Así vivió el primer ser vivo en la Tierra
La permeabilidad de la membrana permitió a LUCA alimentarse de la energía en su entorno, probablemente en los profundos respiraderos en el fondo del océano.
Toda la vida en la Tierra proviene de un ancestro común, un organismo unicelular. Un equipo de investigadores de 'University College London' (UCL), en Reino Unido, lo han estudiado con modelos matemáticos y han resuelto preguntas sobre cómo era, cómo vivió y cómo ha evolucionado hacia las células modernas de hoy en día. Los resultados sugieren que el Último Ancestro Común Universal de la Vida (LUCA, por sus siglas en inglés) tenía una membrana permeable.
Este hallazgo, que se publica este martes en 'Plos Biology', ayuda a los científicos a responder a dos de las mayores preguntas de la biología: por qué todas las células utilizan el mismo mecanismo complejo extraño de recogida de energía y por qué dos tipos de organismos unicelulares que forman la rama más honda en el árbol de la vida, las bacterias y arqueas, tienen membranas celulares completamente diferentes.
La permeabilidad de la membrana permitió a LUCA alimentarse de la energía en su entorno, probablemente en los profundos respiraderos en el fondo del océano. El equipo modeló cómo cambió la membrana, permitiendo a los descendientes de LUCA mudarse a nuevos entornos más desafiantes y evolucionar en dos tipos distintos de organismos, las bacterias y arqueas unicelulares, creando la rama más profunda del árbol de la vida.
Las bacterias y arqueas comparten muchas características comunes, como genes, proteínas y mecanismos de lectura del ADN, lo que inicialmente llevó a los científicos a creer que eran sólo diferentes tipos de bacterias. Su clasificación cambió en la década de 1970 después de que se encontraran radicales diferencias en la manera por el que se replica el ADN y en la estructura de su membrana celular. Como ambos provenían de LUCA, los expertos se disponen a encontrar las respuestas en la estructura y función de la membrana de LUCA.
"Este trabajo me parece hermoso al limitar una secuencia de pasos desde la extraña célula que parece haber sido el antepasado de toda la vida de hoy hasta la división profunda entre las células modernas. Desde una sola idea básica, el modelo puede explicar las diferencias fundamentales entre las bacterias y arqueas. Me gustaría pensar que es correcto, pero lo más importante es que hace algunas predicciones claras que planeamos poner a prueba en el futuro", explica el director del estudio, Nick Lane, experto en Biociencias en UCL.
Los datos del estudio sugieren que LUCA vivió en zonas de antigua agua de mar densa, con partículas cargadas positivamente llamadas protones, mezclados con fluido alcalino caliente de respiraderos, que contenía protones. La diferencia en la concentración de protones en estos dos entornos activa los protones para que fluyan dentro de la célula, llevando a la producción de una molécula llamada trifosfato de adenosina (ATP), que alimenta el crecimiento de las células, tal como lo hace en la actualidad.
Sin embargo, a diferencia de las células modernas, los investigadores creen que esto sólo podría suceder si la membrana fuera permeable, permitiendo a los protones salir de la célula de forma espontánea, por lo que podrían entrar más protones para aumentar la energía. "En estos respiraderos de aguas profundas, hay un flujo continuo de fluidos alcalinos, que se mezclan con las aguas del océano. Cuando se mezclan, los fluidos se neutralizan entre sí y se detiene la acumulación de factores de carga que de otro modo evitan que los protones fluyan dentro de la célula", detalla Lane.
"Si las primeras células tenían membranas con fugas, entonces los protones podrían entrar y ser neutralizados, o salir de nuevo, casi como si no hubiera ninguna barrera. Lo que hemos demostrado es que la velocidad a la que los protones entran y salen es lo suficientemente alta para alimentar el crecimiento de las células a través de proteínas incrustadas en la membrana. Así, LUCA podría haber sido impulsada por gradientes de protones naturales en los respiraderos, pero sólo si tenía una membrana muy permeable, a diferencia de las células de hoy en día", añade.
Para escapar de estos orificios de ventilación de los fondos marinos, LUCA tuvo que adaptar su membrana para bombear protones de la célula, con el fin de que fueran de vuelta de nuevo para ayudar a impulsar la producción de ATP. El estudio sugiere que las bacterias y arqueas desarrollaron estructuras de la membrana celular y bombas de protones completamente diferentes, manteniendo la misma maquinaria de alimentación para crecer, y explica por qué se diferencian en rasgos fundamentales que dependen de la membrana como la replicación del ADN.
"La explotación de los gradientes es universal a través de toda la vida, pero la comprensión de cómo LUCA utilizó un gradiente para impulsar el crecimiento nos planteó un dilema similar al de la gallina y el huevo: ¿pudo LUCA generar un gradiente sin saber cómo explotarlo y cómo pudo aprender a usar el gradiente si no creó uno inicialmente? Proponemos que los gradientes naturales de los protones son la solución porque LUCA no tuvo que crear el gradiente", argumenta el primer autor del estudio, Victor Sojo, también del Departamento de Biociencias de UCL.
Y prosigue: "Descubrimos que las membranas no permeables tuvieron que evolucionar más adelante y lo hicieron de forma independiente en arqueas y bacterias. Esto explica por qué las membranas bioenergéticas son universales en arqueas y las bacterias todavía bombean iones". Para el próximo proyecto, los investigadores esperan recrear el ambiente de las zonas de ventilación, que se cree que han sido los ladrillos de la vida que se formaron espontáneamente hace cuatro millones de años para saber cómo las moléculas se comportan e interactúan en esas condiciones.
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