El Origen de la Vida

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El Origen de la Vida
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Aristoteles
(384 a.C. 322 a.C.)
Observó que de los charcos secos (barro)
rehidratados nacían peces! ? creía en la
generación espontánea
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Jan Baptiste van Helmont, belga, contemporáneo a
Galileo Pionero en la experimentación y en una
forma primitiva de bioquímica Fue el primero en
aplicar principios químicos en sus
investigaciones sobre la digestión  y
la nutrición para el estudio de
problemas fisiológicos. Distinguió entre Gas y
Aire describió el CO2 Sostenía la teoría de la
generación espontanea!
Jan Baptiste van Helmont (1579-1644)
en Ortus Medicinae (1667). "... Las criaturas
como los piojos, las garrapatas, las pulgas y los
gusanos son nuestros miserables huéspedes y
vecinos, pero nacen de nuestras entrañas y
excrementos. Porque si colocamos ropa interior
llena de sudor con trigo en un recipiente de
boca ancha, al cabo de veintiún días el olor
cambia, y el fermento, surgiendo de la ropa
interior y penetrando a través de las cáscaras
de trigo, cambia el trigo en ratones. Pero lo que
es más notable aún es que se forman ratones de
ambos sexos y que éstos se pueden cruzar con
ratones que hayan nacido de manera normal... pero
lo que es verdaderamente increíble es que los
ratones que han surgido del trigo y la ropa
íntima sudada no son pequeñitos, ni deformes ni
defectuosos, sino que son adultos perfectos....
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Lazzaro Spallanzani (Italia, 1729 - 1799)
Físico (monografía efecto patito), biólogo,
fisiólogo (reproducción, circulatorio),
traductor, sacerdote, etc.. si carne en
caldo de cultivo se calentaba a 100 ºC en frasco
cerrado, no se pudría (no ocurría crecimiento
bacteriano), Conclusión no existe la
generación espontánea Sus detractores
argumentaron que el aire (que él no dejaba
pasar) era necesario para la generación
espontánea.y tenían razón en parte. pero
abrió las puertas a Pasteur
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Biogénesis Omne vivum ex vivo (toda vida
proviene de vida)
si carne en caldo de cultivo se calentaba a 100
ºC, no se pudría (no ocurría crecimiento
bacteriano), por más que llegara aire al
balón (filtrado, of course, con
algodón) Desterró para siempre la Teoría de la
generación espontánea Fue el primer en darse en
cuenta que en el aire había microorganismos!
Louis Pasteur (pintura) (1822 1895)
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 Charles Darwin  (1809  1882)
Evolución biológica por selección natural Pero
también hipotetizó sobre el origen de la Vida
La vida se originó en un "warm little pond, with
all sorts of ammonia and phosphoric salts,
lights, heat, electricity, etc. present, so that
a protein compound was chemically formed ready
to undergo still more complex changes".
Agregando que "at the present day such matter
would be instantly devoured or absorbed, which
would not have been the case before living
creatures were formed."
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Alexander Ivanovich Oparin (1894 1980)
Teoría de la Sopa Primordial "Primordial soup"
(1922) No hay diferencias fundamentales entre
la naturaleza química de la materia viva y la no
viva. Propuso condiciones pre-bióticas
atmósfera reductora con metano, hidrógeno y
amoníaco (como la del Sol, Júpiter y otros
planetas), que por acción del sol ? nutrientes
orgánicos ? sopa orgánica en la que luego se
formaron gotitas o coacervados coloidales
formados por polímeros y -
(proto-células) que se reproducían por fisión
binaria en gotitas hijas (proto-células
hijas). Esos habrían sido los primeros
organismos, que debían hacer un mínimo de
biosíntesis porque eran heterótrofos, mas
simples metabólicamente que los autótrofos, y
por eso debieron haber surgido primero. Propuso
que las sustancias orgánicas simples se fueron
complejizando hasta llegar a estructuras
auto-replicativas, proceso sujeto a selección
natural.
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1953, Universidad de Chicago (presenció el
seminario Carl Sagan, que creará años después el
programa de TV Cosmos)
simulación de escenario prebiótico
Stanley Miller (1930-2007) Toma las ideas
de Darwin y de Oparin Y las pone a
prueba experimentalmente
Productos purinas, pirimidinas, aminácidos (3
de los 20, glicina el más abundante) azúcares
y alcanos en pequeña proporción
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Luego Miller hizo variantes el experimento
agregando S y P, con éxito
Se supone que las bases nitrogenadas (junto con
la ribosa y fosfato) se habrán polimerizado (sin
molde de ácido nucleico al principio)
arcilla
Cuál habrá sido el primer ácido nucleico
abundante? DNA o RNA?
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Intrones autocatalíticos, reliquias del mundo del
RNA
Thomas Cech, Boulder, Colorado (Premio Nobel)
catalizado por spliceososoma
mecanismo similar a remoción de intrones tipo
II pero la parte enzimática reside en los
SNURPs
pre-mRNAS nucleares eucariotas
pre-mRNAs de mitoc de hongos/levad/plantas pre-tRN
As de bact pre-rRNAs de núcleo de Tetrahymena
pre-mRNAs de bact/mitoc de plantas/cloropl
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peptidil- transferasa
rRNA 23 S de la subunidad grande ribosomal (50S)
de E coli Trabajos de Steitz, T. A. (premio
Nobel) "The complete atomic structure of the
large ribosomal subunit at 2.4 Å resolution
(2000) Science 289905.
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si el RNA tiene propiedades catalíticas de
splicing (corte y pegue de RNS) y de
polimerzación de aa (peptidil transferasa)
tambien podría ser de (auto)replicación de RNA
(polimerización de rNTPs) Hay modelos de
ancestral ribozima con función de RNA replicasa
sin intervención de proteínas (un proto-ribosoma
que adiciona tripletes complementarios desde un
tRNA (Poole et al, J Mol Evol 1998, primer review
de BIBLIOGRAFIA)
RT DNA Pol
P-lípidos ? membranas
mejores catalizadores
Ribo-organismos
1ros ribosomas
4.000 MY 3.500 MY
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Watson y Crick, 1953
1957 Dogma central de la biología (by Crick)
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Dogma central de la biología modificado en 1975
por David Baltimore
La tienen los virus con RNA que no son
retrovirus, los hongos y las plantas
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origen de la vida extraterrestre? meteori
to Murchison, Caido en Murchison, Australia el
28 de septiembre de 1969

