92 research outputs found

    Nanoporous silica-based protocells at multiple scales for designs of life and nanomedicine.

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    Various protocell models have been constructed de novo with the bottom-up approach. Here we describe a silica-based protocell composed of a nanoporous amorphous silica core encapsulated within a lipid bilayer built by self-assembly that provides for independent definition of cell interior and the surface membrane. In this review, we will first describe the essential features of this architecture and then summarize the current development of silica-based protocells at both micro- and nanoscale with diverse functionalities. As the structure of the silica is relatively static, silica-core protocells do not have the ability to change shape, but their interior structure provides a highly crowded and, in some cases, authentic scaffold upon which biomolecular components and systems could be reconstituted. In basic research, the larger protocells based on precise silica replicas of cells could be developed into geometrically realistic bioreactor platforms to enable cellular functions like coupled biochemical reactions, while in translational research smaller protocells based on mesoporous silica nanoparticles are being developed for targeted nanomedicine. Ultimately we see two different motivations for protocell research and development: (1) to emulate life in order to understand it; and (2) to use biomimicry to engineer desired cellular interactions

    Synthetic Supramolecular Systems in Life-like Materials and Protocell Models

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    One of the biggest challenges in modern chemistry is the preparation of synthetic materials with life-like behavior for the assembly of artificial cells. In recent years, numerous artificial systems that mimic cellular components and functions have been developed. Supramolecular chemistry plays a key role in such cell mimics given that non-covalent interactions control the shape and function of many biomolecules, such as DNA base pairing, protein structure, ligand-receptor binding, and lipid membrane packing. However, the complexity of living cells constitutes a major challenge for their bottom-up assembly from pure synthetic materials. Inspired by the building blocks of nature, a wide range of supramolecular systems have been developed to reproduce cellular functions such as cell-cell communication, signaling cascades, and dynamic cytoskeleton assemblies. This review surveys a selection of key advances in synthetic derivatives of biomolecules with supramolecular organization and life-like behavior by addressing their non-covalent foundation and integration as increasingly complex protocell modelsThis work was partially supported by the Spanish Agencia Estatal de Investigación (AEI; SAF2017-89890-R), Xunta de Galicia (ED431C 2017/25, 2016-AD031, and ED431G/09), ISCIII (RD16/0008/003), and the European Commission (EC; European Regional Development Fund). I.I. thanks the EC and AEI for MSCA-IF (2018-843332) and JdC (FJCI-2017-31795) fellowships, respectively. J.M. received a Ramón y Cajal grant (RYC-2013-13784), an ERC-Stg grant (DYNAP-677786), and a Young Investigator Grant from the Human Frontier Science Program (RGY0066/2017)S

    Protocells: Milestones and Recent Advances

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    The origin of life is still one of humankind\u27s great mysteries. At the transition between nonliving and living matter, protocells, initially featureless aggregates of abiotic matter, gain the structure and functions necessary to fulfill the criteria of life. Research addressing protocells as a central element in this transition is diverse and increasingly interdisciplinary. The authors review current protocell concepts and research directions, address milestones, challenges and existing hypotheses in the context of conditions on the early Earth, and provide a concise overview of current protocell research methods

    Towards Synthetic Life: Establishing a Minimal Segrosome for the Rational Design of Biomimetic Systems

