Orígenes. La vida. Capítulo 7. De las primeras células a LUCA

En este capítulo, sobre los orígenes de la vida, llegamos a la etapa donde se forman las primeras células y avanzamos hasta LUCA.

Cuando leí por primera vez el nombre de Luca, me pareció entrañable. Luca, nuestro antepasado común con todo ser vivo de la tierra, tenía un nombre que mi hijo le podría haber puesto a uno de sus peluches. Pero seguidamente leí que eran las siglas de “last universal common ancestor” y reconozco que esto le quitó algo de calidez al nombre :D.

A la izquierda, microfósiles descubiertos por Schopf (1993) en Australia, con una antigüedad de 3.465 Ma. A la derecha un peluche como Luca en mi imaginación (¡no hay tanta diferencia! ;)).

LUCA no es el primer ser vivo. Y puede que ni tan solo fuera una especie celular única, sino una comunidad de especies que intercambiaban libremente sus genes… la idea de Luca como peluche se va diluyendo ;).

Los primeros seres considerados como vivos fueron los sistemas que tenían acoplamiento de compartimento, metabolismo y genoma. Que es el camino hacia la formación de las primeras células.

Hacia el Mundo DNA/RNA/proteínas

Situémonos en las primeras proto-células que, según el modelo actual del Mundo RNA, estarían formadas por membranas transductoras de energía que contendrían: monómeros variados, péptidos intracelulares y transmembrana, catalizadores orgánicos e inorgánicos, y además moléculas de RNA (con capacidades tanto informativas como catalíticas).

En esta etapa las ribozimas con actividad RNA ligasa podrían haber sido las promotoras del ensamblaje modular de un genoma de RNA progresivamente más largo, que sería replicado (cometiendo muchos errores de copia) por ribozimas RNA polimerasas contenidas en el propio genoma.

Estas proto-células constituían auténticos sistemas evolutivos pues la replicación de su genoma incluía la reproducción del compartimento.

Mientras, en la evolución de las ribozimas peptidil-transferasa a los ribosomas, se fue mejorando el proceso de traducción de la información mantenida en el genoma. Sintetizándose diferentes proteínas, y algunas de las cuales - las funcionales - permitirían mejorar la viabilidad. Las proteínas (por evolución) se irían encargando cada vez más de las actividades catalíticas y del transporte a través de membrana; la eficacia de los ribosomas crecería, y gracias (en parte) a la transferencia génica horizontal mediada por virus RNA, el genoma sería cada vez más largo.

Pero uno de los cambios más importantes para la historia de los seres vivos fue la reducción de ribonucleótidos a desoxirribonucleótidos, es decir nuestro DNA. Un sistema mucho más adecuado para almacenar información genética, pero (probablemente) sin las capacidades catalíticas del RNA. Y las proteínas se convirtieron en casi las únicas responsables de las funciones estructurales y catalíticas de la proto-célula. No obstante los ribosomas, algunas ribozimas y su papel en la regulación de la transcripción quedarían para la historia como testigos de la extraordinaria capacidad funcional del RNA, la macromolécula clave en el origen de la vida.

Y así fue como se estableció el nuevo Mundo DNA/RNA/proteínas.

El tamaño del DNA (sobre todo por la duplicación de genes), su complejidad y su eficiencia aumentó progresivamente.

Según algunos modelos computacionales, sería posible originar un genoma complejo (de en torno a 10 millones de nucleótidos) en tan sólo 7 Ma.

Los primeros metabolismos

En esta sección se nos plantea qué tipo de metabolismo pudieron tener las primeras células o (dicho de forma más precisa) las primeras fuentes de energía externa que permitieron a una célula producir el potencial electroquímico de protones a través de la membrana (y que posteriormente puede utilizar la célula para transportar nutrientes de fuera hacia dentro, para generar calor o movimiento, o para producir ATP gracias a la acción de una H+ATPasa).

Para ello el autor repasa brevemente las clasificaciones de los metabolismos. La denominación de los diferentes metabolismos depende de tres variables clasificatorias:

La primera clasificación es por cómo obtiene el organismo su fuente de energía:

• Fotótrofos: Son los organismos capaces de emplear la luz del Sol como fuente de energía, mediante procesos de fotosíntesis.
• Quimiótrofos: Son los seres vivos que pueden extraer la energía de ciertos compuestos químicos (orgánicos o inorgánicos) empleando distintas rutas metabólicas.

La segunda es por los tipos de compuestos químicos con los que funcionan:

• Litótrofos: Moléculas reducidas o ricas en electrones que los transferirán a la maquinaria metabólica durante el proceso. Estas pueden ser compuestos inorgánicos (p.e. H2O).
• Organótrofos: Moléculas orgánicas que son los sustratos para construir las biomoléculas del ser vivo (p.e. los aminoácidos).

