Protocélula

Unha **protocélula** ou **protobionte** é un conxunto autoorganizado de lípidos esférico e ordenado endoxenamente que se propuxo como un dos pasos iniciais fundamentais que conduciu á orixe da vida. Unha cuestión central na evolución é como se orixinaron protocélulas simples e como podían diferenciarse en rendemento reprodutivo, que permitise a acumulación de novas emerxencias biolóxicas co tempo, é dicir, a evolución biolóxica. Aínda que nos laboratorios non se conseguiu aínda preparar unha protocélula funcional, o obxectivo de comprender o proceso parece factible.

## Introdución 
A compartimentalización foi un dos procesos que se deu na orixe da vida. As membranas forman compartimentos pechados que están separados do medio externo, o que proporciona á célula a posibilidade de ter espazos acuosos funcionalmente especializados. Como a bicapa lipídica das membranas é impermeable á maioría das moléculas hidrófilas (disoltas en auga), as células teñan sistemas de transporte a través de membranas que poden importar moléculas nutritivas e exportar os refugallos.
A construción artificial de protocélulas a partir de ensamblaxes moleculares é moi interesante. Un paso importante neste reto é comprender a dinámica de vesículas que é relevante para as funcións celulares, como o tráfico de membranas e a autorreprodución, usando moléculas anfipáticas. Na Terra primitiva as moléculas anfipáticas puideron ser unhas das primeiras que interviñeron na evolución da vida celular a partir da ensamblaxe de moléculas. Un paso desde as vesículas ata as protocélulas podería ser o desenvolvemento de vesículas que se autorreproducen acopladas cun sistema metabólico.

## Selectividade para a compartimentalización 
[miniatura|esquerda|200px|As tres principais estruturas formadas por fosfolípidos que se orixinan en solución: [liposoma (unha bicapa pechada), micela e bicapa.]]
As vesículas autoensambladas crese que eran compoñentes esenciais das células primitivas. A membrana celular é a única estrutura celular que se encontra en todas as células dos organismos da Terra.

Os investigadores Irene A. Chen e Jack W. Szostak (Premio Nobel de Medicina de 2009) entre outros, demostraron que as propiedades fisicoquímicas simples das protocélulas elementais poden dar lugar a análogos conceptuais máis simples dos comportamentos celulares esenciais, incluíndo as formas primitivas de competición darwinista e o almacenamento de enerxía. Tales interaccións cooperativas entre as membranas e os contidos encapsulados poderían simplificar grandemente a transición desde as moléculas replicantes e as verdadeiras células. Entre as principais vantaxes da encapsulación están un incremento da solubilidade do cargamento e a creación de enerxía en forma de gradiente químico. Pode dicirse que a enerxía é almacenada nas células na estrutura de moléculas de substancias como carbohidratos (como azucres), lípidos e proteínas, que liberan enerxía cando se oxidan durante a respiración celular.

### Gradiente de enerxía 
Un estudo de 2014 do Jet Propulsion Laboratory da NASA explorou unha maneira única de estudar as orixes da vida: as células ou celas de combustible. As células de combustible son similares ás células biolóxicas en que os electróns se transfiren a e desde moléculas. En ambos os casos, isto orixina electricidade e enerxía. O estudo afirma que un importante factor foi que a Terra proporcionou enerxía eléctrica ao leito mariño. "Esta enerxía puido facer arrancar a vida e puido soster a vida unha vez que apareceu. Agora, temos un xeito de comprobar diferentes materiais e ambientes que puideron axudar a que a vida se orixinase non só na Terra, senón posiblemente en Marte, a lúa Europa e outros lugares do Sistema Solar." e almacenamento de encimas. Tamén poden actuar como cámaras de reacción química natural. Unha vesícula típica ou micela en solución acuosa forma un agregado coas rexións correspondentes ás cabezas hidrófilas en contacto co solvente que as rodea, secuestrando as rexión das colas simples hidrófobas no centro da micela. Esta fase é causada polo comportamento de empaquetamento dos lípidos de cola simple nunha bicapa. Aínda que o proceso de autoensamblaxe protocelular que forma espontaneamente micelas e vesículas *monocapa* na natureza lembra o tipo de vesículas primordiais ou protocélulas que quizais existiron ao principio da evolución, non son tan sofisticadas coma as membranas *bicapa* dos organismos vivos de hoxe en día.