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    DNA segregation is a fundamental life process, crucial for renewal, reproduction and propagation of all forms of life. Hence, a dedicated segregation machinery, a segrosome, must function reliably also in the context of a minimal cell. Conceptionally, the development of such a minimal cell follows a minimalistic approach, aiming at engineering a synthetic entity only consisting of the essential key elements necessary for a cell to survive. In this thesis, various prokaryotic segregation systems were explored as possible candidates for a minimal segrosome. Such a minimal segrosome could be applied for the rational design of biomimetic systems including, but not limited to, a minimal cell. DNA segregation systems of type I (ParABS) and type II (ParMRC) were compared for ensuring genetic stabilities in vivo using vectors derived from the natural secondary chromosome of Vibrio cholerae. The type II segregation system R1-ParMRC was chosen as the most promising candidate for a minimal segrosome, and it was characterized and reconstituted in vitro. This segregation system was encapsulated into biomimetic micro-compartments and its lifetime prolonged by coupling to ATP-regenerating as well as oxygen-scavenging systems. The segregation process was coupled to in vitro DNA replication using DNA nanoparticles as a mimic of the condensed state of chromosomes. Furthermore, another type II segregation system originating from the pLS20 plasmid from Bacillus subtilis (Alp7ARC) was reconstituted in vitro as a secondary orthogonal segrosome. Finally, a chimeric RNA segregation system was engineered that could be applied for an RNA-based protocell. Overall, this work demonstrates successful bottom-up assemblies of functional molecular machines that could find applications in biomimetic systems and lead to a deeper understanding of living systems

    Engineering 4D regulation toolbox to control spatiotemporal cell-free reconstitution

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    Bottom-up reconstituting well-characterized functional molecular entities, parts and modules towards a synthetic cell will give new insights into the general mechanisms and molecular origins of life. However, a remaining central challenge is how to organize cellular processes spatiotemporally from their component parts in vitro. To this end, we developed a 4D regulation toolbox to facilitate a bottom-up reconstitution in both time and space. The spatiotemporal regulation of the 4D toolbox covers the aspects from dynamic gene transcription & translation, reversible protein interaction, spatially protein positioning, sequential protein assembly, extends to defining geometrical membrane boundaries and mimicking cellular anisotropic microenvironment. Firstly, we developed a thermo-genetic regulation toolbox based on synthetic RNA thermometers, for temporally controlling protein expression in vitro. We validated RNA thermometers from in vivo to in vitro and tuned RNA thermometers through utilizing cell free protein synthesis system. Then we generated the thermo-sensitive protocell by encapsulating thermo-regulated transcription and translation machine in water-in-oil droplets. With the temperature sensing devices, the protocells can be operated with logic AND gates, differentially processing temperature stimuli into biological signals. Secondly, we engineered the PhyB-PIF6 system to spatiotemporally target proteins by light onto model membranes and thus sequentially guide protein pattern formation and structural assembly in vitro from the bottom up. We show that complex micrometer-sized protein patterns can be printed on timescales of seconds. Moreover, when printing self-assembling proteins such as the bacterial cytoskeleton protein FtsZ, the targeted assembly into filaments and large-scale structures such as artificial rings can be accomplished. To develop an artificial anisotropic membrane environment, we introduced a 3D printed protein hydrogel device to induce pH-stimulated reversible shape changes in trapped vesicles. Deformations towards unusual quadratic or triangular shapes can be accomplished. Mechanical force induced by the cages to phase-separated membrane vesicles can lead to spontaneous shape deformations. Moreover, the shape-tunable vesicle provides a spatially well-defined microenvironment for reconstituting shape-dependent protein systems, such as reaction-diffusion system that request explicitly non-spherical geometries. By taking advantages of the 3D printed hydrogel, we programmably engineered contractible scaffolds for actin-myosin motor reconstitution in 3D space. Nanoscale actomyosin motor as a bio-actuator could generate, transmit active contraction and then drive large-scale shape-morphing of complex 3D hydrogel scaffolds. In summary, by developing the spatiotemporal toolbox, this thesis introduces a promising step towards establishing bottom-up reconstitution in space and time, which could also guide future efforts in hierarchically building up the next level of complexity towards a minimal cell

    Engineering 4D regulation toolbox to control spatiotemporal cell-free reconstitution

