Com es van formar les primeres cèl·lules?

Un dels passos fonamentals per comprendre l’origen de la vida orgànica a la Terra és abordar la manera com es van formar les primeres cèl·lules. Ni molt menys les cèl·lules són compartiments estancs, aïllats del seu entorn aquós, sinó que des de l’inici de l’evolució van necessitar disposar d’unes membranes capaces de filtrar nutrients i expel·lir residus. Aquestes propietats són fonamentals per experimentar sobre els processos ocorreguts en un medi aquós primigeni.

M’acompanyeu en la ruta d’intentar comprendre com van poder formar-se aquestes primeres estructures vives?

Un nou treball, “Experimentally modeling the emergence of prebiotically plausible phospholipid vesicles” (2024), liderat per Sunil Pulletikurti de l’Scripps Research Institute de Califòrnia ha descrit una via per la qual simples vesícules de lípids haurien passat en temps primigenis a formar protocèl·lules en entorns aquosos rics en nutrients de la Terra primitiva. Aquestes protocèl·lules serien vesícules esfèriques que en un entorn fluid en agitació adquiririen el paper clau de ser precursores de les cèl·lules modernes. Per dotar d’estabilitat aquestes membranes, la formació de protocèl·lules amb cadenes dobles seria essencial per albergar una àmplia gamma de reaccions químiques al seu interior.

Figura 1. Les vesícules es mostren dins de l’estructura similar a una protocèl·lula en base a l’experiment de Pulletikurti et al. (2024) - Imatge: Cortesia The Scripps Research Institute

En aquest nou treball s’analitza com els fosfats podrien haver estat involucrats en la formació de protocèl·lules de fosfolípids primerencs. Els investigadors van estudiar la fosforilació, un procés químic en el qual s’afegeixen grups fosfat a una molècula. Aquest procés podria haver donat lloc a fosfolípids que, a diferència d’altres greixos, són capaços de formar protocèl·lules de doble cadena.

Treballs pioners sobre les primeres membranes

Però com vam arribar aquí? Els pioners Jan Gebicki i Mark Hicks apuntaren als anys setanta, en el seu article “Ufasomes are Stable Particles surrounded by Unsaturated Fatty Acid Membranes” (1973), el paper exercit per les molècules lipídiques en les membranes cel·lulars. Aquestes participen en la provisió de proteïnes de membrana i també actuen com una barrera per al lliure flux de soluts a l’interior de la cèl·lula, aspecte essencial per autosustentar-se.

Posteriorment, Ting F. Zhu i Jack W Szostak demostrarien a “Coupled Growth and Division of Model Protocell Membranes” (2009) que les protocèl·lules podien ser construïdes a partir de grans vesícules multilaminars d’àcids grassos. Així serien capaços d’explicar cicles de reproducció en un medi en contínua agitació. Les molècules d’àcid ribonucleic (ARN) que estiguessin encapsulades en aquestes protomembranes podrien distribuir-se a les vesícules filles. En aquestes observacions apuntaven que s’acostaven a la síntesi en el laboratori d’una protocèl·lula completa: dotada d’un genoma autoreplicant i un compartiment de membrana autoreplicant. La relativa simplicitat d’aquest mecanisme el feia plausible d’haver ocorregut sota les condicions prebiòtiques de la Terra primitiva.

Figura 2. Una via simple i eficient per al creixement i la divisió d’un simple model de membrana protocel·lular. El creixement de grans vesícules multilaminars d’àcids grassos que són alimentades amb micel·les d’àcids grassos - Figura adaptada per Josep Maria Trigo de Zhu i Szostak (2009)

El paper clau dels fosfolípids

La fascinació per les propietats del fòsfor en l’evolució química ja venen de lluny. El brillant físic català Enric Macià en el seu article “The Role of Phosphorus in Chemical Evolution” (2005) ja va apuntar certes vies primigènies en la incorporació d’aquest element químic a la matèria viva. Aquest element no gaire abundant pot formar grups fosfat en dissolució aquosa i aquest detall podria ser clau en la transició cap a membranes més evolucionades.

De fet, les membranes cel·lulars actuals consten d’àcids grassos units al glicerol en els quals un grup fosfat substitueix un àcid gras. El grup fosfat és hidròfil i s’enllaça al glicerol formant en la següent figura el "cap" de l’estructura, mentre que les "cues" són cadenes d’àcids grassos, hidrofòbiques. Ambdues molècules són amfipàtiques, és a dir, amb propietats químiques oposades. Quan el grup carboxil es ionitza, forma COO- i és fortament hidròfil, mentre que l’altre extrem és hidrofòbic. Aquestes són característiques clau que li proporcionen gran estabilitat a aquesta estructura. De fet, el cap està format per fosfatidilcolina (o lecitina), com podem apreciar a la Figura 3.

Figura 3. Les parts principals dels fosfolípids, essencials en la construcció de les membranes cel·lulars. En aquest exemple apareix la fosfatidilcolina, representada (A) esquemàticament, (B) per una fórmula, (C) com un model molecular, i (D) de manera simbòlica - Figura de Josep Maria Trigo

El nou estudi apunta que les propietats emergents dels diversos sistemes vius haurien portat a una preferència primerenca de la substitució d’alguns components del glicerol, depenent de les preferències particulars de les primeres cèl·lules. I en aquesta evolució biològica el nou estudi de Sunil Pulletikurti i col·laboradors apunta que els fosfolípids cíclics haurien tingut un paper important no només en la química prebiòtica primerenca, sinó també en la facilitació de l’evolució química de les protocèl·lules des de les estructuralment simples fins a les funcionalment més complexes.

Fossin quins fossin aquests processos de formació de les primeres membranes els investigadors de l’origen de la vida hauríem de coincidir que van tenir un paper essencial en la constitució de les propietats de les primeres cèl·lules i en la seva evolució posterior. Comprendre aquests processos en un entorn aquós també requereix aprofundir en els detalls sobre la disponibilitat d’aquests components en un entorn primitiu, particularment subjecte a un flux continu d’elements procedents de l’espai exterior, alguns amb propietats catalitzadores de compostos orgànics complexos. I, per senzill que pogués semblar a primera vista, hem vist com modelar les condicions exactes en què van tenir lloc aquests esdeveniments resulta un repte d’enorme magnitud.