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

Estas células enfrentaron un enigma químico. Necesitaban iones particulares de la sopa para realizar funciones básicas. Pero esos iones cargados habrían interrumpido 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. Usando tamaño de celda, compartimentos llenos de líquido rodeados por membranas hechas de moléculas de ácidos grasos, el equipo descubrió que los aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas, Puede estabilizar las membranas contra los iones de magnesio. Sus resultados prepararon el escenario para las primeras células en codificar su información genética en ARN, una molécula relacionada con el ADN que requiere magnesio para su producción, manteniendo la estabilidad de la membrana.

Los resultados, publicado la semana del 12 de agosto en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , van más allá de explicar cómo los aminoácidos podrían haber estabilizado las membranas en ambientes desfavorables. También demuestran cómo los bloques de construcción individuales de las estructuras celulares:membranas, proteínas y ARN — podrían haberse co-localizado dentro de ambientes acuosos en la Tierra antigua.

"Las células se componen de muy diferentes tipos de estructuras con tipos totalmente diferentes de bloques de construcción, y nunca ha quedado claro por qué se unen de manera funcional, "dijo el coautor para correspondencia Roy Black, profesor afiliado de química y bioingeniería de la UW. "La suposición era solo que, de alguna manera, se unieron".

Black llegó a la Universidad de Washington después de una carrera en Amgen para tener la oportunidad de completar el crucial, faltan detalles detrás de ese "de alguna manera". Se asoció con Sarah Keller, profesor de química de la Universidad de Washington y experto en membranas. Black se inspiró en la observación de que las moléculas de ácidos grasos pueden autoensamblarse para formar membranas, y planteó la hipótesis de que estas membranas podrían actuar como una superficie favorable para ensamblar los componentes básicos del ARN y las proteínas.

"Puedes imaginar diferentes tipos de moléculas moviéndose dentro de la sopa primordial como pelotas de tenis borrosas y pelotas de squash duras rebotando en una gran caja que se agita, "dijo Keller, quien también es coautor del artículo. "Si alinea una superficie dentro de la caja con Velcro, entonces solo las pelotas de tenis se pegarán a esa superficie, y terminarán muy juntos. Roy tuvo la idea de que las concentraciones locales de moléculas podrían mejorarse mediante un mecanismo similar ".

El equipo demostró anteriormente que los componentes básicos del ARN se adhieren preferentemente a las membranas de ácidos grasos y, asombrosamente, también estabilizar las frágiles membranas 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, incluida la microscopía óptica, microscopía electrónica y espectroscopía:para probar 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 provocaron grandes cambios estructurales en las membranas, como formar esferas concéntricas de membranas, muy parecidas a las capas de una cebolla.

"Los aminoácidos no solo protegían a las vesículas de la ruptura causada por los iones de magnesio, pero también crearon 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.

Los investigadores también descubrieron que los aminoácidos estabilizaban las membranas mediante 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 concentraciones altas y bajas de aminoácidos a medida que el agua se evaporaba y entraba agua nueva.

Los nuevos hallazgos de que los aminoácidos protegen las membranas, así como los resultados anteriores que muestran que los componentes básicos del ARN pueden desempeñar un papel similar, indican que las membranas pueden haber sido un sitio para que estas moléculas precursoras se co-localicen. proporcionando un mecanismo potencial para explicar qué reunió los ingredientes para la vida.

Keller, Black y su equipo centrarán su atención en cómo los bloques de construcción co-localizados hicieron algo aún más notable:se unieron entre sí para formar máquinas funcionales.

"Eso es el próximo paso, "dijo Black.

Sus esfuerzos continuos también están forjando lazos entre disciplinas en la UW.

"La Universidad de Washington es un lugar excepcionalmente bueno para hacer descubrimientos debido al entusiasmo de la comunidad científica por trabajar en colaboración para compartir equipos e ideas entre departamentos y campos, ", dijo Keller." Nuestras colaboraciones con el Laboratorio Drobny y el Laboratorio Lee fueron esenciales. Ningún laboratorio podría haberlo hecho todo ".