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    Bottom-up reconstituting well-characterized functional molecular entities, parts and modules towards a synthetic cell will give new insights into the general mechanisms and molecular origins of life. However, a remaining central challenge is how to organize cellular processes spatiotemporally from their component parts in vitro. To this end, we developed a 4D regulation toolbox to facilitate a bottom-up reconstitution in both time and space. The spatiotemporal regulation of the 4D toolbox covers the aspects from dynamic gene transcription & translation, reversible protein interaction, spatially protein positioning, sequential protein assembly, extends to defining geometrical membrane boundaries and mimicking cellular anisotropic microenvironment. Firstly, we developed a thermo-genetic regulation toolbox based on synthetic RNA thermometers, for temporally controlling protein expression in vitro. We validated RNA thermometers from in vivo to in vitro and tuned RNA thermometers through utilizing cell free protein synthesis system. Then we generated the thermo-sensitive protocell by encapsulating thermo-regulated transcription and translation machine in water-in-oil droplets. With the temperature sensing devices, the protocells can be operated with logic AND gates, differentially processing temperature stimuli into biological signals. Secondly, we engineered the PhyB-PIF6 system to spatiotemporally target proteins by light onto model membranes and thus sequentially guide protein pattern formation and structural assembly in vitro from the bottom up. We show that complex micrometer-sized protein patterns can be printed on timescales of seconds. Moreover, when printing self-assembling proteins such as the bacterial cytoskeleton protein FtsZ, the targeted assembly into filaments and large-scale structures such as artificial rings can be accomplished. To develop an artificial anisotropic membrane environment, we introduced a 3D printed protein hydrogel device to induce pH-stimulated reversible shape changes in trapped vesicles. Deformations towards unusual quadratic or triangular shapes can be accomplished. Mechanical force induced by the cages to phase-separated membrane vesicles can lead to spontaneous shape deformations. Moreover, the shape-tunable vesicle provides a spatially well-defined microenvironment for reconstituting shape-dependent protein systems, such as reaction-diffusion system that request explicitly non-spherical geometries. By taking advantages of the 3D printed hydrogel, we programmably engineered contractible scaffolds for actin-myosin motor reconstitution in 3D space. Nanoscale actomyosin motor as a bio-actuator could generate, transmit active contraction and then drive large-scale shape-morphing of complex 3D hydrogel scaffolds. In summary, by developing the spatiotemporal toolbox, this thesis introduces a promising step towards establishing bottom-up reconstitution in space and time, which could also guide future efforts in hierarchically building up the next level of complexity towards a minimal cell

    Biocatalytic metal-organic frameworks based synthetic cells

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    Cells are considered to be the basic function and building units of life, which are able to conduct necessarily life-related activities. Inspired by the natural cells, researchers have endeavoured to construct synthetic cells and made them possible to become surrogates of real cells in different fields. Synthetic cells are generally composed of a semi-permeable membrane enclosing active contents inside, sharing similar structures with real cells. A variety of cellular activities have been realized in these synthetic cells, such as enzyme catalysis, gene expression and cellular movement. Nevertheless, the limitations of the existing synthetic cells should be resolved for further development, for example, instability under harsh conditions, programmable cell events (gene expression). Besides, most of the synthetic cells are unable to replicate specific functionalities of specific types of real cells. More efforts should be made to solve the challenges of synthetic cells and expand their potential in practical applications. The research projects included in this thesis aim to overcome the above issues. To solve the instability issue, metal-organic frameworks (MOFs) are exploited in these studies, whose protection performance on biomacromolecules is validated first on a therapeutic polypeptide. Inspired by the enhanced stability, MOFs-biomacromolecules composite is then engineered as pseudo-organelles for constructing synthetic cells. Metal-phenolic networks (MPNs) are chosen as pseudo-plasma membrane owing to their high physical and chemical stability, facile synthesising procedures and tunable permeability. A MOFs-MPNs based synthetic cell is then constructed, which presents excellent activities across a wide range of operational conditions. On the other hand, since MOFs can be engineered to selectively degrade under mildly acidic conditions, gene expression machinery can be regulated inside of the synthetic cells through encapsulating gene and in-vitro transcription and translation machinery (IVTT) into MOF separately and turned on by facile pH switches. This pH-gated gene expression is relevant to physiological conditions, which proposes a facile strategy to control subcellular events in artificial cells closely mimicking the complex biochemical events in real cells. Inspired by the above results, we further constructed artificial β-cells, which can sense high-level glucose and secrete insulin as a response through insulin gene expression, replicating the biological functionality of islet β-cells. In summary, the results presented in this thesis bring the synthetic cells one-step closer to real cells, expanding their potential in practical applications

    Engineering artificial cell membranes by Ting F. Zhu.

