Resumen: Si la evolución de la vida es vista como una batalla de los más aptos, es posible imaginar una batalla aún en el nivel químico por lo que podría actuar en última instancia como una sola célula. En términos que podrían utilizar los bioquímicos, la batalla de las burbujas, la competencia por encapsular una protocélula, tiene algunos nuevos contendientes.





Basado en un reporte del HHMI

En un proyecto relacionado llevado a cabo por miembros del Instituto de Astrobiología de la NASA, los científicos han creado estructuras orgánicas primitivas parecidas a las células. Lo hicieron en su laboratorio duplicando las duras condiciones del frío espacio interestelar.

Los investigadores del Instituto Médico Howard Hughes están proponiendo que la primera batalla por la supervivencia del más apto podría haberse dado como un simple duelo físico entre burbujas grasosas rellenas de material genético. Los científicos sugieren que el material genético que se replicaba rápidamente puede haber sido todo lo que las burbujas necesitaban para eliminar a sus competidoras y comenzar a evolucionar hacia células más sofisticadas.

Esta posibilidad, revelada por experimentos de laboratorio con sacos artificiales de ácidos grasos presenta un agudo contraste con una teoría actual de la evolución primitiva de las células, que sugiere que la evolución celular fue impulsada por la maquinaria genética primordial que sintetizó activamente membranas celulares o que de alguna forma influenció la estabilidad o la división celular.

Los investigadores, liderados por el investigador del Instituto Médico Howard Hughes, Jack W. Szostak, publicaron sus hallazgos en el número del 3 de setiembre de 2004 de la revista Science. Szostak y la autora principal Irene Chen, ambos pertenecientes al Hospital General de Massachusetts y a la Escuela Médica de Harvard, colaboraron en los estudios con Richard Roberts del Instituto de Tecnología de California.

Las células son básicamente sacos encapsulados por membranas de dos capas de ácidos grasos y otros lípidos, además de proteínas. Una cuestión central de la evolución es cómo simples versiones de estas células, o vesículas, aparecieron por primera vez y comenzaron el proceso de competencia que impulsó la evolución de la vida.

“La mayor parte de las ideas previas acerca de cómo crecieron y evolucionaron las células crecieron y evolucionaron estaban basadas en la idea de la evolución inicial de los ARN estructurales o ribosomas: enzimas que podrían sintetizar moléculas de membranas”, dijo Szostak. Los ribosomas podrían haber fabricado más material membranoso mientras que los ARN estructurales podrían haber formado un citoesqueleto que influenció la estabilidad, forma, crecimiento y/o división, dijo.

El sistema experimental de la clásica “sopa primordial” de Stanley Miller, con un océano simulado, relámpagos, y un caldo de hidrógeno, metano, amoníaco y agua.

Sin embargo, Szostak y sus colegas teorizan que un proceso físico mucho más simple podría explicar porqué las células competirían unas con otras por los materiales necesarios para aumentar su tamaño.

“Propusimos que el material genético podría impulsar el crecimiento de las células por la simple razón de estar allí”, dijo. “Como el ARN ejerce una presión osmótica en el interior de estas pequeñas vesículas membranosas, esta presión interna presiona a la membrana, que intenta expandirse. Propusimos que podría hacerlo por medio de la transferencia espontánea de material de otras vesículas cercanas que tengan una menor presión interna en razón de tener menos material genético en su interior”.

Para poder probar su teoría, los investigadores construyeron primero simples “protocélulas” modelo, llenando vesículas de ácidos grasos con una solución de sacarosa o con algún solvente sin sacarosa. La solución de sacarosa creó dentro de las vesículas una presión osmótica mayor de la que producían las vesículas que contenían solamente al solvente. Las membranas de las vesículas simples no eran tan sofisticadas como las membranas de las células que viven actualmente, dijo Szostak. Sin embargo, se parecían mucho a las formas de vesículas primordiales que podrían haber existido en el principio de la evolución.

“... alguna pequeña charca tibia, con toda clase de sales fosfóricas y de amoníaco, luz, calor, electricidad, etc...”, Charles Darwin, sobre los orígenes de la vida en las charcas producidas por las mareas. Crédito: Smithsoniano

Cuando los científicos mezclaron las dos vesículas, observaron que las que contenían sacarosa (en las que había una mayor tensión en las membranas) crecían, de hecho, obteniendo material membranoso de aquellas que no la contenían.

“Una vez que comenzamos a entender cómo trabajaba este proceso, nos trasladamos a versiones más interesantes, en las que cargamos las vesículas con moléculas genéticas”, dijo Szostak. Los investigadores llevaron a cabo las mismas pruebas de competencia utilizando vesículas cargadas con los bloques moleculares básicos del material genético, llamados nucleótidos. A continuación, usaron segmentos de ARN, y finalmente una gran molécula de ARN natural. En todos los casos, observaron que las vesículas hinchadas con el material genético crecían, mientras que aquellas que no tenían material genético se encogían.

Es importante hacer notar, dijo Szostak, que las concentraciones de material genético que utilizaban en este grupo eran comparables a las que se encuentran en las células vivas.

“En contraste con la idea anterior de que la competencia Darwiniana en el nivel celular tuvo que esperar hasta la evolución de los ribosomas sintetizadores de lípidos o a ARNs estructurales, nuestros resultados muestran que todo lo que se necesita es tener ARN replicador”, dijo Szostak. “Las células que tenían un ARN que se replicaba mejor (y finalizaban con más ARN en su interior) crecerían más rápido. Así, existe un enlace directo entre lo bien que se replica el ARN y cuán rápidamente puede crecer la célula. Está basado simplemente en un principio físico y emergería espontáneamente”, dijo.

De acuerdo a Szostak, el próximo paso en la investigación dependerá de otro esfuerzo mayor que se está llevando a cabo en su laboratorio para crear moléculas artificiales de ARN replicante.

“Si podemos conseguir ARNs auto-replicantes, entonces podremos ponerlos dentro de estos simples compartimentos membranosos y esperar que podamos ver realmente el proceso competitivo de crecimiento que estamos hipotetizando”, dijo.