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Mi nombre es Jack Szostak.
Soy profesor de Genética en la Facultad de Medicina de Harvard,
soy investigador en el Hospital General de Massachusetts, donde están mis laboratorios,
y también soy investigador del Instituto Médico Howard Hughes.
En esta conferencia , me gustaría hablar de los avances recientes
en el trabajo de mi laboratorio sobre el origen de la vida celular en la Tierra primitiva.
Pero antes de entrar en esos experimentos ,
me gustaría dar un paso atrás desde el origen de la vida en sí misma
y hablar un poco de algunas ideas de la biología moderna
que conciernen este tema,
en particular por qué el tema ha atraído tanto interés y atención recientemente.
Esta es una de las imágenes icónicas de los respiraderos hidrotermales del mar profundo.
Este es un ambiente caracterizado por una temperatura y presión muy altas,
y por supuesto la zona de los alrededores está simplemente llena de vida .
Aquí hay otro ejemplo: una imagen de Norm Pace.
Uds. pueden ver una capa de células verdes que crecen en el interior de la roca.
Estas son las cianobacterias fotosintéticas
y están viviendo en los poros de la roca a muy bajo pH.
Esta es una de las famosas aguas termales en el Parque Nacional Yellowstone.
Una vez más, un ambiente de muy alta temperatura; nuevamente, lleno de vida.
Y aquí hay otra clase de ambiente extremo,
otro entorno de muy bajo pH.
Este es el Río Tinto en España.
El agua es muy ácida , pero una vez más, está llena de vida:
vida microbiana, vida eucariota.
Hay ejemplos más extremos de este tipo de ambiente en zonas de drenajes ácidos de minas,
donde el agua que está fluyendo es básicamente ácido sulfúrico a un pH cercano a cero .
Y de nuevo hay vida microbiana.
Así que todos estos ejemplos
nos están mostrando la medida extraordinaria en que nuestro planeta
ha sido colonizado por la vida.
E incluso los ambientes que habríamos considerado muy hostiles y extremos
aparentemente son fácilmente adaptables para la vida.
Por supuesto , ésta es una consecuencia de la potencia de la evolución darwiniana,
permitir adaptaciones a ambientes diversos.
Por lo tanto, si colocamos esto junto a las observaciones más recientes
de nuestros colegas de la astronomía, en términos del descubrimiento de planetas extrasolares,
eso realmente pone de relieve la pregunta de si hay vida ahí afuera,
aparte de nuestro planeta.
Esta es una imagen de la Vía Láctea, por supuesto.
Hasta hace un par de años,
los astrónomos habían descubierto en el orden de 500 planetas extrasolares,
planetas que orbitan otras estrellas.
Sin embargo, más recientemente, como resultado de la misión Kepler,
un telescopio espacial que apunta continuamente a un campo estelar muy denso,
se han encontrado un gran número de planetas adicionales,
aproximadamente 1.200 candidatos en el último recuento.
Estos son detectados mientras los planetas orbitan alrededor de su estrella,
y si eclipsan la estrella, si tránsitan delante de ella,
bloquean parte de la luz y se puede detectar esa pequeña disminución en la intensidad de la luz.
Así que esto nos ha dado una muestra lo suficientemente grande como para realmente hacer extrapolaciones.
Lo que he escuchado de los científicos asociados a la misión Kepler
es que esas extrapolaciones sugieren que podría haber más o menos
500 millones, tal vez incluso mil millones de planetas similares a la Tierra
orbitando estrellas como el sol que hay en nuestra galaxia.
Si juntamos eso con el hecho de que sabemos,
al menos en nuestro planeta, que la vida microbiana puede vivir en ambientes muy agresivos y diversos,
está bastante claro que habrá ambientes en
estos otros planetas que podrían albergar la vida.
Así que la pregunta es, y lo que todos realmente queremos saber es:
¿hay vida ahí afuera?
¿Estamos solos, o está el universo, está nuestra galaxia llena de vida?
Así que esto realmente se reduce a la pregunta que Uds. ven aquí.
¿Es fácil o difícil que la vida emerja de la química de los primeros planetas?
Por desgracia, va a pasar mucho tiempo antes de que podamos responder esa pregunta
de la manera más satisfactoria , por la observación directa.
Incluso conseguir una prueba indirecta a partir de la espectroscopia de atmósferas planetarias
puede tomar 10, 20, 50 años, para ver planetas similares a la Tierra.
¿Qué podemos hacer mientras tanto para tratar de obtener algunas pistas para responder a esta pregunta?
Lo que nosotros y otras personas hemos estado haciendo
es ir al laboratorio y realizar sencillos experimentos químicos,
tratar de llegar a una vía completa, plausible, de varios pasos,
toda la vía desde la química sencilla a la química más compleja y a la biología sencilla.
Y si podemos realmente demostrar que hay una vía continua
sin pasos muy duros,
entonces creo que podemos concluir que es probable que exista vida abundante
en nuestra galaxia.
Por otro lado, nuestros experimentos podrían mostrar
que hay algunos pasos en esa vía extremadamente difíciles,
desafíos que pueden ser muy difíciles de superar,
y en ese caso la aparición de la vida en realidad podría ser un fenómeno muy poco común.
Y en el extremo, nosotros podríamos ser toda la vida que hay.
Este podría ser el único lugar en nuestra galaxia o incluso el universo donde ha surgido la vida.
Así que nos gustaría tratar de obtener una idea de estas preguntas
haciendo simples experimentos de laboratorio .
Ahora, hay una pregunta relacionada , que se muestra aquí abajo.