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    Thesis (Ph. D.)--Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology, 2010.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references.Growth and division are essential biological processes of cellular life. A crucial question concerning the origin of cellular life is how primitive cells (protocells) lacking complex biological machinery could grow and divide. To address this question, we first developed an effective method for preparing large monodisperse (uniform-sized) vesicles through a combination of extrusion and large-pore dialysis. The development of this preparation method has led us to the discovery of a simple but efficient pathway for the growth and division of the membrane envelope of a model protocell: growth of a large multilamellar fatty acid vesicle after being fed with fatty acid micelles leads to a series of remarkable shape transformations, from an initially spherical state to a long thread-like vesicle; under modest shear forces, the thread-like vesicle divides into multiple daughter vesicles. We have also discovered a different pathway that allows the long thread-like vesicles to divide without relying on external forces. Furthermore, in the course of studying fatty acid vesicles, we have discovered a striking phenomenon: intense illumination causes dye-packed vesicles of a few microns in diameter to explode, rapidly and locally releasing the encapsulated contents. The photoactivated release of substances from exploding vesicles in a highly spatio-temporally controlled manner suggests potential applications of this phenomenon in many areas across disciplines.Ph.D

    Modelling early transitions toward autonomous protocells.

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    252 p.La transición entre materia inerte y viviente sigue constituyendo un problema abierto en ciencia. Las líneas de investigación actuales en el campo del origen de la vida, ya sean basadas en moléculas replicativas individuales o en la nueva visión protocelular del problema, están típicamente orientadas hacia una concepción evolutiva de lo vivo. De acuerdo a esta concepción, el interés fundamental se centra en descubrir cómo moléculas o ensamblados químicos prebióticamente plausibles comenzaron a replicarse, a engarzarse en dinámicas selectivas y a aumentar en complejidad -- en último término, hacia la complejidad bioquímica de las células vivas. Esta tesis doctoral se enfrenta al problema del origen de vida celular desde una plataforma conceptual alternativa, la perspectiva de los sistemas autónomos, la cual pivota sobre la teoría de la Autonomía Biológica. Desde dicha perspectiva sistémica de la organización celular, las transiciones clave en el origen de la vida deben ser reformuladas en términos de cómo determinados sistemas químicos compartimentados (es decir, protocélulas) comenzaron a desarrollar infraestructuras químicas integradas para poder mantenerse en condiciones alejadas del equilibrio; y, a continuación, cómo estas infraestructuras integradas pasaron a constituir la organización autopoiética que despliegan las células propiamente biológicas. La autonomía define un marco global cualitativamente distinto --y también más amplio y apropiado, se argumenta-- para conducir y dar sentido a la investigación científica sobre protocélulas.El trabajo presentado en esta tesis resulta de un bucle en el que se entrelazan la reflexión filosófica sobre el problema del origen de la vida y la modelización científica en torno a los sistemas proto-celulares. Podríamos decir que constituye una demostración práctica de cómo la interacción directa entre ciencia y filosofía es capaz de dar lugar a intuiciones nuevas y fructíferos resultados en torno a un problema complejo, como lo es la transición desde la física y la química hacia la biología. A nivel conceptual, este trabajo de tesis doctoral se adentra en la concepción de vida como autonomía y analiza las implicaciones (radicales) que esta visión organizativa y sistémica de lo vivo tiene en el planteamiento sobre las transiciones principales de la evolución proto-celular. A nivel científico, la tesis se ha construido en torno a la elaboración de modelos proto-celulares realistas, ¿semi-empíricos¿, mediante los cuales se ha pretendido iluminar los primeros pasos que