Definir el concepto de vida es un problema que ha intrigado a la humanidad posiblemente desde que el hombre adquirió conciencia. La misma, es difícil de conceptualizar y es tan compleja que para comprender sus cualidades es necesario acercarnos desde diferentes contextos. Nos enfocaremos en los rasgos que caracterizan a los organismos vivos en el marco de la biología molecular:
- Un ser vivo no es solamente la suma de sus componentes químicos, los seres vivos están constituidos de estructuras ordenadas y complejas, hecho que parecería contradecir la segunda ley de la termodinámica que dice que los sistemas tienden al desorden (aumento de entropía). Si un sistema vivo llegase a su estado máximo de entropía dejaría de ser un organismo ordenado y no podría considerarse como un sistema vivo, ya que llegaría a un estado de equilibrio, que implicaría la muerte. La solución a esta aparente paradoja se consigue considerando que los seres vivos no son sistemas aislados, constantemente intercambian energía y materia con su ambiente. Llamamos metabolismo a la absorción y transformación de los nutrientes que los sistemas biológicos obtienen del medio.
- La fabricación de las moléculas necesarias para el funcionamiento de las células, incluso de las bacterias más primitivas requiere una gran cantidad de información, la cual se encuentra en el ácido desoxirribonucleico (ADN) en cada célula de los organismos vivos.
- Las células se originan a partir de células preexistentes mediante división celular. El ADN de la célula original es replicado en la célula “hija”.
Si un organismo cumple algunas de estas características, pero no todas, no puede catalogarse como ser vivo, tal es el caso de los virus, que por carecer de metabolismo no se consideran organismos vivos. Surge de manera natural la pregunta de si es posible construir un organismo que mediante procesos físicos y químicos cumpla estas funciones.
La célula mínima se define como una célula artificial o semi-artificial que contiene la cantidad de componentes mínima y suficiente para considerarla viva. Las células más simples existentes en la Tierra tienen varios cientos de genes (unidad de información del ADN), y requieren de cientos de proteínas para funciones tales como la aceleración de procesos químicos y el transporte de nutrientes. Esto parece un panorama sombrío para la construcción de una célula mínima, sin embargo, es posible que la complejidad de las células modernas sea resultado de miles de millones de años de evolución. Las células evolucionadas desarrollaron mecanismos de defensa y metabolismo bajo condiciones hostiles, de los cuales podemos prescindir si le proporcionamos a nuestra célula mínima un ambiente rico en nutrientes, teniendo a su alcance las moléculas biológicas necesarias sin que ella tenga que fabricarlas por sí misma. Este panorama no está alejado de la realidad, puesto que asemeja el modelo más aceptado del origen de la vida. En el origen, las moléculas esenciales para la célula (como los aminoácidos) se formaron en una solución primigenia a partir de grandes cantidades de energía provenientes de las descargas eléctricas producidas en la atmósfera. Así, los intentos encaminados a la construcción de una célula mínima podrían también contribuir a tener un mejor entendimiento acerca del origen de la vida y la evolución.
Se ha estimado que, en un ambiente de condiciones ideales, podría construirse una célula mínima con sólo 46 genes, sin embargo, en este tema, la última palabra la tendrán los resultados experimentales. Pero la vida no es sólo información genética. En bacterias, el ADN representa únicamente el 1% del volumen del organismo. Los sistemas biológicos presentan muchas otras propiedades no genéticas. La auto-organización y la agregación molecular[1] son procesos críticos en las células, que dependen de las propiedades de las membranas que las delimitan.
La frontera física de las células consiste de una bicapa (una “pared” cuyo grosor es de dos moléculas únicamente) cuyos tabiques básicos de construcción son los lípidos, se componen también de proteínas, que permiten el transporte de nutrientes y dan rigidez estructural. Estas moléculas presentan una característica muy especial: tienen una región capaz de formar enlaces hidrógeno con las moléculas de agua (llamada región hidrofílica) y otra región, que por ser eléctricamente neutra no forma dichos enlaces (región hidrofóbica). Esta doble afinidad permite que los lípidos en un medio acuoso adopten configuraciones que son estables cuando sus regiones son orientadas de forma apropiada. Una configuración posible, formada a partir de la aplicación de una energía externa es la geometría esférica, con fronteras constituidas de una bicapa como se muestra en la figura 1. Estas estructuras, llamadas vesículas o liposomas son el modelo experimental más idealizado posible que permite modelar a las membranas celulares.