Si hay vida allá afuera,
¿es probable que sea bastante similar a lo que conocemos en nuestro planeta?
¿Tendrá la vida que se evolucionó independientemente en otros lugares la misma
bioquímica fundamental?
¿Serán células que viven en el agua,
usando, si no ARN y ADN, otro ácido nucleico para mediar la herencia?
¿Utilizarán moléculas parecidas a proteínas para llevar a cabo funciones bioquímicas?
¿O podría haber formas de vida realmente muy diferentes, mucho más diversas,
tal vez usando totalmente diferentes tipos de moléculas para mediar la herencia
y la función?
O incluso formas de vida que viven en ambientes muy diferentes,
por ejemplo en disolventes, no en el agua.
Una vez más, éste es el tipo de cosas que podemos abordar al entrar en el laboratorio,
hacer experimentos sencillos, tratar de construir estructuras
y evaluar la posibilidad de que haya sistemas vivos en
diferentes tipos de entornos y con diferentes bases moleculares .
Vamos a tratar de pensar, entonces,
acerca de cómo se puede deducir algo sobre las primeras formas de vida.
Al fin y al cabo, si queremos investigar experimentalmente los inicios de la vida,
tenemos que tener una idea, una especie de modelo conceptual,
de cómo eran las formas más primitivas de vida.
Esto ha sido una cosa muy difícil para pensar
porque estamos tan sesgados por nuestra visión y comprensión de la vida moderna.
Así que si nos fijamos en las células modernas, son muy complicadas:
un montón de piezas móviles, estructuras muy elaboradas,
tal como se puede ver aquí en esta estructura intrincada en una célula eucariota,
toda la maquinaria implicada en la división celular.
Si vamos más profundamente y miramos a la bioquímica subyacente,
es aún más complicado.
Y esto es sólo una pequeña parte del gráfico del metabolismo central,
por lo que hay cientos o miles de enzimas que catalizan
todas las reacciones metabólicas que se requieren para que las células crezcan y se dividan.
Incluso la estructura de la organización general de las células modernas es muy complicada,
en el sentido de que es muy auto-referencial.
Por lo tanto, todos los aspectos de este proceso,
este dogma central (la transmisión de la información del ADN al ARN
y a las proteínas y después la construcción de estructuras con función),
cada parte de ello depende de todas las otras partes.
Así que, por ejemplo, la replicación del ADN requiere ADN,
pero también requiere ARN y proteínas, las polimerasas.
La transcripción del ARN requiere ADN,
que es donde se almacena la información, pero también requiere de muchas proteínas
y también requiere de muchas otras moléculas de ARN.
De manera similar, la formación de las proteínas se produce en una máquina muy compleja,
el ribosoma, lo que su vez se compone de ARN y proteínas.
Así que durante décadas fue muy difícil para la gente pensar de una manera razonable
cómo un sistema internamente autorreferencial podría surgir
espontáneamente a partir de un ambiente químico.
La respuesta a esa realidad vino de pensar en ARN
y las diferentes cosas que puede hacer.
Así que esta simplificación en el pensamiento proviene de la revelación de que el ARN puede no sólo
llevar la información, sino también catalizar reacciones químicas.
Y esa revelación llevó inmediatamente a la hipótesis de que
en las células primitivas ARN podría ser capaz de catalizar su propia replicación
y llevar a cabo las funciones bioquímicas de la célula primitiva.
Entonces sólo hay que pensar en una célula con moléculas de ARN
encapsuladas en algún tipo de membrana de la célula primitiva
que en sí podría ser una estructura auto-replicante.
La historia de esta idea en realidad se remonta a la década de los 60.
Tres personas muy inteligentes, Leslie Orgel, Carl Woese y Francis Crick
plantearon la hipótesis, en parte sobre la base de la compleja estructura plegada de tARN,
que una etapa temprana de la vida podría haber evolucionado el ARN como
la única base macromolecular de la maquinaria evolucionada.
Esto nos permite pensar en células simples emergiendo con un solo biopolímero,
ARN, y que más tarde, cuando la evolución
desarrolló estructuras celulares más complejas, el almacenamiento de información
se especializó en el ADN
y la mayoría de las actividades funcionales se especializaron como la función de las proteínas.
Ahora bien, aunque estas ideas se plantearon en forma bastante elemental en los años 60 ,
por supuesto, nadie las tomó en serio en ese momento,
porque no había absolutamente ninguna evidencia experimental de la idea
de que el ARN podría catalizar reacciones químicas.
En ese momento, la gente recién había empezado a obtener información muy detallada
y de alta resolución sobre cómo las proteínas catalizan reacciones
y la idea de que una molécula como ARN podría hacer lo mismo parecía ridículo.
Así que no fue hasta casi 20 años después,
con el trabajo de Tom Cech y Sid Altman
y la demostración experimental de que las moléculas de ARN realmente pueden
catalizar muy eficazmente por lo menos ciertos tipos de reacciones químicas,
que la gente tomó en serio esta idea de una fase inicial de la vida basada en el ARN.
Esa hipótesis, la " hipótesis del mundo ARN",
fue resumida por Walter Gilbert en un artículo de 1986
y esto realmente se ha convertido en el fundamento de un montón de ideas
sobre las primeras etapas de la aparición de la vida.
Además de los datos básicos,
de que el ARN hace y puede catalizar reacciones químicas,
¿hay alguna otra evidencia de que la vida primitiva pudo haber sido
basada más exclusivamente en los ácidos nucleicos?
De hecho, hay varias líneas de evidencia circunstancial.
Una de ellas es la estructura de muchos cofactores.
