Imágenes de membranas (círculos) tomadas mediante crioscopía electrónica de transmisión. Arriba: membranas en una solución que no contiene aminoácidos. Abajo: membranas en una solución que contiene serina, un aminoácido que activa las membranas para formar múltiples capas de membranas concéntricas. Barras de escala: 100 nanómetros. Crédito: Alex Mileant / Caitlin Cornell

Las primeras células en la Tierra primitiva pueden haber surgido porque las bases estructurales de las proteínas estabilizaron sus membranas.

La vida en la Tierra surgió hace unos 4 mil millones de años cuando las primeras células se formaron dentro de un caldo primordial de compuestos químicos complejos, y ricos en carbono.

Estas células enfrentaron un enigma químico. Necesitaban iones particulares del caldo para realizar funciones básicas. Pero esos, los iones cargados habrían alterado las membranas simples que encapsulaban las células.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Washington ha resuelto este rompecabezas utilizando solo moléculas que habrían estado presentes en la Tierra primitiva. Con el uso de compartimentos del tamaño de células, llenos de líquido rodeados de membranas hechas de grasa de ácido molecular, el equipo descubrió que los aminoácidos, las bases estructurales de las proteínas, pueden estabilizar las membranas contra iones de magnesio. Sus resultados prepararon el escenario para que las primeras células codifiquen su información genética en el ARN, una molécula relacionada con el ADN que requiere magnesio para su producción, al tiempo que mantiene la estabilidad de la membrana.

Los hallazgos, publicados recientemente, van más allá de explicar cómo los aminoácidos podrían haber estabilizado las membranas en entornos desfavorables. También demuestran cómo los componentes estructurales individuales de las estructuras celulares (membranas, proteínas y ARN), podrían haberse co-localizado dentro de ambientes acuosos en la antigua Tierra.

«Las células están formadas por tipos muy diferentes de estructuras con tipos de componentes estructurales totalmente diferentes, y nunca ha estado claro por qué se unirían de manera funcional», dijo el coautor correspondiente Roy Black, profesor afiliado de química de la Universidad de Washington. y bioingeniería. «La suposición era que, de alguna manera, se unieron».

Black llegó a la Universidad de Washington después de una carrera en Amgen por la oportunidad de completar los detalles cruciales que faltan detrás de ese «de alguna manera». Se unió a Sarah Keller, profesora de química de la Universidad de Washington y experta en membranas. Black se inspiró en la observación de que las moléculas de ácido graso pueden auto ensamblarse para formar membranas, y planteó la hipótesis de que estas membranas podrían actuar como una superficie favorable para ensamblar los componentes estructurales del ARN y las proteínas.

«Se pueden imaginar diferentes tipos de moléculas que se mueven dentro de la sopa primordial, como pelotas de tenis borrosas y pelotas de squash que rebotan en una gran caja que se sacude», dijo Keller, quien también es coautor del artículo. “Si alineas una superficie dentro de la caja con Velcro, solo las pelotas de tenis se adherirán a esa superficie y terminarán juntas. Roy tuvo la idea de que las concentraciones locales de moléculas podrían mejorarse mediante un mecanismo similar».

El equipo demostró previamente que los componentes básicos del ARN se unen preferentemente a las membranas de ácidos grasos y, sorprendentemente, también estabilizan las membranas frágiles contra los efectos perjudiciales de la sal, un compuesto común en el pasado y presente de la Tierra.

El equipo planteó la hipótesis de que los aminoácidos también podrían estabilizar las membranas. Utilizaron una variedad de técnicas experimentales, que incluyen microscopía óptica, microscopía electrónica y espectroscopía, para evaluar cómo interactúan 10 aminoácidos diferentes con las membranas. Sus experimentos revelaron que ciertos aminoácidos se unen a las membranas y las estabilizan. Algunos aminoácidos incluso desencadenaron grandes cambios estructurales en las membranas, como la formación de esferas concéntricas de membranas, muy parecidas a las capas de una cebolla.

«Los aminoácidos no solo protegían las vesículas de la interrupción de los iones de magnesio, sino que también creaban vesículas de varias capas, como membranas anidadas», dijo la autora principal Caitlin Cornell, estudiante de doctorado de la Universidad de Washington en el Departamento de Química.

Un modelo de cómo los bloques de construcción de las primeras células pueden haberse co-localizado en las membranas. Izquierda: los componentes estructurales de membranas, ARN y proteínas en la sopa primordial. Medio: se forman membranas (círculo gris) y unen un subconjunto de los componentes estructurales, que a su vez estabilizan las membranas. Derecha: ARN funcional y proteínas encerradas por la membrana. Crédito: Roy Black / Sarah Keller

Los investigadores también descubrieron que los aminoácidos estabilizaron las membranas a través de cambios en la concentración. Algunos científicos han planteado la hipótesis de que las primeras células pueden haberse formado dentro de cuencas poco profundas que pasaron por ciclos de altas y bajas concentraciones de aminoácidos, a medida que el agua se evaporaba y la nueva agua entraba.

Los nuevos hallazgos de que los aminoácidos protegen las membranas, así como los resultados anteriores que muestran que los componentes estructurales del ARN pueden desempeñar un papel similar, indican que las membranas pueden haber sido un sitio para que estas moléculas precursoras se ubiquen, proporcionando un mecanismo potencial para explicar lo que trajo juntos los ingredientes para la vida.

Keller, Black y su equipo centrarán su atención junto a cómo los componentes estructurales localizados hicieron algo aún más notable: se unieron entre sí para formar máquinas funcionales.

«Ese es el siguiente paso», dijo Black.

Sus esfuerzos continuos también están forjando lazos entre disciplinas en la Universidad de Washington.

«La Universidad de Washington es un lugar inusualmente bueno para hacer descubrimientos, debido al entusiasmo de la comunidad científica para trabajar en colaboración para compartir equipos e ideas en todos los departamentos y campos», dijo Keller. “Nuestras colaboraciones con los laboratorios de Drobny y de Lee fueron esenciales. Ningún laboratorio podría haberlo hecho todo”.

Fuente: Jamesames Urton, Universidad de Washington.

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