• - Aminoácidos glicina, alanina y ácido
  glutámico, isovalina y pseudoleucina.
• (mezcla de aminoácidos racémicos), enriquecidos
  con 15N (?no terrestres)
• Purinas y pirimidinas Uracilo y Xantina
  enriquecidos en 14C (?no terrestre)
• - Mezcla compleja de alcanos (similar a los
  del experimento de Miller y Urey)
• Muchos compuestos orgánicos, componentes
• de la vida, están también presentes en otros
• planetas del sistema solar.

Compound class Concentration (ppm)
Amino acids 17-60
Aliphatic hydrocarbons gt35
Aromatic hydrocarbons 3319
Fullerenes gt100
Carboxylic acids gt300
Hydrocarboxylic acids 15
Purines and Pyrimidines 1.3
Alcohols 11
Sulphonic acids 68
Phosphonic acids 2
Por lo tanto se cree que un meteorito similar
pudo haber caído hace miles de millones de años
en la Tierra trayendo de otros planetas ese tipo
de compuestos precursores de bio-macromoléculas

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Cuál fue (cómo habrá sido) la primera célula,
tal como la entendemos ahora (con DNA y
proteínas)? Se cree que surgió hace 4.000 MY y
luego derivó en LUCA (Last Universal Common
Ancestor) 3.5 - 3.8 mil MY (Paleoarchean era)
RT DNA Pol
P-lípidos ? membranas
mejores catalizadores
Ribo-organismos
1ros ribosomas
4.000 MY 3.500 MY
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Buscando las primeras células (derivadas del
LUCA)
Carl Woese (1928 2012, USA) En 1977 hizo, por
primera vez, estudios de filogenia de
procariotas, basados en secuencias del RNA
ribosomal 16S
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3 grandes dominios
Archae y Eukarya comparten el tipo de RNAPol,
TBP, TFIIB
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auto(lito)trofos
fotosínteticas
anaerobias
la fotosíntesis fue una invención bacteriana,
primero anaerobia
El agrupamiento de acuerdo a estrategias
metabólicas no se corresponde con los
patrones de rRNA ? hubo diferentes tipos de
metabolismo en cada era evolutiva
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Muchos de los unicelulares primitivos (eubacteria
y archaea) son hipertermófilos Arbol consistente
con la idea de las condiciones imaginadas para un
ambienre prebiótico primitivo sopa caliente,
pobre en compuestos orgánicos, carente de
O2 Están todos los científicos de acuerdo?
No Qué dice Miller? Que el escenario pre-biótico
es incompatible con altas temperaturas, a las
cuales las bases nitrogenadas son inestables en
tiempos relativamente cortos
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Habitats calientesVents (aberturas por donde
ventila vapor) hidrotermales

• Piso submarino en Océano Pacífico
• 2.600 m de profundidad
• 50 -95 ºC, 200 atm
• CO2, N2, H2?

