PROTOCELLS AND ORIGIN OF LIFE

MICRODROPLETS AND ORIGIN OF LIFE

From Quantamagazine

The rejection of  spontaneous life’s generation  theory,  would impel to Aleksandr Oparin (1924), to raise a hypothesis about the  origin of  life. According to him, lightning  provoked chemical reactions between amino acids and abiotic organic molecules, forming colloids (in oceans and stagnant primitive waters), held together by electrostatic forces that would evolve to protocells (liquid drops, without membranes, containing abiotic molecules and thereafter  nucleic acids), prone to autosynthesis, theory endorsed later by the experiments of Stanley Miller (1953). Now David Zwicker (Zwicker, D., Seyboldt, R., Weber, CA, Hyman, AA & Jülicher, F. Nat. Phys. Http://dx.doi.org/10.1038/nphys3984: 2016) and collaborators (Max Planck Institute), strive to understand and replicate the formation of first protocells (chemically active microdrops: absorbing and expelling chemicals), tending to make them spontaneously self-breeding and self-dividing, a phenomenon that would create the most primitive cells. The next step for these protocells would be to self-supply a membrane of fatty acids to keep captured the chemicals of life. It is here that experiments carried out by Zwicker and his students come on the scene, studying certain special organelles resembling microdrops (centrosomes), engaged in the division of animal cells. Centrosomes are chemically active systems responsible for continuously exchanging proteins between the liquid environment and  cellular cytoplasm. Zwicker identified proteins in state A, which dissolve in the liquid environment and others in an insoluble state (B). Sometimes state B, spontaneously becomes state A, flowing out of  microdroplets. The opposite: that a protein in state A, transformed into state B, requires a source of energy. As long as there is energy,  molecules will flow in and out of an active microdroplets. In the primordial earth sunlight was that energy. When an active drop reached a certain volume the effluvia were counterbalanced to one another to stop growing and to have reached stable states. Instabilities of the form of the microdrops were due to an excess of molecules B, which  when  ingested  by a certain area of ​​the surface, accelerated the growth of the microdrolplets  as more molecules entered. Under these circumstances, the droplet  was elongated and its center was pinched   (because it had less surface area), giving rise to a pair of microdrops that grew to the characteristic size of its progenitor. When Zwicker saw the equations and divisions mentioned above, he realized they were protocells. Zwicker now works with Dora Tang (Biology Laboratory, Max Planck Institute), to observe the division of active microdrops. Tang's laboratory now synthesizes artificial cells made of polymers, lipids and proteins. According to Tang when the droplets begin to divide, they will transfer genetic information: proteins encoding RNA or DNA, provided in equal parts to  daughter cells. And, if the genetic material increases the rate of cell division,  protocells will acquire membranes.

MICROGOTAS  y ORIGEN DE LA VIDA

El rechazo de la teoría de la generación espontánea impulsaría a Aleksandr Oparin  (1924),  a plantear una  hipótesis sobre el origen de la vida. Según el:   relámpagos y rayos provocaron  reacciones químicas entre  aminoácidos  y moléculas orgánicas abióticas, formando  coloides (en océanos y aguas primitivas estancadas), mantenidos unidos por fuerzas electrostáticas que evolucionarían a  protocelulas (gotas liquidas, sin membranas,  conteniendo moléculas abióticas y después ácidos nucleicos),   propensas  a la autosíntesis,   teoría refrendada más tarde   por los experimentos de Stanley Miller (1953). Ahora  David Zwicker (Zwicker, D., Seyboldt, R., Weber, C. A., Hyman, A. A. & Jülicher, F. Nat. Phys. http://dx.doi.org/10.1038/nphys3984 :2016) y colaboradores (Max Planck Institute), se empeñan  en entender y replicar  la  formación de las primeras protocelulas (microgotas  químicamente activas: que absorbían y  expelían sustancias químicas), tendientes a hacerlas autocrecer y a autodividirse espontáneamente, fenómeno que crearía las    células más primitivas.  El siguiente paso para estas protocelulas,  seria auto-proveerse de  una membrana de acidos grasos para mantener capturadas las sustancias  químicas de la vida.  Es aquí donde los experimentos llevados a cabo por    Zwicker y sus estudiantes entran en escena,  estudiando  ciertas  organelas especiales semejantes  a microgotas (centrosomas), comprometidas en la división de  células animales. Los centrosomas  son sistemas químicamente activos encargados    de intercambiar  continuamente proteínas entre el medioambiente líquido y el citoplasma celular. Zwicker identifico  proteínas en  estado A, que se disuelven en el medio ambiente líquido y otras en estado insoluble (estado B). A veces el estado  B, se convierte  espontáneamente en estado  A,  fluyendo  fuera de la microgota. Lo contrario: que una proteína en estado A, se transforme en estado B, requiere una fuente de energía.  Mientras exista energía las moléculas fluirán  hacia dentro y hacia afuera de una microgota activa. En la tierra primordial la luz solar era esa energía.  Cuando una gota activa alcanzaba cierto volumen los influjos y eflujos se contrabalanceaban una a otra para dejar de crecer y  por haber alcanzado  estados estables. Las inestabilidades de la forma de las microgotas se debían a un exceso  de moléculas B, que ingesaban  a la microgota por cierta  área    de la superficie,  acelerándose  el crecimiento de la microgota a medida que más moléculas  ingresaban.  En estas circunstancias,  la gota se elongaba y  se perforaba su  centro (por tener menos área de superficie), originando un par de microgotas que crecían al tamaño característico de su progenitora. Cuando  Zwicker vio las ecuaciones y las divisiones mencionadas, se dio cuenta que eran protocelulas. Zwicker  trabaja ahora con   Dora Tang (Biology Laboratory,  Max Planck Institute), para   observar la división de  microgotas activas.  El laboratorio de Tang sintetiza   ahora células artificiales hechas de polímeros,  lípidos y  proteínas. Según Tang cuando las  gotas empiecen a dividirse  transferirán información genética: proteínas codificadoras de RNA o DNA, proveídas en   partes iguales a las   células hijas. Y,  si el  material genético incrementa la tasa de división celular, las protocelulas adquirirán membranas.  

