Primera vida y próxima vida

El conductor apagó el motor de su ruidoso transporte de tropas del ejército ruso al borde de un profundo cañón excavado por una corriente de agua de deshielo glacial. Nuestro pequeño grupo de investigación, que incluía a los estudiantes graduados de Stanford Jamie y Meaghan, los postdoctorados Jan y Jake de la Carnegie Institution de Washington y nuestro guía, Vladimir, bajó del camión para un tramo de bienvenida después de un discordante viaje de cinco horas desde Petropavlovsk. Luego nos echamos al hombro nuestras mochilas y comenzamos a trepar, crujiendo sobre nieve y hielo compactados entre rocas del tamaño de una casa. Cuando nos detuvimos para respirar y miramos cuesta abajo, pudimos ver los flujos de ceniza y lava de erupciones pasadas erosionados en colinas y valles, con parches dispersos de arbustos bajos en áreas protegidas muy abajo. El accidentado paisaje volcánico de Kamchatka definía el horizonte. Por encima de nosotros se cernía nuestro objetivo: el pico arruinado del monte Mutnowski, un volcán que había entrado en erupción solo unos años antes.

Dos horas más tarde y 2,000 pies más arriba, miramos por encima del borde del cráter. Era difícil comprender el caos debajo de nosotros. No había nada vivo en este paisaje de rocas negras y grises excepto nuestro equipo de seis. Un pequeño glaciar en el otro lado se estaba derritiendo en el cráter, y rugidos distantes emanaban desde el interior mientras el vapor se elevaba hacia el cielo azul. Tierra, aire, fuego y agua, pensé, los elementos antiguos, reunidos aquí en el lejano este de Rusia, agitados por la energía térmica que queda desde el comienzo de la historia de nuestro planeta. A excepción del glaciar, este lugar parecía un remanente de esa época, un modelo de cómo era la Tierra hace cuatro mil millones de años, antes de que comenzara la vida. Bajamos al cráter, a veces con máscaras de gas para proteger nuestros pulmones de los gases cáusticos.

Esta historia fue parte de nuestro número de mayo de 2009

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Mi trabajo de campo en Kamchatka fue apoyado por una subvención de la NASA, y nuestro principal objetivo era comprender mejor las condiciones geoquímicas relacionadas con el origen de la vida en la Tierra y quizás en Marte. Publicaciones anteriores en revistas en ruso habían informado que los compuestos orgánicos, incluidos los aminoácidos, estaban presentes en los manantiales y vapores hirvientes de los volcanes de Kamchatka. Todos están de acuerdo en que el origen de la vida requería una fuente de compuestos orgánicos, pero nadie sabe realmente cuál podría haber sido la fuente primaria. Una posibilidad es que la mayoría de los compuestos fueron producidos por síntesis geoquímica en regiones volcánicas al principio de la historia de la Tierra, y sería un gran avance si pudiéramos detectar reacciones similares en los volcanes de hoy.

El segundo objetivo fue básicamente cubrir mi apuesta. ¿Y si llegamos hasta Kamchatka y no encontramos compuestos orgánicos? Eso sería vergonzoso. Por esta razón, traje una mezcla de compuestos similares a los que pensamos que podrían haber estado disponibles hace cuatro mil millones de años para poner en marcha la vida: cuatro aminoácidos, un ácido graso, fosfato, glicerol y las cuatro bases del ácido nucleico. Sabíamos que, en condiciones de laboratorio, estos componentes pueden reaccionar para producir compuestos más complejos relacionados con las estructuras moleculares y funciones características de la vida. Propuse agregarlos a una piscina volcánica para ver qué pasaba. La mayoría de mis colegas creen que este tipo de experimento es un poco tonto porque las condiciones no están controladas, pero yo lo considero como una verificación de la realidad. Podemos obtener reacciones interesantes para trabajar en un laboratorio, pero ¿qué pasa si pasamos por alto algo que se hace evidente solo cuando intentamos simular esas reacciones en un entorno natural?

Simbiosis y biología sintética
Cuando comencé a escuchar el término astrobiología hace unos años, sonaba extrañamente discordante. Y luego apareció otra nueva disciplina que era aún más exagerada: Biología sintética . Pero así es como avanza la ciencia, mediante una especie de simbiosis entre disciplinas aparentemente inconexas, en las que la biología y la química tradicionales se convierten en bioquímica y la biología y la física en biofísica. Comencé mi carrera haciendo estudios biofísicos tradicionales sobre membranas, pero ahora parte de mi investigación está financiada por el programa de astrobiología de la NASA, y muchos de nuestros experimentos podrían describirse como biología sintética: la aplicación de técnicas de ingeniería para diseñar o rediseñar funciones y sistemas biológicos.