Figura 1. Izquierda: Diagrama esquemático de un liposoma: una membrana formando una estructura esférica conformada por lípidos representados con su cabeza polar o hidrofílica en rojo (región hidrofílica) y la parte hidrofóbica de los mismos lípidos esquematizada en forma de colas; la fase acuosa (moléculas azules) está presente dentro y fuera del liposoma. Derecha: Estructura esquematizada de un lípido, se indican las regiones hidrofóbica e hidrofílica de la molécula en las partes morada y verde, respectivamente.
Un fenómeno interesante es observado en membranas constituidas por diferentes tipos de lípidos. Las propiedades químicas individuales hacen que, de manera colectiva en la membrana multicomponente, se presenta un corrimiento en la temperatura de fusión con respecto a la de una membrana unicomponente, la cual está formada por una sola clase de lípidos. Cuando esto pasa, conviven en igualdad de condiciones termodinámicas (temperatura y presión) lípidos en diferentes fases coloidales[2] dentro de la membrana multicomponente. Debido a esto, los lípidos que están en una misma fase se agregan en regiones que se conocen como dominios. Este fenómeno también ocurre en membranas constituidas por un único tipo de lípidos, pero sólo dentro de un rango particular de temperatura y presión, cuando la coexistencia de fases es favorecida.
Otros comportamientos importantes de las membranas de lípidos conciernen a sus propiedades mecánicas, concretamente, a qué tan viscosas o elásticas pueden ser. Las membranas en células vivas se caracterizan por proveer de fuerza estructural a la célula al mismo tiempo que poseen la flexibilidad necesaria para permitir la difusión de proteínas en la membrana. Dominios de lípidos con diferentes fases presentan diferente rigidez. Se piensa que esta propiedad podría facilitar los mecanismos de división celular y es responsable de la forma adoptada por la membrana.
Actualmente es un reto experimental obtener los parámetros mecánicos que caracterizan a las membranas lipídicas, sobre todo de manera localizada para cada dominio. Se requiere de métodos sofisticados y una matemática robusta para determinarlos. La importancia de conocer estas propiedades mecánicas de las membranas tiene una gran aplicabilidad en ciencia básica para conocer fenómenos fundamentales, por ejemplo, elucidar las causas mecánicas de la muerte celular, es decir, controlar el metabolismo celular por medio de membranas rígidas. Al poder controlar este fenómeno que ocurre de manera natural en condiciones normales, podríamos lograr avances en el tratamiento de enfermedades como el cáncer, en donde las células cancerígenas se multiplican de manera desmedida. Esta enfermedad afecta a un porcentaje importante de la población mundial. Este tipo de investigación se lleva a cabo en universidades de diferentes países: Cambridge, EUA, Stanford Chemical Engineering, EUA; en diferentes centros de investigación en París, Francia, en la Universidad Complutense de Madrid en España; en el Max Plank Institute en Postdam, Alemania, entre otros. En nuestro país estos temas son estudiados en la UNAM, Universidad de San Luis Potosí, en la Universidad de Sonora, también en el laboratorio de Biofísica y Sistemas Complejos del Instituto de Física y Matemáticas de la UMSNH mediante diversas técnicas experimentales.
Para Saber Más
Luisi P. L. The Emergence of Life: From Chemical Origins to Synthetic Biology. Cambridge University Press (2010).
Mouritsen, Ole G. Life – As a Matter of Fat. Springer-Verlag Berlin Heidelberg (2005).
Dr. Gabriel Espinosa Pérez y M. en C. J. Luis Méndez Montes de Oca. Son Profesores del Instituto de Física y Matemáticas, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Laboratorio de Biofísica y Sistemas Complejos.
Auto-organización en el contexto biológico, se alude a la facultad de las moléculas orgánicas de formar agregados y adquirir estructuras específicas como respuesta a la interacción con un medio acuoso. Esto ocurre debido a que muchas moléculas biológicas tienen regiones capaces de formar enlaces hidrógeno con el agua (regiones polares o hidrofílicas) y regiones hidrofóbicas que tienden a ser rechazadas por el agua. Algunos ejemplos de este comportamiento se encuentran en la estructuración de las proteínas, las configuraciones adoptadas por los lípidos, etc.
Estas fases son análogos a las fases atómicas: sólido, líquido, gas y coexistencias. En una fase coloidal los átomos o moléculas son reemplazados por partículas mucho más grandes, de tamaños entre los 4 nanómetros y los cientos de micrómetros, estas moléculas son conocidas como coloides. La dimensionalidad es mayor y, sin embargo, las leyes termodinámicas-estadísticas se conservan.