En el estudio del origen de la vida y las primeras protocélulas, los especialistas tienen desde hace años una pregunta muy parecida al famoso dilema del huevo y la gallina: ¿qué fue primero, la capacidad de replicarse, la de tener un metabolismo interno o el hecho de tener un compartimento cerrado y estar envueltas en algún tipo de membrana? Hace dos siglos, Charles Darwin aventuró que la vida pudo surgir en algún pequeño “charco de agua templada” con diferentes moléculas orgánicas y algo de luz, calor y electricidad, y desde entonces los especialistas debaten el gran misterio: ¿cómo se combinaron todos aquellos elementos para producir un fenómeno que, de momento, solo conocemos en nuestro planeta?
Algunos investigadores, como el premio Nobel Jack Szostak, llevan años apostando porque fueron moléculas de ARN que flotaban en aquella sopa primordial las que se convirtieron en los paquetes de vida protegidos por membranas que hoy llamamos células, una especie de vesículas cubiertas por membranas lipídicas. Pero este modelo es demasiado complejo y en los experimentos se enfrenta a serias dificultades, como la coordinación de procesos de replicación molecular o de división/fisión protocelular.
En la década de 1930, el biólogo soviético Aleksandr Oparin afrontó por primera vez la cuestión con una visión experimental y propuso una solución que no hablaba de membranas lipídicas. El científico ruso apostó por que las protocélulas primordiales podrían haber surgido de la formación de unos agregados de materia orgánica llamados coacervados, gotitas condensadas que se mantienen independientes en el medio líquido.
Estas “gotas coacervadas” serían una especie de compartimentos naturales de moléculas complejas como proteínas, lípidos y ARN, que se comportan como gotas de aceite en el agua. Pero al igual que con las membranas lipídicas y como demostró el propio Szostak en 2014, cuando se diseñaban experimentos se encontraban una dificultad insalvable que las descartaba: las gotitas se fusionaban demasiado rápido entre sí e intercambiaban sus contenidos internos, de modo que no habrían podido diferenciarse entre ellas y evolucionar.
Una solución caída del cielo
Casi un siglo después de aquellas primeras teorías, el equipo de Aman Agrawal, de la Universidad de Chicago, ha encontrado una solución a ese problema de los coacervados y la publica en un artículo de la revista Science Advances en el que participa Jack Szostak. Los autores muestran que la solución estaba en el agua de lluvia: al no contener sales y comportarse como agua destilada, no produce el desequilibrio electrostático que conducía a las fusiones entre coacervados y permite que las gotitas se mantengan de forma independiente.
Con este resultado, argumentan los autores, muestran un mecanismo que podría haber ayudado a crear una pared de malla alrededor de las protocélulas hace 3.800 millones de años, un paso crítico en la transición de pequeñas perlas de ARN a cada bacteria, planta, animal y humano que alguna vez vivió. “Lo que demostramos en este nuevo artículo es que se puede superar al menos parte de ese problema transfiriendo estas gotitas de coacervados a agua destilada (por ejemplo, agua de lluvia o agua dulce de cualquier tipo) y se forma una especie de capa dura alrededor de las gotitas que les impide intercambiar el contenido de ARN”, explica Szostak.
En el agua destilada se forma una especie de capa dura alrededor de las gotitas que les impide intercambiar el contenido de ARN
Agrawal había comenzado a transferir gotitas de coacervados a agua destilada durante su investigación de doctorado en la Universidad de Houston, estudiando su comportamiento bajo un campo eléctrico. En ese momento, la investigación no tenía nada que ver con el origen de la vida, solo estudiaba el fascinante material desde una perspectiva de ingeniería. Durante un almuerzo con el profesor Alamgir Karim, de la Universidad de Houston, un compañero mencionó cómo la investigación sobre los efectos del agua destilada en las gotitas de coacervados podría estar relacionada con el origen de la vida en la Tierra. Y se preguntó dónde habría existido agua destilada hace 3.800 millones de años.