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Vents hidrotermales (imagen a mayor aumento)
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Fauna en estos vents
Riftia Pachyptila is a giant tube-dwelling
annelid discovered on hydrothermal vents at the
Galapagos in 1977. This tubeworm houses a dense
population of intracellular, sulfide-oxidizing
bacteria, which provide the nutriments to the
animal. The chemoautotrophic bacterial symbionts
fix carbon dioxide from the ambient sea water
using the energy gained from oxidation of
sulfide. Organic CO2 fixation products, mainly
succinate and malate, are secreted by the
bacteria into the blood of the animal.
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Microorganismos en estos vents

• Methanococcus janaschii
• Archeon metanogénico utiliza H2
• Genoma secuenciado (1.7 Mb) - 40 genes conocidos
  en
• esa época
• Cluster de genes de síntesis de CH4
• Simbionte del gusano Riftia pachyptila
• Eubacteria
• Metabolismo de fijación de CO2 (que proviene del
  gusano) y síntesis de compuestos orgánicos basado
  en oxidación de -SH del gusano
• En retribución, la bacteria le suministra
  compuestos orgánicos al gusano, que no tendría
  disponibles de otro modo
• No pudo ser cultivado

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Science (1996) 273 1058-73 Complete Genome
Sequence of the Methanogenic Archaeon,
Methanococcus jannaschii

• Carol J. Bult, Owen White, Gary J. Olsen, Lixin
  Zhou, Robert D. Fleischmann, Granger G. Sutton,
  Judith A. Blake, Lisa M. FitzGerald, Rebecca A.
  Clayton, Jeannine D. Gocayne, Anthony R.
  Kerlavage, Brian A. Dougherty, Jean-Francois
  Tomb, Mark D. Adams, Claudia I. Reich, Ross
  Overbeek, Ewen F. Kirkness, Keith G. Weinstock,
  Joseph M. Merrick, Anna Glodek, John L. Scott,
  Neil S. M. Geoghagen, Janice F. Weidman, Joyce L.
  Fuhrmann, Dave Nguyen, Teresa R. Utterback, Jenny
  M. Kelley, Jeremy D. Peterson, Paul W. Sadow,
  Michael C. Hanna, Matthew D. Cotton, Kevin M.
  Roberts, Margaret A. Hurst, Brian P. Kaine, Mark
  Borodovsky, Hans-Peter Klenk, Claire M. Fraser,
  Hamilton O. Smith,
• Carl R. Woese, and J.
  Craig Venter
• The complete 1.66-megabase pair genome sequence
  of an autotrophic archaeon, Methanococcus
  jannaschii, and its 58- and 16-kilobase pair
  extrachromosomal elements have been determined by
  whole-genome random sequencing. A total of 1738
  predicted protein-coding genes were identified
  however, only a minority of these (38) could be
  assigned a putative cellular role with high
  confidence.

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Although the majority of genes related to energy
production, cell division, and metabolism in M.
jannaschii are most similar to those found in
Bacteria, most of the genes involved in
transcription, translation, and replication in M.
jannaschii are more similar to those found in
Eukaryotes.
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Revistas especializadas en extremófilos
Sus proteínas son interesantes de estudiar para
hacer ingeniería de proteínas (artificiales, p
ej con actividades catalíticas superadoras)
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otro habitat subterráneo que dio lugar a una
nueva disciplina La GEOMICROBIOLOGIA
Hell's bacterium Bacillus infernus , hallada por
la compañía TEXACO dwells 2.7 kilometers down, at
over 60C, without oxygen. Organotrofo, usa
compuestos orgánicos en las rocas Tiene
citocromos Fe3 o Mn2 como útimo aceptor de
electrones No pudo ser cultivado Se calcula que
la biomasa subterránea es similar a la de la
superficie!
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Tipos de eucariotas organotrofos de acuerdo a su
metabolismo aerobio o anaerobio
ejemplos Giardia, Entoameba (anaerobios) interesa
nte tienen resabios de genes productores de H2
ejemplos Trichomona, Nyctotherus (anaerobios)
ejemplos todos los eucariotas aerobios
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TEORIA ENDOSIMBIOTICA PARA EXPLICAR EL ORIGEN DE
LAS PRIMERAS ORGANELAS EN EUCARIOTAS
Lynn Margulis (1938 2011), esposa de Carl Sagan
La teoría implica pasaje al núcleo, durante la
evolución, de la mayoría de los genes de la
organela (mecanismo desconocido), antes
procariota de vida libre y por lo tanto con una
batería completa de genes
anaeróbica
MITOC
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HIPOTESIS ALTERNATIVA DE MARTIN MULLER (1998)
eubacteria heterotrofa
archeon autotrofo
host hospedador
simbionte
metabolismo versátil (tiene ciclo Krebs,
fosforil oxid. e hidrogenasa)
escasez de H2 ambiental
reversión del metabolismo del host ((pasa de
autotorofo a heterotrofo)
mitocondria o hidrogenosoma según si hay 02 o no
Este modelo no explica mecanismo de adquisición
de núcleo, pero es cierto que la de
Margulis tampoco. Tampoco contempla migración de
genes de receptores (de sustancias orgánicas)
del simbionte al genoma del host, ni diferente
composición de lípidos de membrana entre
archeones y eukas.
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ejemplo contempráneo de simbiosis generada por
dependencia metabólica de H2 Nyctotherus
ovalis, eucariota unicelular anaerobio, ciliado,
que vive en el intestino de las
cucarachas, mostrando sus hidrogenosomas (esferita
s en el citoplasma) y Metanococcus janaschii
(puntitos negros) aprovechando el H2 liberado
aunque en esta simbiosis, el archeon es el
simbionte y no el host