deben darse, desde un escenario físico-químico generalista, hacia los sistemas autónomos más primitivos o mínimos. A lo largo de todo el trabajo, ambos niveles de análisis, conceptual y científico, se retroalimentan, quedando profundamente imbricados y mutuamentereforzados: los aspectos conceptuales resultan esenciales para definir y destacar el valor de las cuestiones científicas abordadas, mientras que la labor de carácter propiamente científico hace posible una mayor especificación de algunas problemáticas que tienden a ser desdeñadas en el campo de investigación de la química prebiótica, incluyendo los enfoques proto-celulares.Objetivos principalesLos objetivos principales de esta tesis doctoral son los siguientes:1. Explicar de qué manera(s) la perspectiva de la autonomía biológica condiciona el programa de investigación sobre el origen de la vida, detallando el conjunto de cuestiones científicas que dicha perspectiva lleva a tratar, así como las transiciones prebióticas que plantea como fundamentales -- en contraste con el paradigma evolutivo establecido en el campo.2. Explorar las raíces físico-químicas de la autonomía biológica, identificando y poniendo en relieve un área ciega en la investigación actual sobre proto-células: a saber, la modelización teórica rigurosa de sistemas químicos elementales en interacción con compartimentos lipídicos dinámicos. Argumentar en qué sentido este escenario prebiótico constituye una transición necesaria hacia formas de autonomía protocelular básica o mínima.3. Desarrollar modelos protocelulares semi-empíricos que aporten nuevas claves sobre la cuestión del acoplamiento temprano entre reacciones químicas y compartimentos lipídicos dinámicos, previo a la aparición de células metabólicas -- es decir, propiamente auto-productivas.4. Examinar pormenorizadamente las implicaciones de dicho trabajo de modelización sobre el marco conceptual general de la autonomía y, más específicamente, en lo que se refiere a su aplicación al contexto del origen de la vida.5. Identificar y explicar los retos futuros a los que se enfrenta la modelización semi-empírica de sistemas proto-celulares, proponiendo estrategias para avanzar en la comprensión sobre cómo dichos sistemas fueron desarrollando comportamiento autónomo.A continuación se ofrece un compendio de los contenidos de este trabajo de tesis doctoral, destacando las ideas principales y la línea conceptual básica que se ha seguido. Los capítulos 1-3 consisten en una introducción extendida al trabajo, incluyendo una revisión detallada de la bibliografía previa relevante. Esta parte inicial establece el marcoteórico general desde el cual se enfoca el problema del origen de la vida en la tesis, examinando cuidadosamente las implicaciones que la perspectiva de la autonomía tiene sobre el programa de investigación en sistemas proto-celulares, antes de acometer la identificación y especificación de los problemas concretos que se someterán a modelización en la misma, como contribución de naturaleza más estrictamente científica.Sumario de contenidosEsta tesis comienza en el Capítulo 1 con un repaso general introductorio sobre la investigación en sistemas proto-celulares. Dentro del campo del origen de la vida, las proto-células (sistemas físico-químicos compartimentados que se asemejan de un modo más o menos distante a las células vivas) se perciben cada día más como un puente fundamental hacia los sistemas biológicos. Pueden citarse muchas razones por las que la presencia de compartimentos auto-ensamblados desde fases muy tempranas en el origen de la vida es beneficiosa, al tiempo que altamente plausible. Los argumentos a favor de su relevancia prebiótica abarcan desde el papel que pudieron jugar como `localizadores¿ o `segregadores¿ de poblaciones moleculares (permitiendo su evolución) hasta el de establecer el andamiaje y las condiciones químicas adecuadas para acoger y potenciar complejas secuencias de reacciones químicas interconectadas.No obstante, aunque constituyan un vehículo útil para explicar el proceso de abiogénesis, las protocélulas son más bien neutrales desde un punto de vista conceptual y, tomadas en un sentido amplio, no definen un programa de investigación específico sobre el origen de vida -- sobre todo bajo la asunción de que ésta debe convertirse en celular en algún momento. De hecho, en la