Aquí ven acetil-CoA , sólo un ejemplo.
Pero la parte funcional de la molécula es el tioéster aquí ,
y sin motivo aparente hay un nucleótido en el otro extremo.
Realmente la única manera de dar sentido a esto es que el nucleótido es una "manilla",
ya sea una reliquia de una ribozima primitiva
o algo que los ribozimas primitivos fácilmente agarraban y por lo tanto
usaban este cofactor para catalizar reacciones de una manera mediada por tioéster.
Ahora bien, hay otros ejemplos.
Aquí está la vitamina B12, otro catalizador muy importante.
Su parte funcional es este complejo anillo de corrina,
pero aquí se ve, de nuevo, un nucleótido.
¿Qué hace allí?
Probablemente es otra reliquia del mundo del ARN,
cuando toda esta bioquímica complicada era catalizada por las enzimas del ARN.
Otro ejemplo es cómo se hacían los sustratos para
la síntesis del ADN, y no se hacen de novo,
como se podría esperar si el ADN fuera lo primero.
En realidad se hacen a partir de ribonucleótidos preexistentes
por lo que la transformación de ribonucleótidos a desoxinucleótidos
es catalizada por la enzima ribonucleótido reductasa.
Esta vía sintética inusual puede ser considerada el vestigio del hecho de que,
temprano en el tiempo, el metabolismo y la síntesis del ARN usaban ribonucleótidos.
Fue sólo más tarde, cuando el ADN se inventó o se desarrolló,
que hubo necesidad de hacer desoxinucleótidos,
por lo que vienen del sustrato disponible más cercano.
Por último, tal vez la evidencia más importante y espectacular
del papel inicial del ARN en las formas primitivas de vida
es la estructura actual de los ribosomas.
Esta es una diapositiva de Tom Steitz mostrando
el sitio activo de la subunidad grande.
Este es el centro de peptidil transferasa
y esta pequeña estructura verde aquí es un análogo del estado de transición
que marca en esta máquina gigante dónde sucede la química.
Lo que se puede ver es que estos garabatos grises,
que son el ARN, son lo que compone ese sitio activo.
Por lo tanto, todas las proteínas son generadas por una máquina de ARN,
la central región del ARN del propio ribosoma.
Así que de nuevo, esto sólo tiene sentido en términos de una etapa temprana de la bioquímica
dominada por funciones de ARN, que luego desarrollaron la capacidad
de fabricar proteínas, que ahora son tan importantes en toda la bioquímica moderna.
Por lo tanto, si queremos entender el origen de la vida ,
lo que tenemos que pensar no es simplemente cómo hacer
estas células modernas increíblemente complejas , sino que tenemos que pensar en cómo pasar de la química
a estructuras celulares muy simples, basadas en ARN.
Así que , ¿cómo sería el proceso?
¿Cuál es el panorama más amplio?
¿Cuando sucedió todo esto en la Tierra primitiva?
¿Cuál fue el plazo en el que tuvieron lugar estos hechos?
Esta diapositiva es de una revisión de Gerald Joyce y resume
el amplio rango de los acontecimientos que fueron importantes en el origen de la vida.
Así que realmente tenemos que pensar en todo, desde la formación de los planetas,
el inicio de la propia Tierra hace unos 4.500 millones años;
a medida que la Tierra se enfriaba, el agua podía condensarse
y tenemos una hidrosfera estable, tenemos agua líquida en la superficie;
después de eso, química orgánica cada vez más complicada,
probablemente en muchos entornos diferentes en el planeta temprano;
y luego eso de alguna manera condujo a la síntesis de ARN
o moléculas parecidas a ARN en la Tierra,
que pudieron empezar a realizar funciones bioquímicas en las células primitivas;
y eso eventualmente condujo a la aparición de células mucho más complicadas
que serían bioquímicamente similares a la vida moderna.
Ahora, la primera evidencia muy buena que tenemos sobre
la aparición de la vida microbiana moderna es de hace unos 3,5 millones de años,
así que hay un intervalo de mil millones de años entre la formación
y el enfriamiento del planeta y la primera buena evidencia de vida.
En el fondo, tenemos muy poca evidencia sobre
dónde y cómo sucedieron todos estos importantes eventos que condujeron
a que la vida emergiera de la química.
Eso va junto al hecho de que tenemos muy pocas pruebas concretas
sobre los entornos en los que se produjeron las transiciones.
Por lo tanto, éste es uno de los aspectos más difíciles de estudiar esta pregunta.
Realmente no podemos volver atrás,
no podemos saber a ciencia cierta cómo eran los primeros entornos,
nunca sabremos exactamente lo que realmente sucedió.
¿Cuál es nuestro objetivo en el estudio de estas preguntas?
Lo que estamos tratando de hacer es realmente llegar a una secuencia de eventos plausible y realista
para que podamos entender todas las transiciones
a lo largo de toda esta vía.
Nos gustaría entender una vía completa,
desde la formación de los planetas a través de la química temprana,
la química orgánica más complicada,
hasta el ensamblaje de los componentes básicos en las primeras células,
la emergencia de la evolución darwiniana
y luego la complejización gradual de la vida primitiva que conduce a lo que vemos ahora.
Por lo tanto, vamos a ver un poco más de cerca los pasos químicos.
Así que, en términos generales, lo que creemos que pasó es que se
comenzó con moléculas muy simples, como se muestra aquí.
Todavía hay un gran debate sobre la naturaleza de la atmósfera primitiva.
Ha habido muchas opiniones científicas sobre
la estructura y lo reductivo que era ese ambiente.