El campo de la biología sintética está de moda en este momento, porque sus métodos son potencialmente muy poderosos. Los biólogos sintéticos saben lo suficiente sobre los sistemas vivos como para alterar los programas genéticos de formas útiles, de la misma forma en que los programadores informáticos expertos alteran el software. Pero, ¿qué tiene que ver esa ciencia de alta tecnología con los volcanes y el origen de la vida? Louis Pasteur comentó una vez que el azar favorece a la mente preparada; muy a menudo, incluso la investigación más básica produce una aplicación inimaginable. Por ejemplo, una de las herramientas más poderosas de la biología molecular es la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), que se utiliza para amplificar el ADN, es decir, para hacer múltiples copias de una secuencia determinada. En la PCR, los ciclos de calentamiento y enfriamiento se combinan con la síntesis de ADN mediante una polimerasa, una enzima que cataliza la formación de moléculas grandes (polímeros) a partir de moléculas pequeñas (monómeros). A Kary Mullis se le ocurrió la idea en 1983, primero usando una polimerasa de E. coli bacterias, pero se necesitaba una polimerasa que pudiera sobrevivir a temperaturas cercanas al punto de ebullición. En 1965, en una investigación completamente ajena, Thomas Brock descubrió una bacteria primitiva, a la que llamó Thermus aquaticus , viviendo en las aguas termales volcánicas del Parque Nacional Yellowstone. Este organismo es la fuente original de los resistentes al calor. Taq polimerasa ahora utilizada en todos los dispositivos comerciales de PCR.

Si seguimos el consejo de Pasteur, podemos aumentar las posibilidades de más descubrimientos fortuitos de este tipo. En particular, podemos preparar nuestras mentes ampliando el alcance de la biología sintética para abarcar los estudios del origen de la vida. Comenzaré describiendo la versión natural de la biología sintética; luego mostraré cómo nuestra creciente comprensión de los mecanismos moleculares de la vida sugiere una forma de reproducir el origen de la vida en el laboratorio.

Primera vida: biología sintética en la naturaleza
Para abordar la cuestión del origen de la vida, necesitamos tener una idea de cómo era la Tierra hace cuatro mil millones de años. Existe buena evidencia de que los océanos ya estaban presentes, antes de la vida en varios cientos de millones de años. Los océanos eran salados, probablemente algo ácidos, con masas de tierra volcánica que se elevaban por encima del nivel del mar. La precipitación en esas islas produjo estanques de agua dulce, por lo que el entorno marino no es el único en el que podría haber comenzado la vida. La atmósfera era una mezcla de dióxido de carbono y nitrógeno, con poco o ningún oxígeno, y la temperatura global promedio era de 60 a 70 ° C, mucho más alta que los 15 ° C de hoy. Así, las primeras formas de vida probablemente se parecían a las bacterias termófilas que habitan hoy en día las fuentes termales.

¿Cómo podía empezar la vida en un entorno tan poco prometedor? Charles Darwin ocasionalmente se preguntaba sobre eso, aunque era demasiado conservador para especular en público sobre el origen de la vida. En una carta privada a su amigo Joseph Hooker, escribió: Pero si (y ¡oh, qué gran si!) Pudiéramos concebir en algún pequeño estanque cálido, con todo tipo de amoniaco y sales fosfóricas, luz, calor, electricidad, etc. ., presente, que un compuesto proteico se formó químicamente listo para sufrir cambios aún más complejos, en la actualidad dicha materia sería devorada o absorbida instantáneamente, lo que no habría sido el caso antes de que se formaran las criaturas vivientes. Y su gran libro Sobre el origen de las especies aborda la cuestión en una sola frase: Mirando hacia el primer amanecer de la vida, cuando todos los seres orgánicos, como podemos creer, presentaban la estructura más simple, cómo, se ha preguntado, podría el ¿Han surgido los primeros pasos en el avance o diferenciación de piezas?

De manera menos elocuente, ¿qué se necesitaría para que comenzara la evolución de la vida? En primer lugar, la evolución trabaja en poblaciones, no en organismos individuales, por lo que debemos encontrar una manera de generar un gran número de sistemas moleculares en el entorno prebiótico. Además, debe haber una gran variación en sus propiedades. El requisito de variación dentro de una población significa que las primeras formas de vida capaces de evolucionar no podrían ser mezclas aleatorias de moléculas replicantes incapaces de ensamblarse en entidades discretas; en cambio, serían sistemas de moléculas en interacción encapsuladas en algo como una célula.

Una especie de laboratorio: El autor muestrea fumarolas hirviendo en el cráter del monte Mutnowski, en Kamchatka, Rusia

Los sistemas tendrían que exhibir las dos funciones principales de la vida: crecimiento y reproducción. Las células crecen absorbiendo nutrientes, moléculas simples del medio ambiente. Usan energía para unir esas moléculas en los polímeros que llamamos proteínas y ácidos nucleicos. La reproducción requiere un mecanismo mediante el cual la información genética pueda almacenarse y luego replicarse, de modo que la información, en forma de genes, pueda transmitirse. Pero la transferencia de información es necesariamente imperfecta. Debe ocurrir una cierta cantidad de errores, mutaciones, para producir variaciones en la población, como las que permitieron a la vida primitiva explorar diferentes nichos y comenzar a evolucionar hacia la magnífica biosfera de la Tierra actual.