práctica, las proto-células son empleadas en programas de investigación científica que se adhieren a visiones generales notablemente divergentes sobre lo que el fenómeno `vida¿ lleva consigo. Distintos autores mantienen (implícita o explícitamente) concepciones muy diferentes sobre lo que es la vida y estas concepciones se filtran y sesgan el tipo de experimentos y de modelos protocelulares que impulsan, así como la manera en que interpretan los resultados de dichos experimentos.Por tanto, una labor de reflexión teórica y filosófica más profunda sobre lo que constituye `vida¿ es de central importancia para la investigación proto-celular y, más en general, para el estudio del origen de los sistemas biológicos. A pesar de que persisten las dificultades a la hora de establecer una clara ¿línea divisoria¿, universalmente aceptada, entre el mundo inerte y el viviente, los investigadores de campos como el origen de la vida, la vida artificial o la biología sintética se siguen demarcando según dos amplias corrientes conceptuales. El objetivo del Capítulo 2 es explicar, en detalle, los principios básicos sobre los que se articulan dichas corrientes conceptuales. La corriente dominante en la actualidad, que mantiene una visión evolutiva de la vida, pivota sobre una perspectivadiacrónica de los sistemas biológicos, analizados a través de sucesivas generaciones o linajes, de acuerdo a la cual lo vivo se manifestaría por primera vez en sistemas químicos capaces de reproducción, proliferación, e incremento de complejidad por procesos de competición y selección. Esta perspectiva se apoya en la extensión de los principios evolutivos (como por ejemplo, el mecanismo de la selección natural) a unidades mucho más simples que los organismos vivos, y subyace a hipótesis de trabajo como la del `mundo ARN¿ o al proyecto de la `ribo-célula¿. La corriente alternativa, menos extendida en el campo de los orígenes hasta la fecha, se apoya sobre una visión de la vida como autonomía (o `autopoiesis¿), interpretando los sistemas biológicos desde una perspectiva sincrónica, que se centra en el estudio del tipo de organización de componentes y procesos que los caracteriza, aquí y ahora, como sistemas alejados del equilibrio pero de gran robustez dinámica. Esta concepción defiende enfoques como los de la `química de sistemas¿ (acoplamiento de redes auto-catalíticas) o el `mundo de los lípidos¿.A pesar de que las líneas de investigación prebiótica más importantes en la actualidad se encuadran dentro la concepción evolutiva de la vida, en esta tesis doctoral se argumenta que la perspectiva de la autonomía, si bien aún minoritaria, es de hecho el marco conceptual más adecuado y abarcador a la hora de encarar el problema del origen de la vida -- en particular, la emergencia de la celularidad. Un punto ciego muy importante de los enfoques evolutivos es que, al percibir que la vida se manifiesta, por encima de todo, `a través del tiempo¿, adolecen de una falta de rigurosidad en cuanto a la descripción de la organización material, físico-química, que subyace a un sistema celular con metabolismo propio. Los planteamientos evolutivos asumen implícitamente que las células vivas son redes químicas instruidas genéticamente e individualizadas en `bolsas lipídicas¿. Esta noción tan débil de celularidad se traduce en programas de investigación principalmente enfocados al estudio de conjuntos o poblaciones de especies químicas de relevancia biológica que tengan potencial de incrementar por sí mismas en complejidad a lo largo del tiempo (típicamente aplicando técnicas de evolución artificial, in vitro o in silico). Así, se lleva a cabo un uso meramente instrumental de los compartimentos protocelulares, incluyéndolos como `contenedores químicos¿ del sistema tan sólo en la medida en que se compruebe o se intuya que puedan facilitar la consecución de dicho objetivo evolutivo primario.La perspectiva de la autonomía, en cambio, inculca un profundo reconocimiento del complejo entramado organizativo en el que se disponen las moléculas biológicas, coordinadas tanto espacialmente como temporalmente, para lograr constituir una célula funcional que mantenga su dinámica alejada del equilibrio. Esta visión sistémica y organizativa de la celularidad se refleja en un empeño mucho más pronunciado por comprender, en el contexto del origen de la