Logran recrear las primeras células de la Tierra

En el número de esta semana de la revista Science, Szostak y su colaboradora Katarzyna Adamala avanzan un paso fundamental hacia la recreación de una protocélula funcional, al descubrir un componente químico que permite a estas estructuras mantener su integridad y replicar su material genético.

En su desarrollo de la teoría de la evolución biológica, Charles Darwin intuyó que la vida no debió de originarse en el mar abierto, sino en pequeños charcos ricos en materia orgánica donde los ingredientes químicos podían concentrarse y reaccionar a las temperaturas adecuadas. Siguiendo la intuición de Darwin, Szostak quiere replicar artificialmente el proceso que tuvo lugar en la Tierra entre 3.500 y 4.000 millones de años atrás, cuando las primeras células simples surgieron de forma espontánea a partir de esa sopa química.

La idea de Szostak es construir una burbuja de lípidos, en concreto ácidos grasos, y rellenarla con los componentes esenciales de la vida que podían estar presentes en la Tierra primitiva. Las células de todos los seres vivos se basan en algo tan sencillo como la repulsión entre el agua y el aceite; al concentrarse en agua, los ácidos grasos forman espontáneamente una membrana que aísla en su interior un ambiente acuoso que actúa a modo de tubo de ensayo, donde pueden producirse las reacciones necesarias para transformar la química en biología.

Como otros expertos, Szostak piensa que el primer material genético que apareció en la evolución fue el ARN . Este sirve a las células de la mayoría de organismos como intermediario desechable para el funcionamiento de los genes, pero algunos sistemas simples, como ciertos virus, lo utilizan como único material genético. Las células modernas emplean complejas enzimas para replicar sus genes, pero estas no podían estar presentes en la química primordial de la Tierra temprana. Szostak y Adamala lograron un sistema en el que el ARN se replica de forma autónoma, a partir de un molde y sin ayuda de enzimas.

Citrato

Pero la receta química para ello generaba un nuevo problema: la replicación del ARN requiere grandes cantidades de iones magnesio, y estos desestabilizan la membrana de ácidos grasos, destruyendo la protocélula. “Por primera vez, hemos sido capaces de lograr el copiado no enzimático del ARN dentro de vesículas de ácidos grasos”, afirma Szostak. “Hemos encontrado una solución a un problema de largo recorrido en el origen de la vida celular: la química para el copiado del ARN requiere la presencia del ión magnesio Mg2+, pero los niveles altos de Mg2+ rompen las membranas simples de ácidos grasos que probablemente rodeaban a las primeras células vivas”.

Los investigadores pensaron entonces en introducir en su fórmula un quelante, una molécula capaz de atrapar el magnesio y bloquear su efecto nocivo sobre las membranas. La dificultad adicional estribaba en que este compuesto no debía impedir la función beneficiosa del magnesio en la polimerización del ARN.

Para ensayar la replicación del ARN, los científicos introdujeron en sus vesículas unas largas cadenas de ARN formadas por un único tipo de eslabón, la citosina. Como réplica, debía formarse una cadena complementaria formada por guaninas, que se aparean con las citosinas. Para facilitar la reacción, el ARN empleado como molde ya llevaba acoplados los primeros eslabones de la cadena complementaria. Por último, se añadieron las guaninas, el magnesio, y uno a uno se ensayaron los quelantes.

El citrato fue la respuesta. Este quelante no solo prevenía el daño en las membranas de ácidos grasos, sino que aceleraba el copiado de la cadena de ARN. Otros quelantes, como el isocitrato o el oxalato, también protegían las vesículas, pero impedían la replicación. “Mientras otras moléculas protegen las membranas contra el ión magnesio, no permiten que se produzca la química del ARN”, explica Szostak. “Pensamos que el citrato resguarda las membranas y facilita el copiado del ARN gracias a que solo cubre una cara del ión magnesio”.

En busca de péptidos

Pese al éxito de los investigadores, no parece fácil proponer que el citrato estuviera presente en la sopa primordial de aquellas charcas en las que, según Darwin y Szostak, nació la vida en la Tierra. El citrato es una forma iónica del ácido cítrico, el cual está presente en ciertas frutas y es ampliamente empleado como aditivo alimentario bajo el nombre de E330. Además, el citrato es un intermediario natural en el metabolismo de todos los seres que respiran oxígeno. Pero una molécula tan bioquímicamente clave no podía existir en un lugar en el que la bioquímica aún no se había inventado.

¿O sí? En su estudio, Szostak y Adamala citan un trabajo publicado el pasado septiembre en la revista Journal of the American Chemical Society y que describe una vía abiótica, es decir, que no requiere la compleja química de una célula, para producir algunos compuestos del ciclo del ácido cítrico. Pero en cualquier caso, los dos investigadores contemplan la posibilidad de que en las charcas prebióticas existiera una alternativa al citrato.

“Hemos mostrado que hay al menos una manera de compatibilizar la química de la replicación del ARN con membranas celulares primitivas basadas en ácidos grasos, pero esto plantea nuevas preguntas”, resume Szostak. “Nuestra mejor teoría es que debió de existir algún tipo de péptidos simples que actuaron de una forma similar al citrato, y ahora estamos trabajando en la búsqueda de estos péptidos”.

El motivo de Szostak y Adamala al proponer un tipo de péptido, moléculas que constituyen los ladrillos de las proteínas, es que uno de ellos forma el sitio activo de las ARN polimerasas, las enzimas que sintetizan el ARN en las células modernas. Dicho sitio, además, necesita ión magnesio para funcionar, lo que sugiere que el complejo citrato-magnesio podría simular la estructura funcional de ese presunto péptido unido al mismo ión que sí pudo estar presente en la sopa orgánica de la Tierra primigenia.