Pero también se ha reconocido que podría haber muy importante variación local,
por lo que incluso si el ambiente era globalmente bastante neutral,
o tal vez ligeramente reductivo u oxidante,
puede haber entornos locales que eran más reductores.
Esto, junto al input de varias formas de energía
(por ejemplo, de descargas eléctricas, rayos,
la radiación ultravioleta de alta energía, la radiación ionizante)
todas estas son formas de procesos muy energéticos que básicamente pueden
despedazar estas pequeñas moléculas en átomos,
que luego pueden recombinarse para generar productos intermedios de alta energía
con enlaces múltiples, moléculas como el cianuro y el acetileno,
formaldehído y así sucesivamente .
A continuación, estas moléculas pueden empezar a interactuar unas con otras
y poco a poco construir intermedios más complejos,
finalmente conduciendo a las cosas que realmente nos importan:
los lípidos que harán membranas y vesículas,
los nucleótidos que se reunirán en moléculas genéticas como el ARN,
los aminoácidos que pueden ensamblarse en péptidos,
que también pueden jugar un papel en las células primitivas.
De alguna manera…y ésta es la pregunta en la que realmente se ha centrado mi laboratorio…
de alguna manera todas estas moléculas se unen
y se ensamblan en estructuras más grandes que se ven y actúan como células
que pueden crecer y dividirse.
Así que ¿cómo podría eso suceder
y cómo sería tal célula primitiva?
Aquí hay una versión esquemática de la forma en que estamos pensando
sobre una célula primitiva , o " protocélula ".
Así que lo que creemos que son los componentes importantes de una célula primitiva
son básicamente dos cosas:
una membrana celular y en el interior
algún tipo de material genético, talvez ARN , tal vez ADN,
quizás algo más sencillo, algo más estable, no estamos realmente seguros.
Así que la primera pregunta es ¿cómo se podrían ensamblar estas estructuras compuestas?
Así que queremos tener un límite de membrana
que pueda mantener las moléculas importantes encapsuladas adentro
y esencialmente proporcionar una distinción entre la propia célula
y el resto del universo.
Necesitamos entender cómo estos dos componentes se autoensamblan,
la forma en que se unen.
En realidad resulta que esa parte es bastante sencilla.
Los procesos de autoensamblaje son fundamentales para pensar en todos los pasos
y hay varias maneras en las que estos componentes
pueden hacerse y pueden unirse.
Una cuestión mucho más difícil y más interesante es:
una vez que tenemos estructuras de este tipo,
¿cómo van a crecer y dividirse sin la
maquinaria bioquímica complicada que está presente en toda la vida moderna?
Ya que estamos hablando del origen de la vida,
entonces por definición no teníamos maquinaria bioquímica evolucionada.
Así que a veces es difícil pensar en estos problemas
porque las células modernas usan tanta maquinaria bioquímica
para mediar el proceso del crecimiento celular y la división celular.
Es casi difícil de imaginar cómo puede ser impulsado
por simples procesos químicos y físicos.
Pero eso es en esencia lo que tenemos que averiguar
para entender este proceso.
No hay maquinaria,
así que tenemos que identificar los procesos químicos y físicos
que impulsarán el crecimiento y mediar en la división celular.
Eso se aplica no sólo a la membrana,
sino también al material genético, ya sea ARN o algo más.
Tiene que haber procesos químicos sencillos
que impulsarán la copia de esa información,
que permitirán que las hebras se separen
de modo que pueda darse un nuevo ciclo de copias,
y eso permitirá que ese material reproducido se distribuya en las células hijas.
Así que si podemos identificar los procesos químicos y físicos que hacen todo eso,
tendríamos una situación donde esencialmente el medio ambiente
está impulsando un ciclo de crecimiento y división
que nos trae de vuelta a esta etapa.
Se puede pasar por ese ciclo una y otra vez
y eso sería muy similar a la forma en la que
las células modernas crecen y se dividen.
La información adentro se propaga y se transmite
de generación en generación,
y lo importante en términos de la aparición de la evolución darwiniana es que
durante ese proceso continuo de la replicación
por supuesto se cometen errores.
Con el tiempo, más y más del espacio de la secuencia sería encuestado,
y finalmente, según pensamos, surgiría alguna secuencia que hace algo
útil para la célula en su conjunto.
Tan pronto como eso ocurriera, esa secuencia,
al transmitir una ventaja a su propia célula,
ya sea en términos de la tasa de crecimiento o la eficiencia de la división celular
o de la supervivencia,
tendría una ventaja y poco a poco a través de las generaciones
dominaría en la población.
Eso es realmente la esencia de la evolución darwiniana.
Hay un cambio en la estructura genética de la población como resultado de la selección natural.
Y eso es precisamente lo que nos gustaría ver
surgir espontáneamente en nuestros experimentos de laboratorio.
Queremos empezar con un sistema químico
y verlo cambiarse en la emergencia de la verdadera evolución darwiniana
a un nivel muy simple.
Por lo tanto, demos un paso atrás de nuevo y pensemos en cómo todas estas
moléculas serían creadas en el entorno de un planeta primitivo.
Por supuesto, el primer avance en este programa de investigación
fue el famoso experimento de Miller-Urey,
donde una mezcla de gases reductores se sometió a una descarga de chispa eléctrica,
y se analizaron los productos.
Sorprendentemente, en esa mezcla de los productos estaban muchos de los aminoácidos,
que son los principales componentes de las proteínas de las células modernas.
Así que fue realmente una revelación.
La gente realmente se sorprendió de que los bloques de construcción de las estructuras biológicas
se pudieran generar de una manera tan fácil.