Estamos hablando de formas de vida mucho más simples que incluso las bacterias más primitivas que existen ahora. Aún así, ¿cómo podrían aparecer espontáneamente células de cualquier tipo a partir de mezclas aleatorias de moléculas orgánicas simples? La perspectiva es tan asombrosa que algunos científicos afirman rotundamente que nunca entenderemos cómo surgió. Soy más optimista. Pero intentar descubrir cómo empezó la vida es un trabajo duro, sin la certeza de que alguna vez encontraremos las respuestas. Necesitamos formular y probar hipótesis y estar dispuestos a aventurarnos en un vasto territorio inexplorado. Describiré brevemente algunos de los hitos de este viaje. A medida que los reconocemos, podemos comenzar a armar una jaula lógica que restrinja la especulación y nos oriente hacia las respuestas.

Primer hito: una fuente de monómeros orgánicos
Las cuatro variedades básicas de biomoléculas son aminoácidos y proteínas, carbohidratos, ácidos nucleicos y lípidos. Hay pocas dudas de que compuestos orgánicos similares, incluso idénticos, estaban presentes en el ambiente prebiótico. Esa fue la conclusión del famoso experimento de Stanley Miller a principios de la década de 1950 en el que expuso mezclas de gases ordinarios a descargas eléctricas y observó la formación de aminoácidos. Desde entonces, prácticamente todos los compuestos de carbono primarios de la vida se han sintetizado en simulaciones prebióticas.

Los resultados de los estudios de simulación fueron fuertemente apoyados cuando un meteorito notable cayó a la Tierra cerca de Murchison, Australia, en septiembre de 1969. Estaba claro que el meteorito contenía material orgánico, porque un olor extraño emergió de las superficies calientes. Cuarenta años más tarde, cuando muelo muestras de Murchison en el laboratorio, el mismo olor surge del mortero: polvoriento, aceitoso y ácido al mismo tiempo. Este es un olor antiguo, más antiguo que la Tierra misma, conservado durante cinco mil millones de años en un cometa o asteroide del que se derivó el meteorito original.

Hay miles de compuestos orgánicos presentes en el meteorito Murchison y otros meteoritos carbonosos que han sido analizados, lo que confirma el experimento de Miller al mostrar que los compuestos orgánicos biológicamente relevantes son de hecho producidos por procesos no biológicos. Esto hace que sea plausible que los compuestos orgánicos estuvieran presentes en la Tierra prebiótica, ya sea sintetizados por procesos geoquímicos o entregados como meteoritos y cometas hace más de cuatro mil millones de años.

Segundo hito: autoensamblaje de compartimentos y protocélulas
La unidad de toda la vida hoy es la célula. Mi experiencia en investigación es en biofísica de membranas y comencé mi carrera estudiando las membranas lipídicas que son los límites esenciales que definen las células vivas. Hace veinte años, cuando obtuve una piedra del tamaño de una pelota de golf del meteorito Murchison, quise ver si algo parecido a los lípidos estaba presente en la mezcla de compuestos orgánicos meteoríticos, quizás arrojando luz sobre cómo la vida se volvió celular.

En investigaciones anteriores, a menudo había usado una mezcla de cloroformo y metanol para extraer lípidos de una variedad de materiales biológicos, como glóbulos rojos, cloroplastos, mitocondrias e incluso yemas de huevo, siendo la última una rica fuente de un fosfolípido llamado lecitina. Y en 1975 había pasado un año sabático en el laboratorio de Alec Bangham, quien descubrió en la década de 1960, trabajando en un instituto de investigación cerca de Cambridge, Inglaterra, que la lecitina podía autoensamblarse espontáneamente en sacos membranosos, o vesículas, que se han convertido en llamarse liposomas. Ahora empleé la mezcla de cloroformo y metanol para aislar compuestos de muestras de la piedra de Murchison, luego usé un procedimiento cromatográfico para purificar aquellos que podrían ser capaces de autoensamblarse en membranas. El panel de la izquierda en la figura de la página 71 muestra lo que sucedió cuando se secaron algunos microgramos del extracto en un portaobjetos de microscopio y se expusieron al agua para simular los ciclos de humectación y secado que habrían sido frecuentes en la Tierra primitiva. Los resultados fueron muy emocionantes. No solo estaban presentes moléculas similares a los lípidos en la mezcla, sino que se autoensamblaban fácilmente en vesículas del tamaño de las células.