ORIGIN OF LIFE

From: Primordial synthesis of amines and amino acids in a 1958 Miller H2S-rich spark discharge experiment. Print March 21, 2011, doi: 10.1073/pnas.1019191108 PNAS March 21, 2011.

As everyone knows, the russian Oparin was the first to try to create organic life in the laboratory. Greater sophistication in such kind of experiments would be tried by Stanley Miller in 1953, recreating primordial terraqueous atmospheres and oceans enclosed in lab glass flasks containing gaseous mixtures of methane, hydrogen, water vapor and ammonia to which finally were applied electrical currents emulating artificial storms and chemical reactions that occur in a primordial organic soup. According to Miller, if life was generated by such kind of mix, the problem of the origin of life would be solved. It means that potential to generate spatial life would exist everywhere, especially on planets similar to ours. Miller does not continued his experiments because their generated many doubts. Today, Jeffrey Bada (Scripps Institution of Oceanography/UC San Diego), a disciple of Miller, continues to conduct the same experiments with slight variations. Bada along with researchers from Mexico and USA, analyzed the same samples that Miller employed, using High Performance Liquid Chromatography (HPLC) and time-of-flight mass spectrometry, identifying 22 amino acids, 5 amines and 7 sulfur compounds. These results have allowed Bada suggest that the first amino acids were formed in active volcanic islets, when they were covered by more water.

ORIGEN DE LA VIDA

Como todos saben, el ruso Oparín fué uno de los primeros en intentar generar vida orgánica en el laboratorio. Una mayor sofisticación de tales experimentos sería intentada por Stanley Miller en 1953, recreando atmósferas terráqueas y océanos primordiales en frascos de vidrio de laboratorio donde encerró mezclas gaseosas de metano, hidrógeno, vapor de agua y amoniaco, a los que finalmente aplicó corrientes eléctricas a modo de tormentas artificiales simulando las reacciones químicas de una sopa orgánica primordial. Según Miller, si se lograra generar vida mediante esta mezcla el problema del origen de la vida estaría resuelto. Habria vida potencial especial por doquier, en especial en planetas similares al nuestro. Miller no continuó sus experimentos por haberse generado muchas dudas al respecto. Hoy, Jeffrey Bada (Scripp Institution of Oceanography/UC San Diego), discípulo de Miller, continúa realizando los mismos experimentos aunque con ligeras variantes. Bada conjuntamente con investigadores de México y USA, analizaron las mismas muestras de Miller empleando High performance liquid chromatography (HPLC) y Time-of-flight mass spectrometry, identificando 22 amino acidos, 5 aminas y 7 compuestos orgánicos sulfurados. Estos resultados le han permitido a Bada sugerir que los primeros aminoácidos se formaron en islotes volcánicos activos, cuando estos estaban cubiertos por mas agua.

ORIGIN of LIFE

Abstract from NYorkTimes.

