martes, 13 de diciembre de 2011

Evolución prebiótica y origen de la vida II: de las vesículas a las células

Vesículas y protocélulas

La separación entre los sistemas bioquímicos y su entorno, proceso que recibe el nombre de compartimentalización, es un paso fundamental para la formación de los seres vivos: los organismos poseen un metabolismo que solo es posible mientras sus componentes no se mezclen con el entorno, captando de él los sustratos que necesite y eliminando de su interior, es decir, excretando, aquellas sustancias que puedan resultar tóxicas. Además, la compartimentalización ofrece la posibilidad de mantener próximos entre sí todos los recursos necesarios para el funcionamiento de un organismo.

Se han propuesto varias soluciones posibles para el problema de cómo comenzó el proceso de compartimentalización. Algunos autores han sugerido que los primeros complejos de moléculas con características "biológicas", es decir, capaces de replicarse y con funcionalidad catalítica, pudieron adsorberse sobre complejos minerales, en particular sobre cristales de arcilla. Estos minerales presentan la curiosa característica de que sus cristales pueden crecer manteniendo su estructura y, básicamente, su composición, pueden adsorber de su entorno una gran cantidad de moléculas diferentes, y pueden incluso dividirse manteniendo sus características, por lo que se podría hablar incluso de "reproducción".

Se desconoce si las arcillas pudieron jugar algún papel en la evolución de los seres vivos, aunque son un buen candidato para explicar la asociación de macromoléculas más primitivas. En todo caso, todos los  organismos actuales poseemos membranas lipídicas, por lo que es necesario explicar su origen.

Las membranas lipídicas que forman parte de los seres vivos actuales están formadas, mayoritariamente, por fosfolípidos. Sin embargo, estos compuestos son muy difíciles de sintetizar en experimentos in vitro, y no se han encontrado en fuentes extraterrestres. Por el contrario, los ácidos grasos, que también tienen carácter anfipático, han sido encontrados tanto en meteoritos como en las surgencias oceánicas.

Para concluir que los ácidos grasos pudieron formar vesículas membranosas a partir de las cuales evolucionaran las protocélulas estas sustancias deberían ser capaces de cumplir varias características:

  1. Formar vesículas espontáneamente: los ácidos grasos pueden formar de modo espontáneo tanto micelas como bicapas que encierren en su interior un entorno acuoso, siendo estas últimas las estructuras que podrían servir como precursor de las protocélulas. La formación de un tipo de estructura u otra depende de varios factores, entre otros el pH, y en la práctica se da un equilibrio entre las dos formas.
  2. Posibilidad de que las vesículas mantengan un metabolismo interno. Se han realizado experimentos que demuestran la posibilidad de que vesículas autoensambladas de ácidos grasos contengan en su interior enzimas funcionales. Por ejemplo, se ha podido conseguir que moléculas de una enzima, una polinucleótido fosforilasa, queden atrapadas en el interior de vesículas de ácidos grasos a partir de un medio que contenía ambos elementos. Al añadir ADP a la muestra, éste llega hasta el interior de la vesícula, donde es transformado en poli-Adenina. Esta molécula, a diferencia del ADP, no puede atravesar la membrana vesicular, y se mantiene en su interior.
  3. Capacidad de estas vesículas de autorreproducirse. En este aspecto pudo jugar un papel importante el equilibrio entre micelas y bicapas cuando los ácidos grasos están en un medio acuoso. En una mezcla de estas características, se ha observado que las bicapas "absorben" a las micelas, aumentando su tamaño hasta un valor crítico. Al alcanzarlo, se rompen dando lugar a vesículas más pequeñas. Se ha podido demostrar que el proceso que tiene lugar es éste, y no la formación directa de vesículas a partir de micelas, porque se ha conseguido seguir el rastro del contenido de las vesículas originales en las "hijas" producidas a partir de ellas.

Las protocélulas


Entre las vesículas con capacidad metabólica y autorreproductora y las células propiamente dichas debieron aparecer estructuras intermedias, que se han denominado protocélulas. Las protocélulas no serían propiamente seres vivos, porque no habrían tenido todas las características de los organismos, aunque sí bastantes de ellas, motivo por el que se las considera sistemas infrabiológicos.