Cuando analizamos la mezcla de compuestos orgánicos meteoríticos, encontramos que algunos de los compuestos eran ácidos grasos de cadena corta, moléculas similares a jabón que presentan una cola de 9 a 13 átomos de carbono. Esto significó que ya no necesitábamos material de meteoritos preciosos para realizar experimentos; podríamos investigar las propiedades de los compuestos puros comprados a las empresas de suministro de productos químicos. Comenzamos con el ácido decanoico, un ácido graso de 10 carbonos, y descubrimos que fácilmente producía vesículas similares a las producidas por los extractos de meteoritos. La siguiente pregunta fue si tales compartimentos podrían encapsular moléculas más grandes para producir protocélulas, que se definen como sistemas encapsulados de moléculas, como el ARN, que tienen el potencial de actuar como catalizadores y portadores de información genética. Esto resulta tan fácil que podría hacerse para una feria de ciencias de una escuela secundaria. Si las vesículas microscópicas se mezclan con moléculas grandes como proteínas o ácidos nucleicos, y luego se someten a un ciclo seco-húmedo, aproximadamente la mitad de las moléculas grandes terminan dentro de las vesículas. Las vesículas de lípidos brillantes que se muestran en el panel derecho de la micrografía están compuestas por moléculas de ADN que rodean al ácido decanoico.

La conclusión es que las protoceldas son muy fáciles de producir mediante simples procesos de autoensamblaje. De ello se deduce que también se esperaría que tales estructuras ocurrieran en un entorno prebiótico.

Tercer hito: síntesis de polímeros
Toda la vida actual utiliza enzimas para catalizar la síntesis de polímeros. Y casi todas las moléculas poliméricas de la vida, incluidas las proteínas y los ácidos nucleicos, se sintetizan a partir de monómeros que se activan químicamente, es decir, obtienen la energía para polimerizar, mediante complejos procesos metabólicos que extraen el equivalente a una molécula de agua de cada uno. Los ribosomas enlazan los aminoácidos activados a través de enlaces peptídicos para producir proteínas, y las enzimas llamadas polimerasas catalizan la formación de enlaces éster entre nucleótidos activados para producir ácidos nucleicos.

Nada tan complicado podría haber sucedido antes de que comenzara la vida, pero una variedad de reacciones más simples también pueden producir polímeros interesantes. Por ejemplo, James Ferris, del Instituto Politécnico Rensselaer de Nueva York, demostró que un mineral de arcilla llamado montmorillonita promueve la síntesis de ARN polimérico a partir de nucleótidos activados. Las superficies minerales adsorben y organizan los nucleótidos, que luego se cierran en polímeros. Además, una vez que se forman las moléculas de ARN, pueden sufrir una especie de proceso de replicación limitado que no requiere enzimas. Leslie Orgel y sus asociados en el Instituto Salk demostraron en la década de 1980 que los monómeros de nucleótidos activados químicamente se alinean en las plantillas de ARN sintético mediante el emparejamiento de bases de Watson-Crick, como lo hacen en la doble hélice de ADN, y luego se polimerizan en una segunda hebra de ARN. .

Las observaciones seminales de Orgel, Ferris y otros sugirieron claramente que algo como el ARN podría haber sido el primer polímero asociado con los procesos de la vida. Se proporcionó evidencia adicional cuando Thomas Cech en la Universidad de Colorado y Sidney Altman en Yale descubrieron que ciertos tipos de ARN tenían propiedades catalíticas, un descubrimiento por el que compartieron un Premio Nobel. Estas moléculas de ARN, ahora denominadas ribozimas, pueden crear y romper enlaces químicos específicos dentro de su propia estructura en lugar de depender de enzimas proteicas. El descubrimiento del ARN catalítico llevó al químico Walter Gilbert de Harvard, ganador del Nobel, a proponer un mundo de ARN, afirmando que la vida no comenzó con los complejos sistemas de ADN, ARN y proteínas que caracterizan a toda la vida actual. En cambio, las moléculas de ARN podrían haber servido como catalizadores, además de almacenar y transmitir información genética. El concepto RNA World domina el pensamiento actual sobre el origen de la vida. Los grupos de investigación dirigidos por Gerald Joyce en el Instituto de Investigación Scripps, David Bartel en el Instituto Whitehead y Peter Unrau en la Universidad Simon Fraser están intentando incorporar ARN en un sistema de moléculas autorreplicantes. De manera significativa, a menudo emplean una técnica en la que se utilizan principios evolutivos para seleccionar actividades catalíticas específicas de mezclas que contienen billones de diferentes moléculas de ARN.

Eso nos lleva al siguiente hito.

¡Más viejo que la tierra !: Cuando el autor extrajo ciertas moléculas de un meteorito de cinco mil millones de años y las dejó mojarse, se autoensamblaron en vesículas parecidas a células (izquierda). También descubrió que el ácido decanoico, un ácido graso presente en el meteorito, forma fácilmente vesículas similares, capaces de encapsular el ADN (brillante, derecha).