vida, cómo es posible que surjan y se establezcan sistemas químicos acoplados con los compartimentos en los que son espontáneamente encapsulados, de manera que progresen hacia formas de integracióncada vez más similares a la complementariedad autopoiética, auto-productiva, que caracteriza a las células vivas. Por tanto, la clave que distingue a la perspectiva de la autonomía es su pretensión de hacer tan explícito y preciso como sea posible el problema del acoplamiento y la integración funcional de componentes y procesos químicos diversos, como un requisito necesario para constituir --en condiciones alejadas del equilibrio termodinámico-- entidades con identidad y frontera propias. Esto conduce de manera natural, como se muestra en esta tesis, al tratamiento de aspectos específicos relacionados con el auto-ensamblaje de compartimentos supramoleculares, su permeabilidad selectiva a distintos componentes moleculares, posibles desequilibrios osmóticos (y trasvases acuosos compensatorios a través de la membrana), canalización y distribución de recursos energéticos¿ aspectos todos ellos en los que la perspectiva evolutiva no suele mostrar mayor interés.El Capítulo 3 explica el modo en que puede implementarse un programa de investigación sobre autonomía protocelular, construyendo un puente entre los enfoques científicos y conceptuales descritos los dos primeros capítulos. El capítulo comienza analizando las razones por las cuales la teoría de la autonomía biológica, a pesar de su relevancia y centralidad, conduce a retos o problemáticas que no son fáciles de traducir en modelos simplificados, cuantitativos y precisos. A continuación se revisan las aproximaciones, experimentales y computacionales, que se han venido realizando en el pasado para implementar sistemas autopoiéticos mínimos, in vitro e in silico, descritos como intentos preliminares para la modelización de sistemas autónomos, mostrando asimismo sus correspondientes limitaciones. Una vez completada la revisión, se introduce el planteamiento ¿semi-empírico¿ híbrido que será defendido en la tesis como vía teórica, bien apoyada en resultados experimentales realistas, que permite enfrentarse de un modo más sólido y coherente al origen de la autonomía protocelular.En la última parte del Capítulo 3 se identifica y delimita de manera más precisa el área concreta en el que este trabajo de tesis doctoral ha llevado a cabo sus contribuciones científicas: la modelización realista de químicas alejadas del equilibrio que tienen lugar en compartimentos lipídicos dinámicos. Esta área implica la elaboración de modelos de reactores proto-celulares tempranos, los cuales precedieron a las primeras proto-células estrictamente auto-productivas. Este tipo de reactor compartimentado inicial no tendría aún la capacidad de fabricar componentes orgánicos relativamente complejos (como lípidos o péptidos), pero habrían comenzado a desplegar comportamientos no-lineares y emergentes de relevancia biológica.El Capítulo 4 proporciona una síntesis, sin entrar en mucho detalle técnico, de las aportaciones científicas llevadas a cabo. Cuatro modelos diferentes, elaborados durante la realización de esta tesis, son revisados en secuencia. Entre ellos destaca el trabajo de modelización de la cinética de intercambio de lípidos de membrana (con su entornoacuoso), validado de manera rigurosa frente a resultados experimentales, como parte fundamental del modelo semi-empírico proto-celular introducido en el Capítulo 3. También se pone de especial relieve otro modelo, planteado a un nivel de complejidad protocelular superior, en el cual ya hay presencia de una cierta química interna. Con este modelo queda demostrado que el flujo acuoso a través de la membrana de vesículas relativamente simples (aunque, eso sí, de volumen variable) puede contribuir a crear una mayor riqueza de comportamientos dinámicos reactivos, asociados a dicha química interna. Este tipo de acoplamiento entre reactor y frontera encapsuladora se daría en un amplio espectro de condiciones, siempre y cuando el flujo de agua ocurra en respuesta a efectos osmóticos generados por la propia química interna. Así pues, en ese punto se introduce y explica pormenorizadamente la idea del `acoplamiento osmótico¿, como un principio sistémico general que sería de aplicación a toda clase de metabolismo