“Goteras” en las membranas celulares ancestrales

“Goteras” en las membranas celulares ancestrales

Toda la vida terrestre procede de un ancestro común, LUCA, un organismo unicelular cuyo aspecto, forma de vida y evolución hacia las modernas células es un misterio con cuatro mil millones de años de antigüedad.

Recientes descubrimientos, publicados en PLOS Biology, sugieren por vez primera que LUCA, el antepasado universal común, podría tener una membrana extremadamente permeable, lo que permitiría resolver dos de las grandes preguntas de la biología:

  1. ¿Por qué todas las células usan el mismo mecanismo para disponer de energía?
  2. ¿Por qué las bacterias y las arqueas, dos tipos de organismos unicelulares que proceden de la parte más antigua del árbol de la vida, tienen membranas celulares diferentes?

Una alta permabilidad de la membrana habría permitido a LUCA disfrutar de la energía natural existente en las cercanías de donde se originó, quizá fuentes hidrotermales situadas en las profundidades del océano, pero al mismo tiempo podría retener el resto de componentes necesarios para la vida.

El equipo investigador modeló los cambios en la membrana, y cómo estos permitieron a los descendientes de LUCA el moverse hacia nuevos y más exigentes ambientes y evolucionar en dos formas distintas de organismos unicelulares: bacterias y arqueas. De esta manera se habrían creado las primeras ramas diferenciadas, en la evolución de la vida.

Arqueas y bacterias comparten muchos rasgos comunes, como genes, proteínas y mecanismos de lectura del ADN, lo que inicialmente hizo pensar a los científicos que se trataba simplemente de formas distintas de bacterias. Su clasificación cambió en los años 70 del siglo XX, después de descubrirse diferencias extremas en como replicaban el ADN y en la estructura de sus membranas celulares. Dado que ambas surgieron de LUCA, esto obligaba a los científicos a encontrar respuestas sobre la estructura y función de la primera membrana.

El estudio publicado sugiere que LUCA vivió en un entorno donde el océano arcaico, densamente cargado de protones (ácido) se mezcló con aguas alcalinas templadas procedentes de las fuentes submarinas, con poco contenido en protones.

La diferencia en la concentración de protones en la confluencia de esos dos ambientes permitió que los protones fluyeran a través de esas permebles membranas, conduciendo a la formación de una molécula llamada Adenosín Trifosfato (ATP), que promovió el crecimiento de las células, al igual que lo hace en la actualidad.

Proceso de diferenciación de las membranas celulares de arqueas y bacterias

A diferencia de las modernas membranas celulares, los científicos piensan que esto solo pudo ocurrir si las atiguas membranas tuvieran “goteras”, o sea, que fuesen muchísimo más permeables que en la actualidad. Esto permitiría a los protones salir espontáneamente de las células, permitiendo que, a su vez, otros entraran para seguir proporcionando energía a LUCA.

El Dr. Nick Lane (UCL Biosciences), que lideró el estudio, nos cuenta: “En las fuentes marinas hay un flujo continuo de aguas alcalinas que se mezclan con las aguas del océano. Al mezclarse, las aguas se neutralizan y esto impide que el flujo de protones se introdujera en las células, pero existen determinadas zonas donde el gradiente de protones está disponible y todavía no ha dado tiempo a su neutralización. Si las primeras membranas hubieran sido muy permeables, entonces los protones podrían haber entrado en las células, para ser neutralizados allí, o bien salir de nuevo al ambiente, casi como si no hubiera ninguna barrera.”

“Lo que hemos demostrado en nuestro estudio es que la tasa de entrada y salida de protones es lo suficientemente elevada como para potenciar el crecimiento de las células a través de proteínas inmersas en la membrana. Así, LUCA podría haberse beneficiado por esos gradientes naturales de protones, pero sólo si hubiera dispuesto de una membrana mucho más permeable que las actuales.”

Para escapar de esos entornos naturales, hacia zonas de aguas más neutras, LUCA habría tenido que adaptar su membrana de forma que pudiera bombear protones fuera de la célula, de forma que pudieran a su vez entrar otros y ayudar en la formación de ATP. El estudio sugiere que arqueas y bacterias desarrollaron dos tipos completamente diferentes de bombas de protones y de membranas celulares, mientras que mantendrían la maquinaria básica para promocionar el crecimiento. Esto también explicaría por qué difieren en otros aspectos dependientes de la membrana, como la replicación del ADN.

Victor Sojo (UCL CoMPLEX/Biosciences), investigador principal, nos dice también: “la explotación de los gradientes es universal, en todas las ramas de la vida, pero el comprender cómo LUCA utilizó uno nos llevaba siempre al problema del huevo y la gallina. LUCA no podría haber creado un gradiente si no sabía cómo explotarlo, ¡pero tampoco podría haber sabido cómo explotarlo si primero no lo construía!”

“Nuestra propuesta de aprovechamiento de los gradientes naturales de protones es la solución a este problema, puesto que LUCA no habría necesitado construir el gradiente, ya que estaba libremente disponible en el ambiente y sólo tuvo que aprovecharlo. Esto implica que las actuales membranas, mucho menos permeables, tuvieron necesariamente que evolucionar más tarde, y que lo hicieron de forma independiente en las arqueas y las bacterias. Esto explicaría por qué las bioenergías de las membranas son universales en ambas ramas celulares pero tanto sus membranas como las bombas de protones de que disponen son distintas.”

“Creo que el trabajo realizado es hermoso”, nos dice Nick Lane “recoge la hipotética secuencia de pasos desde la primera membrana celular hasta la primera división profunda entre las células modernas. Partiendo de una idea sencilla, el modelo puede explicar las diferencias fundamentales entre las bacterias y las arqueas. El que el modelo sea o no correcto puede ser comprobado experimentalmente a partir de unas claras prediciones que se derivan de la hipótesis y que planeamos realizar en el futuro próximo.”

Por ello, en su próximo proyecto el Dr. Lane y su equipo esperan poder recrear el ambiente de las fuentes submarinas, que se cree pudieron ser los lugares donde la vida se originó, hace ya miles de millones de años, y así aprender mejor cómo las moléculas interactúan y se comportan, en esas condiciones.

 

A Bioenergetic Basis for Membrane Divergence in Archaea and Bacteria

http://www.plosbiology.org/article/info:doi/10.1371/journal.pbio.1001926

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