Dos enfoques dominan la investigación sobre el origen de la vida.
El enfoque de arriba hacia abajo es el que tiene el mayor ‘PR’. En esencia, este enfoque se centra en ajustar las células preexistentes para comprender los elementos básicos básicos de la formación de ‘protoceldas’. Estos ‘ajustes’ van desde la reducción del genoma bacteriano para construir células de ADN mínimas, hasta el uso de conocimiento celular mínimo para crear ADN desde cero para ser insertado en células bacterianas eliminadas del genoma. Tal biología sintética ha tenido un gran éxito en los últimos años.
El enfoque de abajo hacia arriba intenta comprender cómo las moléculas independientes se unieron para formar una célula completa y autosuficiente. La formación y la comprensión completa de una protocelda replicante autosuficiente tiene dos componentes: moléculas portadoras de información autorreplicantes y compartimentos o vesículas autorreplicantes para alojar las moléculas portadoras de información. Si bien se ha avanzado mucho en la comprensión de las vesículas autorreplicantes, todavía se sabe muy poco sobre las primeras moléculas potencialmente portadoras de información.
Cuando los investigadores observan posibles moléculas que pueden auto replicarse y transportar información adecuadamente, encuentran tres opciones: proteínas, ADN y ARN. A menudo se dice que el origen de la vida es una caja de paradojas. Las enzimas proteicas son esenciales para replicar el ADN / ARN, pero el ADN y el ARN son esenciales para la formación de proteínas. Por lo tanto, esto crea una preocupante paradoja del huevo de gallina. Sin embargo, de lo poco conocido sobre el entorno primordial, se sabe lo suficiente como para descartar proteínas. Y dado que el ADN en sí mismo es extremadamente no reactivo (una de las razones por las cuales el ADN evolucionó para ser el portador de información principal), y dado que requerimos que las moléculas de procesamiento de información sean lo suficientemente inestables y reactivas como para replicarse sin acción enzimática, el titular de datos primario y el traductor para las primeras protoceldas parecen ser ARN. Esto también se mantiene bien con la hipótesis del mundo del ARN.
La síntesis no enzimática de ARN fue demostrada parcialmente por Schramm et al. en 1962. Sin embargo, hubo una serie de problemas con la síntesis: los extremos 2-prime y 5-prime de las moléculas de nucleótidos adyacentes se unirían más fácilmente que los 3-prime y 5-prime. Si se observaran las moléculas de nucleótidos, los carbonos 2 ‘y 3’ tienen ambos oxígenos. Sin enzimas para dirigir el espectáculo, la unión del carbono 5 ‘con el carbono 3’ se factoriza por casualidad por completo. Una ARN polimerasa funciona contra esta interacción electrostática para unir 3-primo con el extremo 5-primo, una estructura que conserva de forma estable la información que se transmitirá durante el próximo ciclo de replicación.
Más importante aún, se demostró que la replicación de ARN no enzimática es extremadamente lenta. El tiempo requerido para la reacción palpable varió en el orden de días, y solo vio un 2% de eficiencia. Esto nuevamente habla de la importancia de las enzimas proteicas como catalizadores. Los complejos intermedios reactivo-enzima que se forman son vitales para la finalización eficiente de las reacciones.
Finalmente, la replicación no enzimática trae consigo el problema de la fidelidad. La replicación catalizada por proteínas es muy precisa y precisa. Pero la naturaleza compartida de la adenina-guanina y la timina-citosina asegura que la replicación catalizada sin proteínas dé como resultado defectos de replicación que son demasiado grandes como para ignorarlos. Más importante aún, el ARN dimerizado se derrite a temperaturas superiores a 100 ° C, lo que dificulta aún más la replicación de una sola cadena. Aunque los esfuerzos más recientes han revivido el campo, después de experimentos fallidos como estos, se asumió durante mucho tiempo desde los años 60 que la síntesis y replicación de ARN no enzimática no era químicamente posible.
Afortunadamente, la otra faceta del enfoque ascendente de la vida sintética ha sido muy prometedora. Las vesículas de membrana son importantes por dos razones: proporcionan una barrera del entorno externo para los componentes internos de la célula y actúan como un producto genético físico de la información que transporta el ARN. Por lo tanto, Darwinian Evolution puede comenzar a actuar sobre las protoceldas para seleccionar las células que funcionan más eficientemente.
Se presume que la síntesis de membrana de protocelular es impulsada por ácidos grasos. En experimentos in vitro, se ha encontrado que los ácidos grasos se unen y forman una membrana bicapa cuando el pH de la solución se vuelve igual al pKa.
Las membranas de ácidos grasos se autoensamblan espontáneamente debido a las interacciones electrostáticas entre las cadenas y pueden permitir que las moléculas pasen fácilmente. Cuando el pH del sistema es menor que el pKa de los ácidos grasos, las vesículas se desmoronan y se vuelven amorfas. Y cuando el pH excede el pKa, se agrupan para formar micelas. Estos son resultados extremadamente interesantes que apuntan hacia la viabilidad que muestran los ácidos grasos al ser vesículas compartimentales adaptativas.
El problema que enfrentan los investigadores hoy en día es la estabilización de las vesículas de ácidos grasos en presencia de iones divalentes como los del magnesio. Los iones Mg2 + desempeñan papeles vitales en los complejos de extensión de nucleótidos y, por lo tanto, son un componente necesario en la célula. Pero los extremos carboxilo negativos de los ácidos grasos se unen a los iones de magnesio para formar sales de magnesio, precipitando todo el sistema de vesículas.
El componente de vesícula alternativo son los fosfolípidos. Las membranas de fosfolípidos son estables en la mayoría de los extremos de todas las condiciones y, por lo tanto, son una opción adecuada para tratar la presencia de cationes divalentes. Sin embargo, sus estructuras sólidas y sólidas implican que las membranas son impermeables al paso de moléculas cargadas simples, como los nucleótidos activados, sin vías activas y complejas que solo se encuentran en las células evolucionadas. Además, hay poco margen para el crecimiento y la replicación de las vesículas de fosfolípidos, aunque los enfoques complejos son prometedores.
Naturalmente, los compartimentos de ácidos grasos son los más prometedores. De hecho, se muestra que los ácidos grasos son permeables a los cuerpos cargados sin desintegrarse, permitiendo incluso que pasen los nucleótidos cargados. Además, las vesículas de ácido graso pueden crecer agregando dinámicamente moléculas del medio ambiente sobre sí mismas, e incluso pueden replicarse con el contenido de humedad y el esfuerzo cortante correctos.
A medida que los investigadores hacen un mayor esfuerzo para hacer que el compartimento de ácidos grasos sea autoajustable y factible, otra secta de científicos trabaja duro para comprender los sistemas de replicación catalizados por ARN y autocatalizados. El mayor obstáculo de poner juntos los sistemas de ARN y compartimiento autorreplicantes está muy por delante, pero demuestra ser un problema tremendamente interesante de resolver. Hasta entonces, e incluso después de eso, el campo está abierto con potencial para avances en cada enfoque.