La tercera clasificación es en cuanto a la fuente de carbono del organismo:

• Autótrofos: si lo consiguen fijando el carbono inorgánico del CO2 presente en la atmósfera o disuelto en el agua.
• Heterótrofos: si lo obtienen a partir de compuestos orgánicos producidos previamente por otros organismos, o bien, en la Tierra primitiva, aportados por meteoritos o cometas.
• Mixótrofos: si pueden conseguirlo de una u otra fuente.

Combinando estas tres variables, la denominación global de cada tipo de metabolismo se realiza uniendo los prefijos correspondientes. Actualmente se conocen cinco grupos de metabolismos: foto-lito-autótrofos (p.e. las plantas), foto-organo-heterótrofos (p.e. las bacterias púrpura no del azufre), quimio-lito-autótrofos (p.e. las bacterias oxidadoras del azufre), quimio-lito-heterótrofos (p.e. algunas especies del género Nitrobacter), y por último quimio-organo-heterótrofos (p.e. los animales).

Pero pasemos a los primeros seres vivos. ¿De qué tipo eran en cuanto a la fuente de carbono? Hay discrepancias entre si fueron autótrofos o heterótrofos.

Aunque inicialmente Oparin y Haldane pensaron en un origen heterotrófico, ciertos descubrimientos en los últimos 60 años (como la hipótesis del mundo de hierro y azufre asociado a sistemas hidrotermales submarinos) hacen apoyar la posibilidad de un origen autotrófico de la vida.

La abundancia relativa de los isótopos de carbono presentes en rocas sedimentarias con una antigüedad de 3.800 Ma, encontradas en Groenlandia, podría indicar un sistema biológico de fijación de CO2 ya desarrollado, compatible con un origen basado en quimiolitoautotrofía.

300 Ma después probablemente ya existían células en nuestro planeta, aunque el metabolismo que utilizaban aún es una incógnita.

Pero no se debe excluir la posibilidad de que diferentes tipos de células hubieran explorado simultáneamente las múltiples opciones de aprovechamiento metabólico.

LUCA, el antepasado común

Y llegamos a LUCA (sección que desmonta al peluche que me había imaginado ;)) que es la única línea evolutiva superviviente del proceso de diversificación iniciado en el mundo celular anterior.

Lo sabemos porque las técnicas de filogenia molecular desarrolladas han permitido corroborar que LUCA realmente existió y podemos inferir muchas de sus propiedades. Fue una especie unicelular y sin núcleo definido, que morfológicamente se parecería a los procariotas que conocemos. Ya tenía ribosomas plenamente funcionales y muy parecidos a los actuales, y en él se había consolidado el flujo de información genética como DNA→RNA→Proteínas.

Para saber cómo podría ser el genoma de LUCA, se están comparando todos los genomas completos secuenciados en busca de los genes comunes a los seres vivos pertenecientes a los tres dominios.

Así, en la actualidad se considera que LUCA debería de tener un mínimo de 600 genes, con los cuales sería teóricamente posible construir la maquinaria de replicación (no completa), y de transcripción y traducción (éstas muy completas), además de satisfacer todas las necesidades metabólicas básicas de las células tal como las conocemos, lo que garantizaría su reproducción.

Pero se han considerado células viables con menos de 208 genes. Aunque si realmente existió una especie tan simple, en algún momento anterior a LUCA, tuvo que realizar un recorrido evolutivo largo y complejo (que, entre otras cosas, implicaría triplicar la longitud de su genoma) en el camino hacia nuestro último ancestro común.

En cuanto a sus características metabólicas se asume que LUCA sintetizaba ATP a partir de un potencial de membrana, utilizando una H+-ATPasa similar a las actuales. La mayor parte de expertos se inclinan en que el metabolismo de LUCA fue quimiolitoautotrófico o quimiolitoheterotrófico. Es decir hay dudas sobre la fuente de carbono que utilizaría, pero se cree que obtendría la energía y el poder reductor a partir de compuestos inorgánicos.

Las redes catalíticas implicadas en el metabolismo central de LUCA serían prácticamente las mismas que en todos los organismos actuales.

Existe un amplio consenso sobre el hecho de que hace unos 3.500 Ma nuestro planeta estaba poblado por diferentes especies celulares herederas de LUCA, y que establecían relaciones ecológicas entre sí.

Desde entonces la evolución propició la ocupación del mar, la tierra y el aire por múltiples y diversas formas de vida. Y nuestro planeta ha sido profundamente modificado por esta vida.

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Y la cuestión estándar: ¿Qué os ha parecido el capítulo? :) ¿Y LUCA?

¡Que tengáis una feliz semana!