Porén, as primeiras membranas, en vez de estaren feitas de fosfolípidos, puideron estar formadas por monocapas ou bicapas de  ácidos graxos, que puideron orixinarse máis rapidamente nun ambiente prebiótico. Nos laboratorios sintetizáronse ácidos graxos baixo unha variedade de condicións prebióticas e encontráronse en meteoritos, o que suxire a súa síntese natural na natureza.

As interaccións electrostáticas inducidas por péptidos curtos hidrofóbicos cargados positivamente que conteñen 7 aminoácidos ou menos de lonxitude, poden unir o ARN a unha membrana de vesícula, a membrana celular básica.

### Pozas xeotermais e arxilas 
[miniatura|esquerda|Esta sección dunha bicapa lipídica fluída está formada enteiramente por [fosfatidilcolina.]]
Os científicos suxeriron que a vida empezou en chemineas hidrotermais no mar profundo, pero un estudo de 2012 suxeriu que as pozas continentais de vapor xeotermal arrefriado ou condensado teñen as características ideais para orixinar a vida. A conclusión está baseada principalmente na química das células modernas, onde o citoplasma é rico en ións potasio, cinc, manganeso e fosfato, que non están moi estendidos nos ambientes mariños. Tales condicións encóntranse só onde os fluídos hidrotermais quentes traen os ións a lugares da superficie como géysers, pozas de barro, fumarolas e outras características xeotermais. Dentro destas cuncas emisoras de fumes e burbullas, a auga cargada de ións cinc e manganeso puido recollerse, arrefriar e condensar en pozas pouco fondas.

### Burbullas de montmorillonita 
Outro grupo de investigadores suxeriu que as células primitivas puideron formarse dentro de microcompartimentos de arxilas inorgánicos, que proporcionarían un contedor ideal para a síntese e compartimentalización de moléculas orgánicas complexas. Estas *burbullas* de cuberta arxilosa fórmanse naturalmente cando as partículas das arxilas de montmorillonita se xuntan na superficie exterior de burbullas de aire baixo a auga. Isto crea unha vesícula semipermeable a partir de materiais dos que se dispón facilmente no ambiente. Os autores salientan que a montmorillonita é coñecida por servir como un catalizador químico, que favorece que os lípidos formen membranas e que os nucleótidos se unan formando febras de ARN. A reprodución primitiva pode ser concibida cando explotan as burbullas de arxila, liberando o produto unido á membrana lipídica no medio que o rodea. Aínda que as células modernas poden utilizar complicadas maquinarias proteicas para catalizar estes procesos esenciais, as protocélulas deberon de realizar isto por mecanismos máis simples.

As protocélulas compostas de ácidos graxos terían a capacidade de intercambiar facilmente pequenas moléculas e ións co seu ambiente. A presión osmótica pode tamén desempeñar un papel significativo no transporte de membranas pasivo. A electroporación causa o incremento rápido na permeabilidade da bicapa inducido pola aplicación dun gran campo eléctrico artificial a través da membrana. Inducindo a electroporación, as moléculas de lípidos na membrana cambian de posición, abrindo un poro que actúa como vía condutora a través do cal as moléculas hidrófobas como ácidos nucleicos poden pasar pola bicapa lipídica. Unha transferencia similar de contidos a través das protocélulas e coa solución circundante pode ser causada por conxelación e desconxelación. Por exemplo, isto podería ocorrer nun ambiente no que os ciclos do día e a noite causa unha conxelación recorrente. Os experimentos de laboratorio mostraron que tales condicións permiten o intercambio de información xenética entre poboacións de protocélulas. Isto pode explicarse polo feito de que as membranas son moi permeables a temperaturas lixeiramente por debaixo da súa temperatura de fase de transición. Se se alcanza este punto durante os ciclos de conxelación-desconxelación, incluso moléculas grandes e cargadas poderían pasar temporalmente pola membrana da protocélula.

