As células modernas são sistemas muito complexos. Eles contêm uma estrutura interna, processos químicos rigorosamente controlados e instruções genéticas que governam quase tudo o que fazem. Esta complexidade permite-lhes sobreviver em diferentes ambientes e competir dependendo da sua aptidão. Em contraste, as primeiras estruturas celulares eram extremamente simples. Esses compartimentos primitivos eram essencialmente pequenas bolhas onde as membranas lipídicas encerravam moléculas orgânicas 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 Instituto de Ciências da Terra (ELSI) do Instituto de Ciências de Tóquio examina mais de perto como essas estruturas primitivas podem ter se comportado na Terra antiga. Em vez de oferecer uma explicação única sobre a origem da vida, os investigadores concentraram-se em experiências que simulam condições ambientais realistas. Especificamente, eles investigaram 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.
Construindo um modelo de protocélulas com diferentes lipídios
Para investigar isso, a equipe criou pequenos compartimentos esféricos conhecidos como grandes vesículas unilamelares (LUVs). Eles foram gerados usando três tipos de fosfolipídios: POPC (1-palmitoil-2-oleoil-glicero-3-fosfocolina; 16:0-18:1 PC), PLPC (1-palmitoil-2-linoleil-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 (PH) como componentes da membrana devido à sua continuidade estrutural química com células modernas, disponibilidade potencial sob condições prebióticas e capacidade de reter conteúdos essenciais”, disse Tatsuya Shinoda, pós-doutorado do ELSI e autor principal.
Embora essas moléculas sejam semelhantes, suas estruturas diferem de maneira sutil, mas importante. POPC contém uma cadeia acila insaturada com uma única ligação dupla. PLPC também possui uma cadeia acila insaturada, mas com duas ligações duplas. DOPC inclui duas cadeias acil insaturadas, cada uma com uma ligação dupla. Essas diferenças afetam o quão firmemente as moléculas se agrupam. O POPC tende a formar membranas mais rígidas, enquanto o PLPC e o DOPC produzem membranas mais fluidas.
Os ciclos de congelamento e descongelamento estimulam o crescimento e a fusão
Os pesquisadores então submeteram essas vesículas a repetidos ciclos de congelamento/descongelamento (F/T), simulando mudanças de temperatura que poderiam ter ocorrido na Terra primitiva. Após três ciclos, houve diferenças claras. Vesículas ricas em POPC agrupam-se sem fusão completa. Em contraste, aqueles que contêm PLPC ou DOPC fundem-se em compartimentos maiores. Quanto mais PLPC estiver presente, maior será a probabilidade de as vesículas se fundirem e crescerem.
Esse comportamento destaca o papel da química da membrana. Os lipídios com ligações mais insaturadas tornam as membranas menos densas, o que parece favorecer a fusão. “Sob as tensões associadas à formação de cristais de gelo, as membranas podem desestabilizar-se ou fragmentar-se, exigindo reorganização estrutural após o descongelamento. A organização lateral fracamente compactada devido a um maior grau de insaturação pode expor regiões mais hidrofóbicas durante a reconstrução da membrana, facilitando as interações com bolhas vizinhas e tornando a fusão energeticamente favorável. ” observou Natsumi Noda, pesquisadora do ELSI.
Mistura de moléculas e preservação de DNA
A fusão é importante porque permite misturar o conteúdo de compartimentos separados. Na Terra primitiva, onde as moléculas orgânicas estavam espalhadas pelo ambiente, essa mistura poderia combinar ingredientes essenciais. Esta interação poderia apoiar reações químicas que levam a sistemas celulares mais complexos.
A equipe também testou quão bem essas vesículas poderiam capturar e conter DNA. Eles compararam vesículas feitas inteiramente de POPC com aquelas feitas inteiramente de PLPC. Os resultados mostraram que as vesículas de PLPC aprisionaram melhor o DNA mesmo antes dos ciclos de congelamento/descongelamento. Após ciclos repetidos, eles continuaram a conter mais DNA do que as vesículas POPC.
Ambiente gelado como possível berço para a vida
Tradicionalmente, os cientistas têm-se concentrado em ambientes como piscinas secas em terra ou fontes hidrotermais no fundo do oceano como locais prováveis para a origem da vida. Este estudo acrescenta outra possibilidade. Isto sugere que o ambiente glacial também pode ter desempenhado um papel significativo.
Na Terra primitiva, os ciclos de congelamento/descongelamento podem ter ocorrido repetidamente durante longos períodos. À medida que a água congela, os cristais de gelo crescentes empurram as moléculas dissolvidas para o resto do líquido, concentrando-as em pequenos espaços. Este processo poderia aumentar a probabilidade de interações entre moléculas e vesículas. Ao mesmo tempo, membranas de fosfolipídios mais insaturados seriam mais propensas à fusão, promovendo a mistura. No entanto, há uma compensação. Embora as membranas fluidas suportem a fusão, elas também podem se tornar instáveis durante o estresse de congelamento e descongelamento, levando a vazamentos.
Equilibrando estabilidade e evolução nas células iniciais
Para as primeiras protocélulas, manter um equilíbrio entre estabilidade e permeabilidade seria crucial. As membranas devem conter seu conteúdo, mas também permitir interações que causem alterações químicas. As formulações de membrana com maior sucesso provavelmente dependeram das condições ambientais.
“A seleção recursiva de vesículas cultivadas induzidas por F/T em gerações sucessivas pode ser implementada integrando mecanismos de fissão, como pressão osmótica ou cisalhamento mecânico. Com o aumento da complexidade molecular, o sistema intravesicular, ou seja, uma função codificada por gene pode, em última análise, assumir a aptidão protocelular, levando assim ao surgimento de uma célula primitiva capaz de evolução darwiniana”, conclui Tomoaki Matsuura, professor da ELSI e investigador principal do estudo.
Juntas, estas descobertas sugerem que processos físicos simples, como o congelamento e o descongelamento, podem ter ajudado a direcionar a transição dos compartimentos moleculares básicos para as primeiras células em evolução.
