Una de las principales preguntas sin respuesta sobre el origen de la vida es cómo las gotitas de ARN que flotaban en la sopa primordial se convirtieron en los paquetes de vida protegidos por membranas que llamamos células. Un nuevo artículo de ingenieros de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago (UChicago PME), el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Houston y biólogos del Departamento de Química de la UChicago han propuesto una solución.
En el artículo, publicado en Science Advances, el investigador postdoctoral de la UChicago PME Aman Agrawal y sus coautores, entre ellos el decano emérito de la UChicago PME Matthew Tirrell y el biólogo ganador del Premio Nobel Jack Szostak, muestran cómo el agua de lluvia podría haber ayudado a crear una pared reticular alrededor de las protocélulas hace 3.800 millones de años, un paso crítico en la transición de pequeñas perlas de ARN a todas las bacterias, plantas, animales y humanos que alguna vez vivieron.
“Esta es una observación distintiva y novedosa”, dijo Tirrell.
La investigación se centra en las “gotas coacervadas”, compartimentos naturales de moléculas complejas como proteínas, lípidos y ARN. Las gotas, que se comportan como gotas de aceite de cocina en el agua, han sido consideradas durante mucho tiempo como candidatas a las primeras protocélulas. Pero había un problema. No era que estas gotas no pudieran intercambiar moléculas entre sí, un paso clave en la evolución, el problema era que lo hacían demasiado bien y demasiado rápido.
Cualquier gota que contuviera una nueva mutación de ARN potencialmente útil antes de la vida intercambiaría este ARN con las otras gotas de ARN en cuestión de minutos, lo que significa que rápidamente serían todas iguales. No habría diferenciación ni competencia, es decir, no habría evolución. Y eso significa que no habría vida.
“Si las moléculas se intercambian continuamente entre gotas o entre células, entonces todas las células después de un corto tiempo se parecerán y no habrá evolución porque terminarás con clones idénticos”, dijo Agrawal.
Ingeniería de una solución
La vida es interdisciplinaria por naturaleza, por lo que Szostak, director del Centro de Chicago para los Orígenes de la Vida de la UChicago, dijo que era natural colaborar tanto con la PME de la UChicago, la escuela interdisciplinaria de ingeniería molecular de la UChicago, como con el departamento de ingeniería química de la Universidad de Houston.
“Los ingenieros han estado estudiando la química física de este tipo de complejos (y la química de polímeros en general) durante mucho tiempo. Tiene sentido que haya experiencia en la escuela de ingeniería”, dijo Szostak. “Cuando analizamos algo como el origen de la vida, es tan complicado y hay tantas partes que necesitamos que participen personas que tengan algún tipo de experiencia relevante”.
A principios de la década de 2000, Szostak comenzó a estudiar el ARN como el primer material biológico en desarrollarse. Resolvió un problema que había obstaculizado durante mucho tiempo a los investigadores que analizaban el ADN o las proteínas como las primeras moléculas de la vida.
“Es como el problema del huevo y la gallina. ¿Qué fue primero?”, dijo Agrawal. “El ADN es la molécula que codifica la información, pero no puede realizar ninguna función. Las proteínas son las moléculas que realizan funciones, pero no codifican ninguna información hereditaria”.
Los investigadores como Szostak teorizaron que el ARN vino primero, “encargándose de todo”, en palabras de Agrawal, y que las proteínas y el ADN evolucionaron lentamente a partir de él.
“El ARN es una molécula que, como el ADN, puede codificar información, pero también se pliega como las proteínas para poder realizar funciones como la catálisis”, dijo Agrawal.
El ARN era un candidato probable para el primer material biológico. Las gotitas coacervadas eran candidatos probables para las primeras protocélulas. Las gotitas coacervadas que contenían formas tempranas de ARN parecían un siguiente paso natural.
Eso fue hasta que Szostak echó un jarro de agua fría sobre esta teoría, publicando un artículo en 2014 que mostraba que el ARN en gotitas coacervadas se intercambiaba demasiado rápido.
“Se pueden crear todo tipo de gotitas de diferentes tipos de coacervados, pero no mantienen su identidad separada. Tienden a intercambiar su contenido de ARN demasiado rápido. Ese ha sido un problema de larga data”, dijo Szostak.
“Lo que demostramos en este nuevo artículo es que se puede superar al menos parte de ese problema transfiriendo estas gotitas de coacervados a agua destilada (por ejemplo, agua de lluvia o agua dulce de cualquier tipo) y se forman una especie de película dura alrededor de las gotitas que les impide intercambiar el contenido de ARN”.
