pueden provocar diferentes reacciones químicas, como, por ejemplo, aquellas que pueden unir aminoácidos y lípidos en burbujas. Sin embargo, necesitan un dúo de minerales (calcio y magnesio) para funcionar. Si bien estos minerales probablemente eran muy abundantes en la Tierra primitiva, en algunos casos pueden dañar las membranas celulares artificiales.
Pero en varias pruebas, las protocélulas cultivadas en laboratorio resistieron fácilmente el ataque mineral. Mientras tanto, las protocélulas demostraron que podían generar reacciones químicas utilizando ARN, lo que sugiere que las moléculas grasas cortas pueden construir membranas celulares en la sopa primordial.
Para Claudia Bonfio, de la Universidad de Cambridge, el estudio fue “realmente genial y muy bien hecho”. Pero el misterio de la vida permanece. La mayoría de los ácidos grasos generados en la protocélula no se encuentran en las membranas celulares modernas. El siguiente paso sería demostrar que las protocélulas pueden actuar de forma más parecida a las normales: crecer y dividirse con un metabolismo saludable.
Pero por ahora, el equipo se centra en descifrar el inicios de la vida celular. El trabajo muestra que las reacciones entre sustancias químicas simples en el agua pueden “unirse en masas gigantes”, ampliando las formas en que se pueden formar las membranas de las protocélulas, escribieron.
Crédito de la imagen: Max Kleinen en desempaquetar