Se considera que las protocélulas viables en una fase temprana de la evolución deberían poder cumplir una serie de requisitos, que aproximaran sus características a las de los seres vivos:
  1. Deben poder sintetizar en su interior, delimitado por una membrana, un polímero portador de información, capaz de autorreplicarse mediante un proceso de copia guiado por molde (replicador).
  2. Los monómeros necesarios para la síntesis del replicador deben proceder del exterior, y deben poder atravesar la membrana.
  3. Debe estar presente una fuente de energía externa.
  4. La variabilidad heredable de los replicadores debe afectar a la eficiencia del metabolismo de la protocélula, permitiendo la selección natural.
  5. La membrana debe ser capaz de crecer, ya sea por incorporación directa de moléculas externas o por conversión de precursores adecuados.
  6. Las protocélulas deben ser capaces de reproducirse.
  7. La catálisis, la replicación y el crecimiento deben estar bien sincronizados.
Un sistema formado por vesículas de ácidos grasos y ARN en su interior cumple ya algunas de esos requisitos, como la capacidad de mantener metabolismo interno (1), de internalizar compuestos que actúen como precursores metabólicos (2), de crecimiento (5) y reproducción (6).

En cuanto a la disponibilidad de una fuente de energía externa, se han descrito posibles sistemas de captación de energía, pero resulta tremendamente interesante un fenómeno observado en vesículas de ácidos grasos y que deriva exclusivamente de sus propiedades físico-químicas. Cuando estas vesículas se encuentran en un medio con ácidos grasos libres, son capaces de crecer incorporando esas moléculas a su estructura. Al hacerlo, algunos de los ácidos grasos captados sufren momivientos flip-flop que permiten su paso a la hoja interna de la bicapa, pero esos movimientos provocan, a la vez, la entrada de protones al interior de la vesícula. Este transporte es asimétrico, porque los protones no pueden abandonar la vesícula, de modo que se genera un gradiente quimiosmótico de protones entre el exterior y el interior de la estructura.
El interés de este proceso está en que la formación de un gradiente de protones entre los dos lados de una membrana es un proceso universal de obtención de energía química por parte de las células, incluyendo lo que ocurre en procesos metabólicos tan fundamentales como la respiración celular o la fotosíntesis, de modo que este fenómeno podría haber sido el origen de un mecanismo universal de captación de energía química que luego habrían conservado todas las células.

Por otra parte, en relación con la posibilidad de que estas vesículas puedan sufrir un proceso de selección natural, hay otra característica fisicoquímica de las vesículas de ácidos grasos que resulta también de interés: la velocidad de crecimiento de estas vesículas es directamente proporcional a la presión osmótica de su interior, que a su vez depende de la cantidad de moléculas que contiene. En otras palabras, las vesículas con replicadores más eficaces, aquellas en las que el ARN interno se copia a mayor velocidad, también crecen y se dividen más rápidamente, por lo cual "predominan en la población" de vesículas presentes en el entorno. Es, precisamente, el mecanismo de selección natural.

Quedaría, pues, por conseguir que las vesículas de ácidos grasos cumplieran el último requisito: una buena sincronización entre los procesos de catálisis (metabolismo), crecimiento y replicación, pero esto es más un resultado del proceso evolutivo que una condición que estas estructuras deban cumplir: las vesículas mejor coordinadas serían las favorecidas desde el punto de vista evolutivo.

Evolución hacia la célula

El paso más importante en la evolución de estas vesículas formadas por ribozimas (y su correspondiente metabolismo hasta las células tal y como las conocemos en la actualidad fue, sin duda, la aparición de las proteínas y del proceso de traducción. No se sabe a ciencia cierta cual pudo ser el mecanismo evolutivo que  hizo posible la aparición de las proteínas, un conjunto de moléculas totalmente nuevo que sustituyó por completo a las ribozimas que dirigían su síntesis, aunque se ha propuesto una hipótesis interesante: la de su papel inicial como cofactores.

Algunas de las ribozimas presentes en las vesículas pudieron empezar a utilizar los aminoácidos presentes en el medio como cofactores para llevar a cabo las reacciones que catalizaban. Esto podría haber supuesto una ventaja evolutiva, ya que en ese momento en el ambiente podía encontrarse una mayor diversidad de aminoácidos que de nucleótidos. Cofactores más complejos, formados por varios aminoácidos en lugar de por uno solo, habrían proporcionado ventajas adaptativas, gracias a su mayor eficacia catalítica, de modo que los complejos ribozima-péptido habrían ido evolucionando en la dirección de incrementar el tamaño de los péptidos.

Paralelamente, el propio proceso de la traducción (es decir, la correspondencia entre nucleótidos y aminoácidos) se habría visto favorecido por la selección natural, al garantizar que los cofactores peptídicos se acoplaran en cada generación a las mismas ribozimas, manteniendo la ventaja que proporcionaban a las protocélulas de la generación anterior..