‘Una combustión espontánea de ideas’
Agrawal comenzó a transferir gotitas de coacervados a agua destilada durante su investigación de doctorado en la Universidad de Houston, estudiando su comportamiento bajo un campo eléctrico. En ese momento, la investigación no tenía nada que ver con el origen de la vida, solo con el estudio del fascinante material desde una perspectiva de ingeniería.
“Los ingenieros, en particular los de química y materiales, tienen un buen conocimiento de cómo manipular las propiedades de los materiales, como la tensión interfacial, el papel de los polímeros cargados, la sal, el control del pH, etc.”, dijo el profesor Alamgir Karim de la Universidad de Houston, ex asesor de tesis de Agrawal y coautor principal del nuevo artículo. “Todos estos son aspectos clave del mundo conocido popularmente como ‘fluidos complejos’: piensa en el champú y el jabón líquido”.
Agrawal quería estudiar otras propiedades fundamentales de los coacervados durante su doctorado. No era el área de estudio de Karim, pero Karim había trabajado décadas antes en la Universidad de Minnesota con uno de los principales expertos del mundo, Tirrell, quien más tarde se convirtió en decano fundador de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la UChicago.
Durante un almuerzo con Agrawal y Karim, Tirrell mencionó cómo la investigación sobre los efectos del agua destilada en las gotitas de coacervados podría estar relacionada con el origen de la vida en la Tierra. Tirrell preguntó dónde habría existido agua destilada hace 3.800 millones de años.
“Dije espontáneamente ‘¡agua de lluvia!’ Sus ojos se iluminaron y se emocionó mucho con la sugerencia”, dijo Karim. “Por lo tanto, ¡podemos decir que fue una combustión espontánea de ideas o una ideación!”
Tirrell le presentó la investigación de Agrawal sobre el agua destilada a Szostak, que recientemente se había incorporado a la Universidad de Chicago para dirigir lo que entonces se denominaba la Iniciativa Orígenes de la Vida. Le planteó la misma pregunta que le había hecho a Karim.
“Le pregunté: ‘¿De dónde crees que podría provenir el agua destilada en un mundo prebiótico?'”, recordó Tirrell. “Y Jack dijo exactamente lo que esperaba que dijera, que era lluvia”.
Al trabajar con muestras de ARN de Szostak, Agrawal descubrió que transferir gotitas de coacervados al agua destilada aumentaba la escala de tiempo del intercambio de ARN, de unos pocos minutos a varios días. Esto era tiempo suficiente para la mutación, la competencia y la evolución.
“Si tienes poblaciones de protocélulas que son inestables, intercambiarán su material genético entre sí y se convertirán en clones. No hay posibilidad de evolución darwiniana”, dijo Agrawal. “Pero si se estabilizan contra el intercambio de modo que almacenen su información genética lo suficientemente bien, al menos durante varios días, para que las mutaciones puedan ocurrir en sus secuencias genéticas, entonces una población puede evolucionar”.
Lluvia, comprobada
Inicialmente, Agrawal experimentó con agua desionizada, que se purifica en condiciones de laboratorio. “Esto motivó a los revisores de la revista, quienes luego preguntaron qué sucedería si el agua de lluvia prebiótica fuera muy ácida”, dijo.
El agua de laboratorio comercial está libre de todos los contaminantes, no tiene sal y vive con un pH neutro perfectamente equilibrado entre base y ácido. En resumen, es lo más alejado de las condiciones del mundo real que un material puede llegar a estar. Necesitaban trabajar con un material más parecido a la lluvia real.
¿Qué es más parecido a la lluvia que la lluvia?
“Simplemente recolectamos agua de lluvia en Houston y probamos la estabilidad de nuestras gotas en ella, solo para asegurarnos de que lo que informamos es preciso”, dijo Agrawal.
En pruebas con el agua de lluvia real y con agua de laboratorio modificada para imitar la acidez del agua de lluvia, encontraron los mismos resultados. Las paredes reticulares se formaron y crearon las condiciones que podrían haber dado lugar a la vida.
La composición química de la lluvia que cayó sobre Houston en la década de 2020 no es la lluvia que habría caído 750 millones de años después de que se formara la Tierra, y lo mismo puede decirse del sistema modelo de protocélulas que Agrawal probó. El nuevo artículo demuestra que este enfoque de construir una pared reticular alrededor de las protocélulas es posible y puede funcionar en conjunto para compartimentar las moléculas de la vida, lo que coloca a los investigadores más cerca que nunca de encontrar el conjunto adecuado de condiciones químicas y ambientales que permitan que las protocélulas evolucionen.
“Las moléculas que usamos para construir estas protocélulas son solo modelos hasta que se puedan encontrar moléculas más adecuadas como sustitutos”, dijo Agrawal. “Si bien la química sería un poco diferente, la física seguirá siendo la misma”.
Fuente: Phys.org.
