As células modernas são sistemas altamente complexos. Eles contêm estruturas internas, processos químicos rigorosamente regulamentados e instruções genéticas que ditam quase tudo o que fazem. Esta complexidade permite-lhes sobreviver em diferentes ambientes e competir com base na sua aptidão. Em contraste, as primeiras estruturas semelhantes a células eram extremamente simples. Esses compartimentos primitivos eram essencialmente pequenas bolhas, nas quais as membranas lipídicas encerravam biomoléculas básicas. Compreender como essas protocélulas simples deram origem às células complexas que vemos hoje continua a ser uma questão central no estudo da origem da vida.
Um estudo recente liderado por pesquisadores do Earth-Life Science Institute (ELSI) do Instituto de Ciência de Tóquio examinou mais de perto como essas estruturas primitivas poderiam ter se comportado na Terra antiga. Em vez de propor uma explicação única sobre como a vida começou, os investigadores concentraram-se em experiências que simulavam condições ambientais realistas. Especificamente, eles examinaram como as variações na composição da membrana afetam o crescimento, a fusão e a capacidade das protocélulas de reter moléculas importantes durante os ciclos de congelamento/descongelamento.
Construção de protocélulas modelo com diferentes lipídios
Para investigar isso, a equipe criou pequenos compartimentos esféricos conhecidos como grandes vesículas unilamelares (LUVs). Eles foram feitos usando três tipos de fosfolipídios: POPC (1-palmitoil-2-oleoil-glicero-3-fosfocolina; 16:0-18:1 PC), PLPC (1-palmitoil-2-linoleoil-sn-glicero-3-fosfocolina; 16:82-PC) e (1,2-di-oleoil-sn-glicero-3-fosfocolina; 18:1 (D9-cis)). computador).
“Usamos fosfatidilcolina (PC) como componente da membrana, devido à sua consistência estrutural química com células modernas, possível disponibilidade em condições prebióticas e capacidade de reter conteúdos essenciais”, disse Tatsuya Shinoda, estudante de doutorado no ELSI e autor principal.
Embora essas moléculas sejam semelhantes, suas estruturas diferem de maneira sutil, mas importante. POPC possui uma cadeia acila insaturada com uma única ligação dupla. PLPC também possui uma cadeia acila insaturada, mas com duas ligações duplas. DOPC possui duas cadeias acil insaturadas, cada uma contendo uma ligação dupla. Essas diferenças afetam o quão firmemente as moléculas se agrupam. POPC produz membranas mais rígidas, enquanto PLPC e DOPC produzem membranas mais fluidas.
Os ciclos de congelamento e descongelamento impulsionam o crescimento e a fusão
Os pesquisadores então expuseram essas vesículas a repetidos ciclos de congelamento/descongelamento (F/T), imitando as mudanças de temperatura que poderiam ter ocorrido nos primeiros dias da Terra. Após três ciclos, surgiram diferenças claras. As vesículas ricas em POPC são agrupadas em vez de totalmente agregadas. Em contraste, compartimentos maiores contêm PLPC ou DOPC. Quanto mais PLPCs estiverem presentes, maior será a probabilidade de as vesículas se agregarem e proliferarem.
Esse comportamento destaca o papel da química da membrana. Os lipídios com ligações mais insaturadas compactam a membrana com menos força, o que parece promover a fusão. “Sob o estresse da formação de cristais de gelo, as membranas podem se tornar desestabilizadas ou fragmentadas, exigindo reorganização estrutural durante o derretimento. A organização lateral fracamente compactada devido a graus mais elevados de insaturação pode expor regiões mais hidrofóbicas durante a reorganização da membrana, criando interações facilitadoras e interações com adsorbatos.” Natsumi Noda, pesquisadora do ELSI, comentou.
Misturando moléculas e retendo DNA
A fusão é importante porque permite que o conteúdo de compartimentos separados seja misturado. Na Terra primitiva, onde as moléculas orgânicas estavam dispersas no ambiente, essa mistura poderia reunir elementos-chave. Essa interação pode apoiar reações químicas que levam a sistemas semelhantes a células mais complexos.
A equipe testou quão bem essas vesículas poderiam capturar e reter DNA. Eles compararam vesículas feitas inteiramente de POPC com aquelas feitas inteiramente de PLPC. Os resultados mostraram que as vesículas PLPC eram boas em capturar DNA mesmo antes do ciclo de congelamento/descongelamento. Após ciclos repetidos, elas retêm mais DNA do que as vesículas POPC.
Ambientes gelados como potencial berço para a vida
Tradicionalmente, os cientistas têm-se concentrado em ambientes como piscinas de dessecação em terra ou fontes hidrotermais no fundo do oceano, que têm potencial para o surgimento de vida. Esta pesquisa acrescenta outra possibilidade. Isto sugere que o ambiente gelado também pode desempenhar um papel significativo.
No início da Terra, longos ciclos de congelamento/descongelamento podem ter ocorrido repetidamente. À medida que a água congela, os cristais de gelo crescentes empurram as moléculas dissolvidas para o líquido restante, condensando-as em pequenos espaços. Este processo pode aumentar a probabilidade de interações entre moléculas e vesículas. Ao mesmo tempo, as membranas compostas por mais fosfolipídios insaturados eram mais propensas à fusão, promovendo a fusão. No entanto, há uma compensação. Embora as membranas fluidas suportem a fusão, elas também podem se tornar instáveis durante o estresse induzido pelo congelamento e descongelamento, levando ao vazamento.
Estabilidade e equilíbrio evolutivo nas primeiras células
Para as primeiras protocélulas, manter um equilíbrio entre estabilidade e permeabilidade era crucial. As membranas devem reter o seu conteúdo, mas também permitir interações que conduzam a mudanças químicas. A composição da membrana com maior sucesso provavelmente depende das condições ambientais.
“Uma seleção recorrente de vesículas aumentadas induzidas por F/T ao longo da próxima geração pode ser realizada integrando mecanismos de fissão, como pressão osmótica ou cisalhamento mecânico. Com o aumento da complexidade molecular, o sistema intravesicular, ou seja, funções codificadas por genes, pode eventualmente convergir para a liderança protocelular. Uma célula inicial capaz de evolução darwiniana, “concluiu Tomoki Matsuura, professor da ELSI. e o investigador principal por trás deste estudo.
Juntos, estes resultados sugerem que processos físicos simples, como congelamento e descongelamento, podem ajudar a orientar a transição dos compartimentos moleculares primitivos para as primeiras células evoluídas.
