Nuevas estructuras químicas explican el origen de la vida celular

Las moléculas orgánicas más simples pueden autoensamblarse para dar estructuras similares a las células en las condiciones tempranas de la Tierra, según científicos de las universidades de Tokio y Nacional de Malasia.

Los investigadores han demostrado que los alfa-hidroxiácidos simples, como el ácido glicólico y láctico, se polimerizan espontáneamente y se autoensamblan en microgotas de poliéster cuando se secan a temperaturas moderadas seguido de rehidratación. Esto podría ser lo que sucedió a lo largo de playas primitivas y orillas de ríos, o en charcos desecados.

Estos forman un nuevo tipo de compartimiento similar a una célula que puede atrapar y concentrar biomoléculas como los ácidos nucleicos y las proteínas. Estas gotitas, a diferencia de la mayoría de las células modernas, son capaces de fusionarse y reformarse fácilmente, por lo que podrían haber alojado sistemas genéticos y metabólicos tempranos y versátiles potencialmente críticos para los orígenes de la vida.

Toda la vida en la Tierra está formada por células. Las células se componen de lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, con el lípido que forma la membrana celular, un recinto que mantiene los otros componentes juntos e interactúa con el medio ambiente, intercambiando alimentos y desechos. Cómo los ensamblajes moleculares tan complejos como las células formadas originalmente sigue siendo un misterio.

La mayoría de los orígenes de la investigación de la vida se centran en cómo las moléculas y las estructuras de la vida fueron producidas por el ambiente y luego ensambladas en estructuras que condujeron a las primeras células. Sin embargo, probablemente hubo muchos otros tipos de moléculas que se formaron junto con las biomoléculas en la Tierra primitiva, y es posible que la vida comenzara a usar una química muy simple no relacionada con las biomoléculas modernas, y luego evolucionó a través de etapas cada vez más complejas para dar lugar a las estructuras que se encuentran en las células modernas.

Trabajos previos mostraron que el secado a temperatura moderada de los compuestos orgánicos simples conocidos como alfa-hidroxiácidos, que se encuentran en los meteoritos y en muchas simulaciones de química prebiológica, los polimeriza espontáneamente en mezclas de poliésteres largos. Sobre la base de este trabajo, Toni Z. Jia, del Instituto de Tecnología de Tokio y sus colegas dieron el siguiente paso y examinaron estas reacciones bajo el microscopio, y encontraron que estos sistemas mixtos de poliéster forman una fase de gel y se autoensamblan espontáneamente cuando se rehumedecen para formar estructuras simples de tipo celular.

El aspecto más desafiante de este trabajo fue idear nuevos métodos para caracterizar las propiedades y funciones de las gotitas, ya que nadie había analizado tales sistemas antes. Jia señaló que el equipo tuvo la suerte de contar con una diversidad de expertos multidisciplinarios, incluidos químicos, bioquímicos, científicos de materiales y geólogos.

Después de determinar su composición y mostrar su propensión a autoensamblarse, la siguiente pregunta era si estas estructuras de tipo celular podrían hacer algo químicamente útil. Las membranas celulares modernas realizan muchas funciones cruciales que ayudan a mantener la célula, por ejemplo, reteniendo las macromoléculas y los metabolitos en un lugar, además de proporcionar un ambiente interno constante, que puede ser muy diferente del que está fuera de la célula. Primero midieron qué tan estables eran estas estructuras y descubrieron que podían persistir durante largos períodos de tiempo dependiendo de las condiciones ambientales, pero también podían fusionarse.

Luego probaron la capacidad de estas estructuras para secuestrar moléculas del medio ambiente y descubrieron que acumulaban grandes moléculas de colorante en un grado notable. Luego demostraron que estas gotitas también podrían alojar moléculas de ARN y proteínas y aún permitir que sean funcionalmente catalíticas. Además, el equipo demostró que las gotitas podrían ayudar en la formación de una capa lipídica en su superficie, lo que sugiere que podrían haber ayudado a la formación de protocélulas en los andamios.

Jia y sus colegas no están seguros de que estas estructuras sean los ancestros directos de las células, pero creen que es posible que estas gotas hayan permitido el ensamblaje de las protocélulas en la Tierra. El nuevo sistema de compartimentación que han encontrado es extremadamente simple, señalan, y podría formarse fácilmente en entornos primitivos en todo el universo.

“Esto nos permite imaginar sistemas no biológicos en la Tierra primitiva que aún podrían haber tenido una mano en los orígenes de la vida. Esto sugiere que puede haber muchos otros sistemas no biológicos que deberían ser objetivos de futuras investigaciones de este tipo”, dijo Jia en un comunicado. Él cree que el desarrollo de estos sistemas modelo o uno similar podría permitir un mejor estudio de la evolución de diversos sistemas químicos representativos de los complejos químicos que probablemente se encuentren en los cuerpos planetarios primitivos.

“La Tierra primitiva era sin duda un lugar químicamente desordenado”, explica Jia, “y con frecuencia, la mayoría de los orígenes de los estudios de la vida se centran en las biomoléculas modernas en condiciones relativamente” limpias “Quizás es importante tomar estas mezclas ‘desordenadas’ y ver si hay funciones o estructuras interesantes que pueden surgir de ellas espontáneamente”.

Fuente: EP

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