Cuarto hito: evolución de los catalizadores
¿Puede la información genética emerger de alguna manera en mezclas aleatorias, esencialmente por casualidad? Si la respuesta es no, entonces estamos en problemas, porque aquellos de nosotros que trabajamos en el origen de la vida afirmamos que esto es exactamente lo que sucedió hace cuatro mil millones de años, cuando las primeras formas de vida emergieron de una mezcla estéril de minerales. gases atmosféricos y soluciones diluidas de compuestos orgánicos. Para abordar esa pregunta, volveré a visitar un experimento clásico que David Bartel y Jack Szostak publicaron en 1993, mientras Bartel era un estudiante de posgrado en el laboratorio de Szostak. Su experimento es moderadamente complicado, pero el resultado es tan importante que vale la pena explicarlo aquí. El objetivo era ver si un sistema de moléculas completamente aleatorio podía someterse a una selección evolutiva de tal manera que pudieran evolucionar moléculas con propiedades catalíticas. El primer paso fue sintetizar billones de diferentes moléculas de ARN que constan de aproximadamente 300 nucleótidos, dispuestos en secuencias aleatorias. Bartel y Szostak razonaron que enterradas en esos billones había algunas ribozimas que catalizaron una reacción de ligación, en la que una hebra de ARN está ligada a una segunda hebra. Desarrollaron un procedimiento que capturaba esas moléculas raras incluso si solo catalizaban débilmente la reacción. Luego usaron enzimas para amplificarlos. Las secuencias amplificadas se sometieron a otra ronda de selección y amplificación, y el proceso se repitió durante 10 ciclos.

Los resultados fueron asombrosos. El aumento de la actividad catalítica comenzó a aparecer después de cuatro ciclos, y después de 10 rondas, ¡la tasa de catálisis fue siete millones de veces la tasa sin catalizar! Incluso era posible observar la evolución del ARN. Los ácidos nucleicos pueden marcarse con fosfato radiactivo, luego separarse y visualizarse mediante una técnica llamada electroforesis en gel. Se coloca una mezcla de moléculas de ARN en la parte superior de un gel y se aplica un voltaje de varios cientos de voltios, lo que hace que las moléculas migren hacia abajo a través del gel. Las moléculas más grandes no se mueven muy lejos, por lo que aparecen como bandas cerca de la parte superior del gel; Las moléculas más pequeñas y de movimiento más rápido forman bandas cerca del centro y la parte inferior. Al comienzo del experimento, no se pudo ver nada en los geles, porque las moléculas de ARN eran todas diferentes. Pero después de tres ciclos, aparecieron bandas distintas, lo que significa que ya se estaban seleccionando ciertas especies catalíticas. Con más ciclos, otras especies aparecieron durante unos pocos ciclos y luego se extinguieron. Después de 10 ciclos, sobrevivieron dos especies de ARN distintas, que representan las moléculas de ARN que fueron más eficientes para catalizar la reacción de ligación.

Estos resultados demuestran un principio fundamental de evolución a nivel molecular. Al comienzo del experimento, cada molécula de ARN era diferente del resto, pero luego se impuso un obstáculo selectivo en forma de una reacción de ligadura que permitió que solo ciertas moléculas sobrevivieran y se reprodujeran. El resultado fue que surgieron moléculas catalíticas específicas mediante un proceso que reflejaba estrechamente la selección natural darwiniana. La conclusión: de hecho, la información genética puede aparecer en mezclas aleatorias, siempre que las mezclas comiencen con un gran número de polímeros definidos por una variedad de secuencias de nucleótidos a partir de las cuales se pueden seleccionar y amplificar secuencias específicas que tienen una propiedad catalítica. Parece razonable proponer que procesos selectivos similares podrían haber ocurrido en la Tierra prebiótica cuando las primeras formas de vida se autoensamblaron en una mezcla de compuestos orgánicos y luego comenzaron a evolucionar.

Quinto hito: química combinatoria y bolsas de basura
La mayoría de los químicos aprenden a hacer sus experimentos en serie, uno por día. Pero los experimentos también se pueden hacer en paralelo con una técnica llamada química combinatoria. Este enfoque es particularmente útil en la industria farmacéutica, en la que a menudo es necesario experimentar con un gran número de compuestos para optimizar una reacción o probar un nuevo fármaco. Un dispositivo robótico carga cientos o incluso miles de pequeñas cámaras de reacción con las mezclas deseadas, cada cámara contiene una gota que es ligeramente diferente del resto. Una vez completada la reacción, las cámaras se prueban individualmente para determinar su actividad.