De hecho, ese resultado fue tan potente
que quizás haya sido una distracción.
Probablemente la cosa realmente importante que se hace
en este tipo de experimento no son los aminoácidos per se,
sino los intermediarios de alta energía como el cianuro y el acetileno.
Esos son los tipos de moléculas que pueden ensamblarse en
los pasos subsiguientes en nucleótidos, los bloques de construcción de los materiales genéticos.
Se piensa que esas moléculas se hacían en entornos primitivos,
así que fue un experimento de descarga eléctrica,
lo que es muy análogo a los tipos de relámpagos
que se dan en escenarios volcánicos.
Este es el relámpago que sucede en la nube de cenizas
de un volcán que actualmente está en erupción en el sur de Chile.
Puesto que se pensaba que la Tierra primitiva era altamente volcánica,
éste parece un escenario muy razonable.
¿Qué pasa con algunas de las otras moléculas que necesitamos
para construir nuestra célula primitiva?
Tenemos que tener moléculas de lípidos como moléculas anfifílicas
que se autoensamblan en las membranas y generan compartimentos espontáneamente.
Estas son las moléculas que son anfífilas:
tienen una parte a la que le gusta estar en el agua,
y otra parte a la que no le gusta estar en el agua.
El modo de equilibrar esas preferencias
es al formar membranas donde las partes no polares están al interior
y las partes polares de la molécula miran afuera, hacia el agua.
Así que resulta que en realidad es, de nuevo,
muy fácil hacer moléculas como ésas en varios escenarios.
De hecho , Dave Deamer y sus colegas demostraron que se puede
extraer moléculas del meteorito Murchison
(es uno de esos meteoritos condritos carbonáceos que es rico en materiales orgánicos),
se puede extraer moléculas que se autoensamblan en una vesícula,
como se puede ver aquí .
Así que espontáneamente hacen láminas de membrana que se cierran en pequeñas vesículas.
Aquí hay otro ejemplo.
Este es un experimento que se hizo para
imitar los procesos que tienen lugar en las nubes moleculares interestelares,
donde hay diferentes gases que se han condensado
en la superficie de partículas de sílice.
Están sometidos a la irradiación con luz ultravioleta y radiación ionizante.
Así que si hacemos semejantes hielos en el laboratorio
y los sometemos a la radiación ultravioleta,
sucede un montón de química complicada,
y luego en la vasta mezcla de productos
se puede extraer moléculas que de nuevo van a formar membranas
y autoensamblarse en estos compartimentos vesiculares.
Sin embargo, aquí hay otro escenario.
Esta es una síntesis hidrotermal realizada por Bob Hazen y Dave Deamer.
De nuevo, en el tratamiento hidrotérmico,
podemos cultivar cadenas de carbono con grupos oxigenados
como carboxilatos en el extremo,
y éstos se autoensamblan para formar membranas y crean muchos compartimentos,
como se puede ver en esta imagen hermosa.
Entonces, ¿cuál sería un ejemplo de un entorno primordial de la Tierra
donde algo así podría ocurrir?
Hay una serie de experimentos en el laboratorio de Simoneit que
sugieren que la síntesis hidrotermal podría suceder en la profundidad,
en regiones de alta temperatura y alta presión,
en la superficie de minerales catalíticos como los sulfuros de metales de transición o los óxidos,
y esas reacciones básicamente convertirían el hidrógeno y el monóxido de carbono
en ácidos grasos y compuestos relacionados.
Así que la próxima diapositiva aquí es una película preparada por Janet Iwasa,
que ilustra este proceso.
Vamos a penetrar profundamente en la Tierra,
a través de los canales de agua de un géiser.
Aquí estamos mirando la superficie de estos minerales metálicos de transición catalítica
y se puede ver el hidrógeno y las moléculas de monóxido de carbono
rebotando en la superficie y el mineral está catalizando
su ensamblaje en cadenas, que finalmente se liberarán y flotarán.
Van a ser atrapadas en el flujo del agua
y por lo tanto llevadas a la superficie, donde se puede imaginar estos ácidos grasos,
alcoholes grasos y moléculas relacionadas siendo aerosoladas
y concentradas en gotitas, y tal vez incluso
acumulándose en grandes depósitos en la superficie de la tierra.
Por lo tanto, parece qye el ensamblaje de moléculas prebióticas
que espontáneamente podrían formar vesículas de membrana no es muy difícil.
Es, definitivamente, un área poco estudiada de la química prebiótica , que necesita más trabajo,
pero se ve, creo, bastante plausible.
Así que las moléculas más prebióticamente probables
serían cosas como ácido cáprico, que Uds. ven aquí.
Acidos grasos saturados de cadena corta.
Así que hacemos experimentos en el laboratorio con moléculas de este tipo,
pero también usamos moléculas no saturadas de cadena más larga,
como el ácido miristoleico y el ácido oleico,
como sistemas modelo porque son simplemente más fáciles para trabajar.
Entonces, ¿qué pasa si tomamos uno de estos ácidos grasos
y lo agitamos en agua con un poco de sal y tampón?
¿Es difícil hacer las membranas ? No.
Lo que se puede ver es que las vesículas se hacen espontáneamente
en una gran variedad de estructuras complejas, una amplia gama de tamaños,
desde 30 micras (esta gran vesícula)
hasta muchas, muchas vesículas más pequeñas que van hasta los 30 nanómetros.
Muchas de estas vesículas se componen de múltiples hojas de membrana,
montones de membranas.
Pueden ver que algunas de estas vesículas tienen vesículas pequeñas en su interior.
