As células modernas são sistemas altamente complexos. Eles contêm estruturas internas, processos químicos rigorosamente controlados e instruções genéticas que orientam quase tudo o que fazem. Esta complexidade permite-lhes sobreviver em diferentes ambientes e competir com base na sua aptidão. Em comparação, as primeiras estruturas semelhantes a células eram extremamente simples. Esses compartimentos primitivos são essencialmente pequenas bolhas nas quais membranas lipídicas circundam moléculas orgânicas básicas. Compreender como esta simples célula primitiva acabou por dar origem às células complexas que vemos hoje continua a ser uma questão central na investigação sobre a origem da vida.
Um estudo recente liderado por pesquisadores do Instituto de Ciências da Vida da Terra (ELSI) do Instituto de Ciência de Tóquio examinou mais de perto como essas estruturas primitivas podem ter aparecido na Terra antiga. Em vez de propor uma explicação única para a origem da vida, os investigadores concentraram-se em experiências que simulavam condições ambientais da vida real. Especificamente, eles estudaram como as mudanças na composição da membrana afetam a capacidade das células originais de crescer, fundir e reter moléculas importantes durante os ciclos de congelamento/descongelamento.
Construindo células protótipo modelo com diferentes lipídios
Para estudar isso, a equipe criou pequenos compartimentos esféricos chamados grandes vesículas unilamelares (LUVs). Eles são construídos 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; 16:0-18:2 PC) e DOPC (1,2-di-oleoil-sn-glicero-3-fosfocolina; 18:1 (D9-cis) PC).
“Usamos fosfatidilcolina (PC) como componente da membrana devido à continuidade de sua estrutura química com as células modernas, disponibilidade potencial sob condições prebióticas e capacidade de reter componentes essenciais”, disse o autor principal Tatsuya Shinoda, estudante de doutorado no ELSI.
Embora essas moléculas sejam semelhantes, existem diferenças sutis, mas importantes, em suas estruturas. POPC contém uma cadeia acila insaturada com uma única ligação dupla. PLPC também possui uma cadeia acila insaturada, mas com duas ligações duplas. DOPC contém duas cadeias hidroxila insaturadas, cada uma com uma ligação dupla. Essas diferenças afetam o quão firmemente as moléculas se agrupam. O POPC tende a formar filmes mais rígidos, enquanto o PLPC e o DOPC produzem filmes mais fluidos.
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 mudanças de temperatura que poderiam ter ocorrido na Terra primitiva. Após três ciclos, surgiram diferenças visíveis. Vesículas ricas em POPC agruparam-se, mas não se fundiram completamente. Em contraste, aqueles contendo PLPC ou DOPC fundiram-se em compartimentos maiores. Quanto mais PLPC, maior será o potencial de coalescência e crescimento de vesículas.
Esse comportamento destaca o papel da química da membrana. Os lipídios com ligações mais insaturadas tornam as membranas menos compactadas, o que parece promover a fusão. “Sob a pressão da formação de cristais de gelo, a membrana pode tornar-se instável ou fragmentada, exigindo reorganização estrutural após o descongelamento. Devido ao maior grau de insaturação, a organização lateral fracamente compactada pode expor mais áreas hidrofóbicas durante a reconstrução da membrana, promovendo interações com vesículas vizinhas e tornando a fusão energeticamente favorável, “diz o pesquisador do ELSI Natsumi Noda.
Misture moléculas e preserve o DNA
A fusão é importante porque permite que o conteúdo de diferentes compartimentos se misture. Na Terra primitiva, as moléculas orgânicas estavam dispersas pelo ambiente e esta mistura poderia reunir ingredientes essenciais. Tais interações podem apoiar reações químicas que levam à formação de sistemas semelhantes a células mais complexos.
A equipe também testou a capacidade das vesículas de capturar e reter DNA. Eles compararam vesículas feitas inteiramente de POPC com vesículas feitas inteiramente de PLPC. Os resultados mostraram que as vesículas PLPC capturaram melhor o DNA mesmo antes dos ciclos de congelamento/descongelamento. Após ciclos repetidos, continuaram a reter mais DNA do que as vesículas POPC.
Ambientes frios podem ser o berço da vida
Tradicionalmente, os cientistas têm-se concentrado em ambientes como piscinas secas em terra ou fontes hidrotermais profundas como possíveis ambientes para a origem da vida. Este estudo acrescenta outra possibilidade. Isto sugere que as condições de gelo também podem desempenhar um papel importante.
Na Terra primitiva, os ciclos de congelamento e degelo poderiam ter ocorrido repetidamente durante longos períodos de tempo. Quando a água congela, os cristais de gelo crescentes empurram as moléculas dissolvidas para o líquido restante, concentrando-as em pequenos espaços. Este processo pode aumentar a probabilidade de interações entre moléculas e vesículas. Ao mesmo tempo, as membranas feitas de fosfolípidos mais insaturados fundem-se mais facilmente, promovendo a mistura. No entanto, há uma compensação. Embora os filmes fluidos suportem a fusão, eles também podem se tornar instáveis sob estresse causado pelo congelamento e descongelamento, levando a vazamentos.
Equilibrando a estabilidade e evolução celular inicial
Para as primeiras protocélulas, manter um equilíbrio entre estabilidade e permeabilidade é crucial. As membranas precisam reter seu conteúdo, mas também permitir interações que conduzam a mudanças químicas. A composição da membrana com maior sucesso pode depender das condições ambientais.
“Ao integrar mecanismos de fissão, como pressão osmótica ou cisalhamento mecânico, a seleção recursiva do crescimento de vesículas induzido por F / T em gerações sucessivas pode ser alcançada. À medida que a complexidade molecular aumenta, os sistemas intravesiculares, ou seja, funções geneticamente codificadas, podem eventualmente assumir o controle da adaptabilidade da protocélula, levando ao surgimento de protocélulas capazes de evolução darwiniana, “conclui Tomoaki Matsuura, professor do ELSI e investigador principal deste estudo.
Juntas, estas descobertas sugerem que processos físicos simples, como o congelamento e o descongelamento, podem ter ajudado a orientar a transição dos compartimentos moleculares básicos para as primeiras células em evolução.