En mi laboratorio, realizamos una versión de la química combinatoria cuando preparamos liposomas agregando agua a unos pocos miligramos de lípido seco en un matraz. Se produce una suspensión lechosa que contiene, no miles, sino billones de vesículas microscópicas individuales en el rango de tamaño de bacterias pequeñas: medio micrómetro de diámetro. Si las vesículas se preparan en una solución que contiene péptidos pequeños y ácidos nucleicos cortos como el ARN, cada una de las vesículas contendrá un conjunto diferente de componentes, por lo que cada una representa un experimento microscópico. Ahora pensemos en la Tierra primitiva. En lugar de miligramos de lípidos en un matraz, habría tenido miles de millones de toneladas de material orgánico reuniéndose en una enorme cantidad de estructuras microscópicas, y quinientos millones de años para hacer el experimento.

El origen de la vida puede entenderse metafóricamente como química combinatoria a escala global. Algunos de los experimentos microscópicos deben haber tenido éxito, dando como resultado células primitivas capaces de capturar energía y nutrientes para crecer mediante reacciones de polimerización. La evolución comenzó cuando las células ocuparon un nicho limitado y compitieron por los recursos. En ese momento, la selección natural se hizo cargo, dando prioridad a la eficiencia con la que una célula determinada podía capturar nutrientes para crecer. Me imagino que una vez que se puso en marcha una vida celular robusta, se expandió exponencialmente. La Tierra, vista desde el espacio, incluso puede haberse ruborizado o ponerse verde por un tiempo cuando las bacterias fotosintéticas llenaron los océanos.

¿Descubriremos alguna vez la combinación de ingredientes que dieron origen a la vida? Nuevamente soy optimista. Necesitamos aplicar lo que sabemos sobre la química y la física de los sistemas vivos para reducir las posibilidades, y luego ser lo suficientemente valientes para hacer algunos experimentos. Pero, ¿qué experimentos deberíamos intentar? Aquí es donde la teoría puede guiarnos. Freeman Dyson, uno de los grandes físicos teóricos de nuestro tiempo, también se ha interesado por el origen de la vida. En su libro Origins of Life, Dyson resume sucintamente lo que les he dicho:

La vida comenzó con pequeñas bolsas, precursoras de las células, que encierran pequeños volúmenes de agua sucia que contienen basura diversa. Una colección aleatoria de moléculas en una bolsa puede contener ocasionalmente catalizadores que provocan la síntesis de otras moléculas que actúan como catalizadores para sintetizar otras moléculas, etc. Muy raramente puede surgir una colección de moléculas que contenga suficientes catalizadores para reproducir toda la población a medida que pasa el tiempo. La reproducción no necesita ser precisa. Es suficiente si los catalizadores se mantienen de una manera estadística aproximada. La población de moléculas en la bolsa se reproduce sin una replicación exacta. Mientras esto sucede, es posible que la bolsa esté creciendo debido a la acumulación de basura fresca del exterior y, en ocasiones, la bolsa se puede romper en dos cuando se la arroja con movimientos turbulentos. La pregunta crítica es entonces, ¿cuál es la probabilidad de que una bolsa secundaria producida a partir de la división de una bolsa con una población de moléculas que se reproducen a sí misma contenga una población que se reproduce a sí misma? Cuando esta probabilidad es mayor que la mitad, un padre produce en promedio más de una hija funcional, puede ocurrir una reacción en cadena divergente, las bolsas que contienen poblaciones que se reproducen a sí mismas se multiplicarán y una especie de vida ha comenzado.

La vida que comienza de esta manera es el mundo de las bolsas de basura. Es un mundo de pequeñas protocélulas que solo se metabolizan y reproducen estadísticamente. Las moléculas que contienen no se replican exactamente. La reproducción estadística es una base suficientemente buena para la selección natural. Tan pronto como el mundo de las bolsas de basura comience con la reproducción tosca de las protocélulas, la selección natural operará para mejorar la calidad de los catalizadores y la precisión de la reproducción. No sería sorprendente que un millón de años de selección produjera protocélulas con muchos de los refinamientos químicos que vemos en las células modernas.

Próxima vida: células sintéticas
Conceptos teóricos como el mundo del ARN y el mundo de las bolsas de basura de Dyson han inspirado enfoques experimentales en los que los sistemas de moléculas encerrados por membranas son lo suficientemente complejos como para tener algunas de las propiedades de la vida. El objetivo final es ensamblar un sistema celular que pueda usar energía para crecer a través de un proceso de polimerización catalizada, replicación de información genética y evolución. Varios laboratorios han iniciado tales estudios y hay razones para creer que el objetivo de la vida artificial puede lograrse en la próxima década. Ahora contaré una breve historia de la investigación sobre la fabricación de células artificiales.