Así que es una mezcla muy heterogénea y compleja.
Ahora , la otra cosa que es realmente importante en esto es que estas vesículas,
estas membranas, tienen propiedades muy, muy diferentes
de las membranas biológicas modernas.
Las membranas modernas se desarrollaron básicamente para ser buenas barreras,
para que las células puedan controlar el flujo de todas las moléculas adentro y afuera
usando complicadas máquinas de proteínas.
Para una célula primitiva, no desearíamos una situación así...
eso sería suicida.
Estas moléculas tienen que dejarse atravesar,
tienen que tener propiedades dinámicas
que pueden dejarlas crecer y equilibrarse.
Así que la siguiente diapositiva es en realidad una película, de nuevo preparada por Janet Iwasa,
para ilustrar las propiedades dinámicas de estas vesículas,
que son tan diferentes de las membranas modernas.
Lo que se ve aquí es, en primer lugar,
el movimiento en la superficie, una gran cantidad de oscilaciones, la difusión.
En la propia membrana, estas moléculas, las moléculas individuales
van rápidamente de ida y vuelta, del interior al exterior,
están constantemente entrando en la membrana y saliendo de ella,
así que hay una gran cantidad de reacciones de intercambio que están
ocurriendo en escalas de tiempo muy rápidas, del orden de un segundo o menos.
Así que son estructuras muy dinámicas.
Y estos movimientos dinámicos son también, probablemente,
muy importantes en términos de la permeabilidad.
Permiten la formación de defectos transitorios en la membrana,
que permiten a las moléculas cruzar de forma espontánea
sin ningún tipo de maquinaria complicada.
Hay otra característica de estas vesículas que me parece fascinante.
Así como se vio en la ilustración, las moléculas que componen
cualquier vesícula dada van y vienen, por lo que el intercambio entre las vesículas
en la escala de tiempo es de aproximadamente un segundo.
En esta diapositiva, lo que se ve son dos poblaciones de vesículas
que fueron etiquetadas con tintes de fosfolípidos,
por lo que no están intercambiándose entre vesículas.
La imagen aquí fue tomada después de un día,
y así se puede ver que no se han simplemente fusionado y mezclado entre todos,
todavía hay vesículas rojas y vesículas verdes.
Sin embargo, sabemos de nuestros otros experimentos que las moléculas
que componen cualquiera de estas vesículas están cambiando
en un plazo de tiempo muy rápido. Sin embargo, las estructuras mismas
mantienen su identidad en la escala de tiempo de semanas o meses.
¿Qué pasa con los ácidos nucleicos entonces?
Hemos hablado mucho sobre los componentes básicos de las membranas,
la forma en que se autoensamblan,
y las propiedades de las membranas en las que se ensamblan...
volvamos a los materiales genéticos y pensemos
en qué tipo de bloques de construcción necesitamos para armar moléculas como el ARN.
Ahora, de nuevo, tenemos una diferencia entre las moléculas utilizadas en la vida moderna...
éstos, por supuesto, son nucleosido trifosfatos
son sustratos casi ideales para una célula altamente evolucionada
con catalizadores muy, muy poderosos.
Estas moléculas son cinéticamente atrapadas en un estado de alta energía.
No actúan muy bien espontáneamente para nada,
por lo que se requiere un catalizador muy sofisticado para
utilizar moléculas como ésta a modo de sustrato.
También son, por supuesto, muy polares, el grupo trifosfato está altamente cargado,
y eso impide que estas moléculas se escapen de la célula,
lo que sería malo.
Por otro lado, en una célula primitiva,
si uno se imagina que los substratos, moléculas de alimento,
se están haciendo en procesos químicos en el entorno,
tiene que ser posible que las moléculas atraviesen la membrana
espontáneamente y entren al interior de la célula.
Vamos a pensar en los diferentes tipos de sustratos,
moléculas que son menos polares, así que pueden entrar en la célula,
y químicamente más reactivas, de modo que se pueden polimerizar sin la necesidad
de catalizadores muy sofisticados y avanzados, altamente evolucionados.
Moléculas como éstas fueron hechas primero por Leslie Orgel
y sus alumnos y colegas hace 20-30 años,
y fueron estudiadas en mucho detalle como modelos para la replicación temprana del ARN.
Por lo tanto, esto nos lleva de nuevo a la cuestión de
cuál fue el primer material genético.
¿Fue, de hecho, el ARN?
¿O es el ARN tan complicado,
o son sus bloques de construcción tan difíciles de hacer,
que la vida más probablemente comenzó con algo más simple,
algo más fácil de hacer,
tal vez algo más estable que podría acumularse,
como el ADN, por ejemplo?
Así que éste es un espacio activo de debate e investigación.
Realmente no sabemos la respuesta a esta pregunta,
pero mucha gente está haciendo experimentos y tratando de
elaborar vías químicas que conduzcan al ARN.
Por ejemplo, el laboratorio de Sutherland en el Reino Unido ha hecho un gran progreso en este área.
Estamos estudiando cómo estas moléculas podrían ser ensambladas y replicadas.
Así que una de las cosas gratas de pensar en el ARN
como el primer material genético
es que en realidad tenemos dos diferentes procesos físico químicos
que pueden conducir a la polimerización de un bloque de construcción activado
en cadenas largas de ARN.
El primero de éstos fue descubierto por Jim Ferris, quien trabajaba con Leslie Orgel,
y ése fue el descubrimiento de que un mineral de la arcilla común
conocido como montmorillonita puede catalizar el ensamblaje de
nucleótidos en las cadenas de ARN.