Algunhas moléculas ou partículas son demasiado grandes ou excesivamente hidrófilas para pasar a través da bicapa lipídica incluso nesas condicións, pero poden moverse a través da membrana por fusión ou evaxinación de vesículas, o que tamén foi observado para ciclos de conxelación-desconxelación. Isto puido finalmente orixinar mecanismos que facilitan o movemento de moléculas no  interior da protocélula (endocitose) ou para liberar o seu contido no espazo extracelular (exocitose). Estas membranas de fosfolípidos artificiais soportan a inserción funcional de proteínas de membrana expresadas in situ ou purificadas. Sintetizadas primeiro en 1963 a partir de minerais simples e compostos orgánicos básicos ao seren expostas á luz solar, teñen algunhas capacidades metabólicas, presenza de membranas semipermeables, aminoácidos, fosfolípidos, carbohidratos e moléculas similares ao ARN. Porén, a natureza e propiedades das Jeewanu aínda non se aclararon.

Nun experimento de síntese similar expúxose á radiación ultravioleta (UV) unha mestura conxelada de auga, metanol, amoníaco e monóxido de carbono. Esta combinación rendeu grandes cantidades de material orgánico que se autoorganizaba formando glóbulos ou vesículas cando se mergullaba na auga. Os científicos que investigaron estes glóbulos consideraron que estes lembran membranas celulares que encerran e concentran a química da vida, separando o seu interior do mundo externo. Os glóbulos eran de entre 10 e 40&nbsp;µm, ou aproximadamente do tamaño de células vermellas do sangue. Os glóbulos fluorescían ou brillaban, cando se expoñían á luz UV. Considerouse que absorber luz UV e convertela en luz visible deste modo foi un posible modo de proporcionar enerxía a unha célula primitiva. Se os glóbulos desempeñaron un papel na orixe da vida, a fluorescencia podía ser o precursor dunha primitiva fotosíntese. Dita fluorescencia tamén proporciona o beneficio de actuar como un filtro solar, esvaendo calquera dano que doutro modo sería inflixido pola radiación UV. Esa función protectora tería sido fundamental para a vida na Terra primitiva, xa que a capa de ozono, que bloquea os raios UV solares máis destrutivos, non se formou ata que a vida fotosintética empezou a producir oxíxeno.

## Ética e controversia 
A investigación en protocélulas xerou unha controversia e opinións opostas, incluíndo críticas sobre a definición vaga de "vida artificial". A creación dunha unidade básica da vida creou preocupacións éticas, aínda que a máis común é sobre a ameaza potencial que supoñen sobre a saúde humana e sobre o medio ambiente pola súa posible replicación incontrolada.

## Notas 
## Véxase tamén 
### Outros artigos 
* Abioxénese
* Célula artificial
* Entropía e vida
* Último antepasado universal
* Pseudopanspermia
* Hipótese do mundo de ARN
* Bioloxía sintética

### Ligazóns externas 
*"Protocells: Bridging Nonliving and Living Matter." Edited by Steen Rasmussen, Mark A. Bedau,  Liaochai Chen, David Deamer, David Krakauer, Norman, H.Packard e Peter F.  Stadler. MIT Press, Cambridge, Massachusetts. 2008.
*"Living Chemistry & A Natural History of Protocells." Synth-ethic: Art and Synthetic Biology Exhibition (2013) at the Natural History Museum, Vienna, Austria.