Quizás lo primero que hay que entender es que ensamblar un sistema de moléculas capaces de reproducirse es una vieja noticia. Hace más de 50 años, Heinz Fraenkel-Conrat y Robley Williams en Berkeley descubrieron que el virus del mosaico del tabaco podía separarse en su proteína de cubierta y ARN. Si los dos componentes se mezclaron, se volvieron a ensamblar en el agente infeccioso. Más recientemente, en una exhibición notable de métodos modernos de biología molecular, Jeronimo Cello, Aniko Paul y Eckard Wimmer de la Universidad Estatal de Nueva York en Stony Brook fabricaron un genoma funcional del poliovirus uniendo cientos de fragmentos más pequeños que fueron sintetizados utilizando técnicas químicas. Y hace dos años, Hamilton Smith y sus colegas del Instituto J. Craig Venter en Rockville, MD, lograron sintetizar un genoma completo de una pequeña especie bacteriana llamada Mycoplasma genitalium . El alboroto que esto provocó es una indicación de lo que enfrentarán las primeras afirmaciones de que una célula viva ha sido reensamblada a partir de sus partes.

La síntesis de genomas virales y bacterianos sugiere que pueden ser posibles fabricaciones aún más desafiantes. Sabemos desde hace años que los procesos de autoensamblaje espontáneos pueden producir sistemas sorprendentemente complejos de moléculas funcionales. Efraim Racker, que trabaja en la Universidad de Cornell, fue pionero en el esfuerzo por diseccionar y reconstituir las membranas mitocondriales en la década de 1970. Las mitocondrias son orgánulos subcelulares que están presentes en la mayoría de las células y están incrustadas en sus membranas enzimas que eliminan electrones de productos metabólicos derivados de nutrientes como la glucosa. El proceso se llama transporte de electrones, porque los electrones luego pasan a través de una cadena de enzimas en la membrana mitocondrial y son entregados al oxígeno. El transporte de electrones está estrechamente acoplado a un segundo proceso de transporte, en el que los protones cargados positivamente derivados del agua se bombean hacia afuera, produciendo un potencial eléctrico de aproximadamente 0,2 voltios a través de la membrana. Este voltaje proporciona la fuente de energía para la síntesis de trifosfato de adenosina (ATP), que transporta energía química dentro de las células y, por lo tanto, impulsa la mayoría de los procesos de la vida. El mecanismo universal por el cual se sintetiza el ATP, ahora denominado quimiosmosis, fue propuesto en 1961 por Peter Mitchell, un destacado científico británico que más tarde llevó a cabo una investigación en su casa de Bodmin, Cornwall.

Racker y sus estudiantes disolvieron las membranas mitocondriales con un detergente llamado ácido desoxicólico. Uno de sus primeros descubrimientos fue que las membranas contenían una enzima que acoplaba la síntesis de ATP al transporte de electrones. Se refirió a esto como un factor de acoplamiento, pero ahora se llama ATP sintasa. Racker también descubrió que el detergente podía eliminarse mediante diálisis, simplemente colocando la solución transparente en una bolsa compuesta de un material parecido al celofán y dejándola reposar durante la noche en una solución salina diluida. Las pequeñas moléculas de detergente se filtraron fuera de la bolsa, pero las moléculas más grandes no pudieron atravesar el material poroso. Al día siguiente, la solución estaba turbia porque las vesículas membranosas que contenían los componentes proteicos originales se habían reensamblado. Las vesículas eran completamente capaces de reacciones de transporte de electrones y síntesis de ATP. Fue la primera reconstitución de una función biológica muy compleja.

Aproximadamente al mismo tiempo, Walther Stoeckenius de la Universidad de California, San Francisco, sintió curiosidad por las membranas pigmentadas de una especie bacteriana llamada Halobacterium halobium , que vive en aguas extremadamente saladas. Stoeckenius y Dieter Oesterhelt pudieron aislar el pigmento púrpura, la bacteriorrodopsina, y descubrieron que su función era absorber energía luminosa y utilizar la energía para transportar protones a través de la membrana bacteriana. La energía del gradiente de protones se utilizó luego para sintetizar ATP. Racker y Stoeckenius, ambos miembros de la Academia Nacional de Ciencias, iniciaron una colaboración poco común entre dos científicos de alto nivel. Utilizaron el método de diálisis de Racker para reconstituir un sistema de vesículas membranosas que contienen solo la bomba de protones de las membranas púrpuras y la ATP sintasa de las mitocondrias. En 1974, informaron que las vesículas híbridas podrían usar la luz como fuente de energía para sintetizar ATP. Su artículo se sumó al peso de la evidencia que finalmente confirmó la síntesis quimiosmótica de ATP, por lo que Peter Mitchell recibió el Premio Nobel en 1978.

El punto de esta breve historia es que una función biológica sorprendentemente compleja puede reconstituirse mediante el autoensamblaje de componentes dispersos. ¿Por qué no intentar reconstituir una célula completa? Si esto resulta posible, tal vez nos ayude a desenredar lo que entendemos por vida e incluso a dilucidar los principales pasos que llevaron al origen de la vida celular.