Así que esto ilustra la estructura de esta arcilla,
es un mineral de capas de hidróxido.
Entre las capas, las capas de silicato de aluminio
hay agua y en estas capas interiores
se pueden acumular moléculas orgánicas y cuando se acercan,
pueden reaccionar entre sí y empezar a polimerizarse.
Así que aquí hay algunos de los datos experimentales.
Durante un período de varios días, se comienza con pequeñas cadenas
y poco a poco se hacen más largas y más largas, hasta longitudes de aproximadamente 40,
y en experimentos más recientes hasta 50 o 60 nucleótidos de longitud.
Así que quería ilustrar eso con esta película,
otra de las animaciones de Janet Iwasa,
para mostrar más o menos cómo pensamos que esto funciona.
A estos bloques de construcción químicamente activados les gusta pegarse a la
superficie del mineral de arcilla,
y cuando se pegan de tal manera que están alineados unos con otros,
pueden reaccionar y ensamblar una columna vertebral químicamente ligada,
como se puede ver aquí.
Ahora, hay otro proceso que puede hacer lo mismo,
que es muy interesante porque es tan contrario a la intuición.
Resulta que si tomamos estos mismos bloques de construcción y simplemente los mantenemos
en una solución diluida y la ponemos en el mesón, no pasa nada.
Pero si tomamos la misma solución y la ponemos en el congelador
y volvemos el día siguiente, encontraremos cadenas de ARN.
¿Por qué se da eso?
Se debe a que cuando el agua se congela y forma cristales de hielo,
durante el crecimiento de los cristales de hielo
otras moléculas (solutos) son excluidas del cristal en crecimiento,
por lo que terminan concentradas hasta mil veces
entre los granos de hielo.
Y cuando están tan concentradas, una vez más pueden reaccionar y polimerizarse.
Así que tener dos procesos diferentes que pueden conducir el ensamblaje de
cadenas de ARN es en realidad algo muy satisfactorio...
eso es algo que buscamos en este campo,
si hay más de una manera de resolver un problema,
hace que toda la solución parezca más robusta.
Ahora, el problema más difícil quizás
es que una vez que tienes las cadenas de ARN como ésta, ¿cómo pueden ser replicadas?
Gran parte de nuestro pensamiento se basaba en la catálisis del ARN
y de hecho la base del mundo del ARN es la idea
de que el ARN puede actuar como una enzima que puede catalizar su propia replicación.
David Bartel, cuando era estudiante en mi laboratorio hace muchos años,
evolucionó una enzima de ARN con una actividad catalítica
que puede unir pedazos de ARN.
Posteriormente Dave evolucionó esta ribozima en una estructura más compleja
que es una polimerasa de ARN, hecha de ARN.
Ahora, eso es una impresionante prueba de principios,
pero por desgracia, a pesar de los muchos avances de los últimos años,
aún estamos lejos de contar con una molécula de ARN que pueda
catalizar completamente la copia de su propia secuencia.
Por lo tanto, lo que hemos decidido hacer es de nuevo retroceder un paso
y mirar la química subyacente
para ver si puede haber maneras de ajustar o jugar
con la química de la polimerización de ARN para simplificar este problema.
Idealmente, tal vez podríamos encontrar un proceso químico completo
que podría conducir la replicación del ARN.
Ahora, ésa es una tarea muy difícil.
Leslie Orgel y sus colegas trabajaron en eso durante muchos años,
obtuvieron una solución parcial,
pero nunca pudieron tener ciclos completos de replicación.
Sin embargo, hemos decidido volver y mirar algunos sistemas modelo
y veremos si podemos conseguir algunas pistas sobre la forma de abordar ese problema,
quizás en algunos aspectos nuevos.
Así que para ilustrar lo que realmente buscamos ,
voy a mostrar otra de las películas de Janet Iwasa.
Lo que se ve aquí es una plantilla de ARN, una molécula de cadena sencilla,
flotando en una solución llena de monómeros activados.
Esos monómeros luego encuentran sus bases complementarias,
así que utilizan el emparejamiento de bases de Watson y Crick para alinearse en la plantilla,
y luego básicamente se enganchan para construir una cadena complementaria,
generando un producto dúplex.
Así que buscamos algún sistema químico simple
que conduzca ese proceso de una manera muy eficiente.
Por lo tanto, si pudiéramos llegar a ese punto,
entonces de nuevo podríamos montar este sistema modelo,
una protocélula modelo, compuesta por una frontera entre compartimentos de membrana
y material genético replicante en el interior.
Ahora, cuando pensamos en un complejo sistema compuesto de este tipo,
la pregunta que surge a menudo es
¿por qué realmente molestarse con el compartimento de la membrana?
¿Por qué no dejar que las moléculas de ARN se repliquen en la solución?
Y una manera de pensar acerca de esto es que
para que emerja la evolución darwiniana
las moléculas que son de alguna manera mejor que sus vecinos
tienen que tener una ventaja propia.
Así que si pensamos en replicasas de ARN flotando en la solución,
(moléculas de ARN que catalizan la replicación
de otra molécula de ARN),
en realidad no ayuda que haya una mutación más rápida o más precisa
si sólo se copian al azar otros ARN
que se encuentran en la solución.
Tiene que haber una ventaja propia.
La forma más simple de imaginar que eso sucede
es encapsular estas moléculas dentro de una vesícula,
para que siempre copien moléculas relacionadas por ascendencia.
Ahora, el auto-ensamblaje de este tipo de estructuras complejas
es algo que en realidad es bastante simple.