Beginning with Darwin, continuing with Oparin, Orgel and others, the topic of origin of the life, doesn't finish. F. Crick, suggested that life could have been formed in any planet, arriving later to the earth (panspermy). Now we have 4 new contributions, in this respect. I) According to Jack W Szostak, simple fatty acids existent in the primitive earth, would have formed spheres with double membrane: (protocells), the same ones that would have incorporated more fatty acids and water turning waterproof allowing alone the entrance of necessary nutritious. In such a system, the combination of small molecules would form other bigger ones unable to leave. Nucleótides entrance to these protocélls would precede chemical replicatión. Szostak, David P. Bartel and P. Luigi Luisi, agreed in the 2001 that genetic components and membranes would have evolved generating cells with encapsulated molecules in its interior. John Sutherland, sustains in a paper published in Nature that under appropriate conditions the union of nitrogen bases with sugars was possible conforming units, without necessity of links. II) According to Gerald F Joyce achieved the self-replicatión, the rest is history. This scientist has developed molecules of RNA with replicant capacity. Apart from carrying information the RNA acts like an enzyme promoting chemical reactions. Joyce has developed 2 molecules of RNA able to promote the synthesis of other 4 kinds of nucleótides of RNA, able to pass information in indefinite form, although the system is not alive.

III) The natural synthesis of nucleótides is a reality IV) Another advance is the handedness. The amino acids constituent of proteins are left or right, in same quantities. In alive cells all amino acids are left-handed and sugars and nucleotides : right-handed. Donna Blackmond discovered that a mixture of left and right-handed molecules can become a single form with cooling and melting cycles. Regarding environmental conditions, Günther Wächtershäuser, sustains that life began in volcanic zones in areas of deep seas. Others argue that monoxide of carbon is able to condense in underground surfaces promoting the formation of fatty acids, expelled by geysers. Others sustain that life originated in stagnated waters, where cycles of humidity and evaporation produce useful concentrations and diverse chemical processes. Concerning to the time, Stephen Mojzsis after analyzing rocks of Greenland, concluded that the great bombardment of rocks didn't kill all terraqueous forms of life. Recent analysis of old rocks (zircons), showed that oceans arose 4.404 trillion years ago, hardly 150 million years after the formation of the earth.

ORIGEN de la VIDA

Empezando con Darwin, continuando con Oparin, Orgel y otros, el tema del origen de la vida, no termina. F. Crick, sugirió que la vida podría haberse formado en cualquier planeta, arribando después a la tierra (panspermia). Hay 4 nuevos aportes, al respecto. I) Según Jack W Szostak, ácidos grasos simples existentes en la tierra primitiva, habrian formado esferas con doble membrana : (protocélulas), las mismas que incorporarían más acidos grasos y agua, tornándose casi impermeables permitiendo solo la entrada de nutrientes necesarios. En tal sistema, la combinación de pequeñas moléculas formarían otras más grandes incapaces de salir. El ingreso de nucleótidos a estas protocélulas precederia a la replicación quimica. Jack W. Szostak, David P. Bartel y P. Luigi Luisi, concordaron en el 2001, que los componentes genéticos y las membranas habrían evolucionado juntas generando células con moléculas encapsuladas en su interior. John Sutherland, sostiene en un articulo publicado en Nature que en condiciones adecuadas quimicos prebióticos habrian permitido la unión de bases nitrogenadas con azúcares conformando unidades, sin necesidad de enlaces. II) Según Gerald F Joyce lograda la autorreplicación, el resto es historia. Este científico ha desarrollado moléculas de RNA con capacidad replicante. Aparte de portar información el RNA actúa como una enzima promoviendo reacciones quimicas. Joyce ha desarrollado 2 moléculas de RNA capaces de promover la sintesis de otras 4 clases de nucleótidos de RNA, capaces de pasar información en forma indefinida, aunque el sistema no esté vivo.

III) La sintesis natural de nucleótidos es un hecho IV) Otro avance es el handedness. Los aminoácidos constituyentes de las proteinas son izquierdos o derechos, en cantidades iguales. En células vivas todos los aminoácidos son left-handed y los azúcares y nucleótidos, right-handed. Donna Blackmond ha descubierto que una mezcla de moléculas left y right-handed pueden convertirse en una sola forma con ciclos de enfriamiento y desenfriamiento. Respecto a condiciones ambientales, Günther Wächtershäuser, sostiene que la vida empezó en medios volcánicos en zonas de mares profundos. Otros arguyen superficies subterráneas donde el monoxido de carbono, es capaz de condensarse promoviendo la formación de ácidos grasos, expulsados por géiseres. Otros sostienen que la vida se originó en aguas estancadas, donde los ciclos de humedad y evaporación producen concentraciones útiles y diversos procesos quimicos. Tocante al tiempo, Stephen Mojzsis trás analizar rocas de Groenlandia, concluyó que el gran bombardeo de rocas no mató todas las formas de vida terráqueas. Análisis recientes de rocas antiguas (zircons), demuestran que los oceanos surgieron hace 4.404 billones de años, apenas 150 millones de años después de la formación de la tierra.