Pier Luigi Luisi y sus asociados de investigación en Zurich hicieron el primer intento encapsulando ribosomas en vesículas lipídicas en 1999, junto con una forma sintética de ARN que le dijo a los ribosomas que incorporaran el aminoácido fenilalanina en una proteína. Se produjeron algunos péptidos cortos, pero las bicapas lipídicas son impermeables a los aminoácidos, por lo que la síntesis se limitó a las fenilalaninas que se encontraban dentro de las vesículas. Vincent Noireaux y Albert Libchaber de la Universidad Rockefeller tenían una solución inteligente para el problema de la permeabilidad: ¿por qué no agregar un canal a la bicapa lipídica de las vesículas? En 2004 informaron que habían logrado encapsular un sistema de traducción completo aislado de E. coli , junto con el ARN mensajero que dirige la síntesis ribosómica de la proteína verde fluorescente (GFP) y de la hemolisina, una proteína que sirve como canal que permite que los aminoácidos y ATP agregados externamente ingresen a las vesículas. El sistema funcionó durante cuatro días y, al final del período de incubación, las vesículas brillaron de color verde debido a la GFP acumulada. Tetsuya Yomo y su grupo de investigación en la Universidad de Osaka han ido un paso más allá con un sistema de traducción encapsulado similar en el que el gen GFP está presente en una hebra de ADN. Se refieren a su sistema como una cascada genética, porque el gen GFP se transcribe en ARN mensajero, que luego dirige la síntesis de la proteína.

Estos sistemas de traducción encapsulados exhiben una propiedad fundamental de la vida: utilizan información genética para sintetizar una proteína, pero solo se producen unas pocas proteínas específicas y todo lo demás queda atrás. Para estar realmente vivas, las protocélulas necesitarían una hebra de ADN con genes de más de 200 proteínas y especies de ARN diferentes, incluidos genes de una enzima polimerasa para que el ADN pueda replicarse. Las enzimas que catalizan la síntesis de lípidos también deben estar presentes, porque el límite de la membrana debe crecer. Las proteínas transportadoras deben incorporarse a la bicapa lipídica; de lo contrario, las vesículas no tienen acceso a fuentes externas de nutrientes y energía. También debería existir un conjunto completo de procesos regulatorios, de modo que todo este crecimiento esté coordinado. Finalmente, cuando las vesículas crecen hasta aproximadamente el doble de su tamaño original, necesitan dividirse en células hijas que comparten la información genética original.

De ello se desprende que incluso la vida más simple de hoy es asombrosamente compleja y no podría haber surgido en la Tierra primitiva con un complemento completo de cientos de genes. Debe haber habido algo más simple, una especie de vida de andamio que quedó atrás en los escombros evolutivos hace varios miles de millones de años. Dado todo esto, ¿qué probabilidades hay de que se cumpla la promesa final de la biología sintética: que se pueda ensamblar una versión artificial de una célula viva primitiva? La mejor opción es probablemente una ribozima que cataliza su propia síntesis completa a partir de ATP, UTP, GTP y CTP, los cuatro monómeros nucleotídicos del ARN, utilizando información genética codificada en su estructura. Si alguien tiene éxito, tendremos a mano la propiedad esencial que falta hasta ahora en los modelos de células artificiales: la reproducción del catalizador en sí. Dada una ribozima de este tipo, ya sabemos cómo incorporarla a un sistema de vesículas lipídicas que pueden crecer junto con la ribozima y permitir que los nucleótidos de nutrientes entren en la célula para apoyar el crecimiento. Las ribozimas encapsuladas tendrán la capacidad de evolucionar, como demostraron Bartel y Szostak hace 15 años. En resumen, el sistema estará vivo.

¿Y luego que pasa? Habrá titulares, por supuesto; se reescribirán los libros de texto; y temprano en la mañana probablemente alguien será despertado por una llamada telefónica desde Estocolmo. Pero después de todo el alboroto se apaga; alguien más preguntará: Bueno, ¿y qué? Esa misma pregunta podría haberse hecho cuando se publicó la estructura de doble hélice del ADN en 1953. La magnitud del descubrimiento no fue evidente hasta años después. Creo que el primer sistema de moléculas capaz de reproducirse a sí mismo también parecerá en un principio un ejercicio académico. Pero para ponerlo en la perspectiva adecuada, recuerde que los alimentos, los antibióticos, el aceite, la madera, el metano y el hidrógeno son producidos por células vivas como resultado de más de tres mil millones de años de evolución. Creo que la próxima revolución en la tecnología comenzará cuando las funciones sintéticas de la vida puedan realizarse mediante versiones simplificadas de células diseñadas a partir de planos en lugar de a través de la evolución.

David Deamer es profesor de investigación de ingeniería biomolecular en la Universidad de California, Santa Cruz. Actualmente está escribiendo un libro sobre el origen de la vida, que será publicado por University of California Press.

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