Por lo tanto, en el nivel más bajo
la formación de una vesícula de la membrana puede encapsular simplemente
lo que haya allí, en la solución circundante.
Sin embargo, es interesante que haya maneras de hacer el proceso más eficiente
y una de las formas más interesantes de hacerlo
es tomar ventaja de ese mismo mineral de arcilla, la montmorillonita,
que como ya hemos visto puede catalizar el montaje de cadenas de ARN.
Lo que se puede ver en esta imagen,
que fue generada por Shelly Fujikawa y Martin Hanczyc
cuando estaban en mi laboratorio hace unos ocho años...
lo que se puede ver es que tenemos aquí una partícula de arcilla,
que tiene moléculas de ARN unidas a su superficie,
así que el color naranja es un ARN marcado con colorante,
y resulta que estas partículas de arcilla pueden catalizar el
conjunto de láminas de membrana de ácidos grasos.
Y lo que ha pasado aquí es que esta partícula de arcilla ha catalizado
el montaje de esta gran vesícula
así como de las muchas vesículas más pequeñas encapsuladas dentro de ella.
Así que lo que hoy podemos ver es que un solo mineral muy común y abundante
puede catalizar el montaje de un material genético,
puede catalizar el montaje de las barreras de los compartimentos (las membranas celulares),
y puede ayudar a reunirlos.
Así que es muy interesante como una forma de simplificar el montaje de
estructuras semicelulares en la Tierra primitiva.
Aquí está otra imagen: partícula de arcilla dentro de una vesícula .
Aquí el límite es evidente de una manera espectacular,
ésta es una pila de varias capas de bicapas de membrana.
Aquí hay otro ejemplo donde la gran vesícula exterior
está llena de cientos de pequeñas vesículas, todas reunidas bajo
la influencia catalítica de esta partícula de arcilla en el medio.
Así que ensamblar estas cosas parece bastante simple.
¿Qué pasa con el proceso de crecimiento y división?
Al fin y al cabo, eso es lo que realmente necesitamos para generar
estructuras semicelulares que pueden propagarse.
En este punto
lo que puedo decir es que hemos desarrollado un proceso que se ve bastante robusto.
Podemos empezar con vesículas y alimentos en forma de micelas de ácidos grasos.
Crecen notablemente en la estructura filamentosa,
que luego se puede dividir fácilmente en las células hijas,
y esto genera un ciclo que puede seguir indefinidamente.
En la siguiente parte de esta conferencia,
Voy a entrar en mucho más detalle sobre la naturaleza de este proceso
y el mecanismo por el que esto sucede.
Pero, juntando este ciclo con nuestro
pensar acerca de la replicación de ácidos nucleicos,
realmente podemos empezar a imaginar cómo
habría sido el ciclo de la célula primitiva.
Esto se muestra en la figura de un artículo de Scientific American
que escribí con Ricardo Alonso de mi laboratorio,
y resume algunas de nuestras ideas acerca de las formas en las que
el entorno de la Tierra primitiva podría haber ayudado a impulsar el crecimiento y la división celulares.
Así que la idea es que el medio ambiente en general debe haber sido bastante frío,
quizás incluso un estanque cubierto de hielo,
algo que se podría encontrar en un entorno alpino o ártico.
Hay muchos ejemplos en la Tierra moderna.
La razón para querer un ambiente frío, en general, es que la
química del copiar parece ir mejor a bajas temperaturas.
La baja temperatura ayuda a los bloques de construcción
a unirse a la plantilla y facilita el proceso de copia.
Pero sabemos que eventualmente, una vez que la copia se haya terminado,
hay que separar las hebras para que se pueda
dar otra ronda de copia.
La manera más sencilla para que eso suceda es invocar altas temperaturas.
Por eso, lo que nos gusta imaginar son
células de convección impulsadas por la energía geotérmica;
esencialmente, en un entorno de tipo geyser,
podría haber un estanque generalmente frío,
pero de vez en cuando estas partículas quedan atrapadas
en una columna de agua caliente se levanta de una fuente termal.
Estarían transitoriamente expuestas a altas temperaturas,
lo que daría lugar a la separación de cadenas.
Eso también permite una rápida afluencia de nutrientes desde el medio ambiente
para alimentar el crecimiento y la replicación en la siguiente ronda.
Y eso generaría un ciclo donde
todo el proceso de crecimiento, replicación y división
es impulsado por las fluctuaciones en el medio ambiente.
Esto nos impulsa a hablar con los geólogos y a buscar
análogos de este tipo de ambiente en la Tierra moderna.
Aquí hay una imagen hermosa de un lago antártico
donde se ven estromatolitos,
estos montículos aquí son la flora microbiana en la superficie.
La razón por la que es líquido es que, por supuesto, hay calor subiendo desde abajo
geotérmicamente, así que no es un análogo perfecto
de la situación que he descrito.
Nos gustaría encontrar ambientes como éste donde hay aguas termales
generando células de convección que pudieran conducir todo el ciclo.
Así que sería muy satisfactorio si pudiéramos identificar este tipo de entornos.
Por lo tanto, lo que he tratado de mostrar en esta conferencia es básicamente
el contexto del medio ambiente y la química
previos al ensamblaje de células primitivas,
de una manera que es plausible, en la Tierra primitiva.
Y en las dos partes siguientes nos enfocaremos en
una visión más detallada de la química del conjunto de membrana,
el crecimiento y la división;
y la química de la replicación del ácido nucleico.
Todo este trabajo, por supuesto, se ha hecho a través de muchos
estudiantes talentosos y postdoctorados en el laboratorio
que se pueden ver aquí en esta diapositiva.
Gracias.