“De repente dije: ¡agua de lluvia!”, recuerda Karim. A partir de ese momento trabajaron con muestras de ARN de Szostak e hicieron experimentos con agua de lluvia recolectada en Houston y con agua de laboratorio modificada para imitar la acidez del agua caída de las nubes. Y se produjeron los mismos resultados: se formaron las paredes reticulares, creando las condiciones que podrían haber dado lugar a la vida. ¿La clave? Que la transferencia de gotitas de coacervados a agua destilada aumentaba el tiempo de intercambio de ARN, de unos pocos minutos a varios días, tiempo suficiente para la mutación, la competencia y la evolución.
“Si hay poblaciones de protocélulas inestables, intercambiarán su material genético entre sí y se convertirán en clones. No hay posibilidad de evolución darwiniana”, indica Agrawal. “Pero si se estabilizan contra el intercambio de modo que almacenen su información genética lo suficientemente bien, al menos durante varios días para que puedan ocurrir mutaciones en sus secuencias genéticas, entonces una población puede evolucionar”.
Una solución sencilla y brillante
El investigador y catedrático de la Universitat de València Juli Peretó considera que se trata de un artículo muy claro y muy bien diseñado. “Mantienen gotas con coacervados de distintos contenidos y hacen un experimento muy elegante: ponen dos enzimas en gotas distintas y ven que no se mezclan entre sí, pero los productos de la reacción sí se intercambian porque son moléculas pequeñas”, apunta. En su opinión, es un trabajo que reivindica un modelo antiguo que tenía una dificultad, pero con una solución tan sencilla y tan trivial como un cambio de concentración de sales. “Demuestran que con un simple cambio en las condiciones ambientales, como que se mezclan con agua dulce o de lluvia o de un lago, estas gotas adquirieren la estabilidad suficiente para que hubiera un proceso típicamente darwiniano o de evolución”.
Para Carlos Briones, investigador del Centro de Astrobiología (CAB-INTA-CSIC), estamos ante un artículo muy interesante, que da un paso más en la línea seguida previamente por el grupo de Jack Szostak y distintos colaboradores. “La clave está en demostrar que cuando los coacervados interaccionan con agua destilada (H2O pura, sin iones ni otras moléculas en disolución), se impide la rápida fusión entre ellos, por lo que pueden mantener su individualidad o identidad genética durante días o semanas, lo que les permite actuar como protocélulas independientes, capaces de competir entre sí y por tanto ser el sustrato de la evolución prebiótica”, argumenta. “La segunda ventaja consiste en la posibilidad de que se permitiera el intercambio de macromoléculas (inicialmente ARN, y más tarde proteínas) entre coacervados diferentes presentes en la población”.
Los autores demuestran que los coacervados se mantienen en un rango de temperatura entre 25ºC y 50ºC, lo que permite plantear diferentes condiciones ambientales en el mundo prebiótico
En opinión del especialista, estamos ante un sistema muy sencillo, que solo requiere agua pura para resolver uno de los problemas que existen en el campo del origen de la vida. “Además, los experimentos realizados en este artículo demuestran que las nuevas propiedades adquiridas por los coacervados se mantienen en un rango de temperatura entre los 25ºC y los 50ºC, lo que permite plantear diferentes condiciones ambientales en el mundo prebiótico”, añade Briones. “Es decir, el agua, aportada por la lluvia o por la fusión de hielo en las proximidades, pudo facilitar la formación de compartimentos esenciales para que la vida diera sus primeros pasos”, subraya el científico del CSIC. “Dentro de ellos, el ARN podría iniciar su doble función bioquímica: actuar como material genético y como catalizador de reacciones metabólicas”.
Kepa Ruiz Mirazo, investigador de la Universidad del País Vasco (UPV-EHU) que estudia cómo sucedió el ensamblaje de moléculas químicas sencillas para poder dar lugar biomoléculas más complejas y eventualmente a la vida, considera que el artículo es una aportación interesante, en una línea que no hay que descartar, aunque tiene algunos puntos débiles, como obviar el problema de la aparición del metabolismo, es decir la forma en que aquellas envolturas de ARN fueron capaces de construir un sistema autónomo con los nutrientes que tenían disponibles y reproducirse. “A mi juicio está inspirado en una idea demasiado reduccionista del darwinismo y de la evolución, ya que solo tienen en la cabeza la competición y el individualismo”, resume. “Y lo más importante del origen de la vida es cómo se construye el sistema desde ladrillos más básicos, algo para lo que no tienen respuesta”.