Uno de los atractivos de esta hipótesis es que es congruente con el fenómeno conocido como "triple convergencia": el hecho de que los aminoácidos que han podido ser sintetizados en procesos in vitro son los mismos que se han encontrado en muestras procedentes del espacio y, a la vez, los mismos que formarían el "código genético primitivo". Las primeras ribozimas con cofactores peptídicos habrían utilizado solo estos aminoácidos, y el código genético habría ido evolucionando a partir de ellos. Existe una propuesta coherente para explicar la evolución desde este código genético primitivo hasta el actual, incluso se conocen relativamente bien los pasos que pudieron sucederse para que fuera posible la incorporación de nuevos aminoácidos, en general derivados químicamente del grupo inicial.
Estos protoorganismos debieron ser, por lo tanto, heterótrofos que encontraban en su entorno los elementos necesarios para añadirlos a su propia estructura, ya que un organismo autótrofo no tendría por qué ver limitado el número y el tipo de aminoácidos presentes en sus moléculas.

En esta fase, por tanto, las "protocélulas" estarían constituidas por una vesícula de membrana en cuyo interior aparecerían varias moléculas de ARN capaces de replicarse. Una vez replicadas, sufrirían modificaciones postranscripcionales, consistentes en la asociación con aminoácidos, de un modo cada estable y repetitivo. Esta relación entre aminoácidos y ribozimas habría dado lugar al código genético primitivo.

Cada una de estas protocélulas podría contener unos cuantos genes. Es imaginable que fueran posibles los procesos de fusión entre protocélulas, con la aparición de un cierto tipo de "presexualidad" que permitiera la combinación de características, de modo que las protocélulas con mejores capacidades metabólicas irían siendo seleccionadas de entre la población.

Estas ribozimas transformadas en genes de ARN darían lugar, cabe suponer, a péptidos de pequeño tamaño, posiblemente de unas pocas docenas de aminoácidos cada uno. La evolución posterior hacia genes de tamaño mayor podría haberse producido por fusión de estas moléculas originales. Esta hipótesis es congruente con la estructura genética de los eucariotas, con genes interrumpidos por secuencias no codificantes (intrones).  De hecho, muchos autores consideran que en un gen eucariota los exones representan "minigenes", correspondientes a diferentes unidades estructurales de las proteínas. Según eso, cada exón correspondería a un protogen ancestral, que se habría unido a otros mediante intrones.

La aparición del ADN como molécula de almacenamiento de la información genética no supone ningún problema desde el punto de vista teórico, ya que esta molécula puede ser considerada como una modificación "menor" del ARN: bastan dos simples cambios estructurales (la eliminación de un grupo hidroxilo en la pentosa, para formar desoxirribonucleótidos y la metilación del Uracilo) para obtener una molécula de ADN a partir del ácido ribonucleico. Las protocélulas con esta "copia de seguridad" de su información genética tuvieron, sin duda, ventajas adaptativas. Además, el ADN es una molécula mucho más estable que el ARN, y su mecanismo de replicación va implícito en su estructura.

La célula mínima

Resulta bastante evidente que incluso las bacterias, las células más simples que pueden encontrarse en la actualidad, son mucho más complejas que las primeras células que pudieran considerarse propiamente como tales. Por esa razón muchos investigadores están tratando de establecer cuáles son los elementos mínimos que serían necesarios para formar una célula funcional. En esos estudios se han utilizado varios enfoques: partir de un conjunto de requisitos bioquímicos hasta conseguir un modelo suficientemente complejo o partir de un organismo, "simplificando" aquellos genes que no parezcan imprescindibles. Incluso se ha "construido" un organismo artificial partiendo de un genoma sencillo ("¿Hemos creado vida artificial?").

Las conclusiones de esos estudios son que incluso la célula más sencilla debió presentar un amplio conjunto de genes, correspondientes a diferentes maquinarias fundamentales de la célula:
  1. La maquinaria de replicación del ADN.
  2. Un sistema, al menos rudimentario, de reparación del ARN.
  3. La maquinaria de transcripción completa.
  4. Un sistema de traducción al menos casi completo.
  5. Sistemas que permitieran el procesamiento, el plegamiento, la secreción y la degradación de proteínas.
  6. La maquinaria para la división celular.
  7. Un sistema básico de transporte de nutrientes...
Algunas estimaciones sugieren que este número mínimo imprescindible de genes podría situarse en torno a los 200. Hay autores, sin embargo, que posponen la aparición del ADN a un momento posterior en la evolución, sosteniendo que el último antecesor universal común a todos los organismos (LUCA) aún poseía solo ARN en su genoma. Esto, evidentemente, simplificaría los requisitos de esta célula originaria. Además, en lugar de considerar que se trataba de una única especie, en el sentido en el que entendemos actualmente este término, estos autores proponen que en realidad existía una comunidad de organismos con capacidad para intercambiar entre sí material genético (transmisión horizontal de genes).