compartimentado, independientemente de su complejidad, siempre que el compartimento sea dinámico, de volumen variable.Finalmente, en el Capítulo 5 se aborda una recapitulación general del trabajo y un debate acerca de las limitaciones del planteamiento semi-empírico defendido, así como una serie de indicaciones sobre líneas de trabajo de posible interés para el futuro. Se vuelve a poner en valor la perspectiva organizativa-sistémica que propugna la teoría de la autonomía, argumentando a favor de la necesidad de una caracterización adecuada, bien articulada, de las entidades individuales básicas que en definitiva son capaces de evolución biológica: las células vivas. Desde ese punto de vista, alternativo al establecido mayoritariamente en el campo del origen de la vida, se sugiere un conjunto de transiciones prebióticas fundamentales que reflejan, en esencia, el hipotético desarrollo de poblaciones de sistemas proto-celulares de complejidad creciente.ConclusionesEn definitiva, como resultado de este trabajo de tesis doctoral, podemos extraer las siguientes conclusiones generales:1. La investigación científica sobre el origen de la vida requiere un importante trabajo de análisis y clarificación conceptual. El campo de la química prebiótica es un área de investigación que se beneficia claramente de la combinación de planteamientos científicos y filosófico-conceptuales. Cualquier intento de sintetizar sistemas biológicos a partir de sus ingredientes o precursores físico-químicos elementales se lleva a cabo desde una determinada concepción sobre lo que es `vida¿. Y según la interpretación que se haga de este término, incluso las agendas o programas de investigación enfocados sobre sistemas proto-celulares pueden llegar a ser divergentes, o sorprendentemente diferentes. Portanto, es muy aconsejable que los investigadores reconozcan y hagan lo más explícita posible su postura sobre esta cuestión en sus contribuciones científicas.2. La perspectiva de la autonomía, aplicada al problema del origen de la vida, promueve retos de carácter sistémico, de gran calado para la química, asociados a la emergencia de la organización celular. La aceptación y el despliegue de este tipo de planteamiento lleva emparejado una reformulación radical de las transiciones prebióticas y la investigación en sistemas proto-celulares. En particular, preguntarse por la cuestión de la autonomía mínima conduce a programas de investigación que buscan con ahínco descubrir los principios y mecanismos moleculares que subyacen a los distintos tipos/grados de acoplamiento funcional (entre componentes y procesos de transformación de dichos componentes) que debieron darse a lo largo del desarrollo de la protocelularidad. Los enfoques sobre proto-células puramente evolutivos pasan por alto este requerimiento del acoplamiento y la integración funcional, que no obstante es clave para desentrañar el modo en que diversas estructuras materiales consiguen constituirse como organizaciones celulares. El desarrollo riguroso de una teoría sobre la organización celular y su emergencia en condiciones prebióticas pasa por comprender mejor de qué manera distintos compartimentos proto-celulares y químicas proto-metabólicas pueden engarzarse funcionalmente e iniciar un proceso de co-evolución que lleve hacia un comportamiento autónomo básico lo suficientemente robusto.3. La autonomía es un concepto multidimensional y heurístico que puede transformarse en un conjunto de cuestiones concretas a investigar científicamente mediante la modelización semi-empírica de sistemas proto-celulares. Más específicamente, este tipo de labor de modelización teórica se puede aplicar con éxito al estudio de la co-evolución entre membrana y red proto-metabólica en un contexto protocelular. Los resultados obtenidos, si el modelo está bien construido y justificado empíricamente, pueden efectivamente abrir nuevas vías de exploración experimental y proporcionar argumentos explicativos complementarios a los enfoques proto-celulares in vitro.4. La síntesis de la membrana por parte del metabolismo, como defiende clásicamente la teoría de la autopoiesis, no es estrictamente necesaria para que los sistemas protocelulares comiencen a exhibir comportamientos emergentes, no lineales, de profundo interés biológico. Redes compartimentadas de reacciones químicas con capacidad de fabricar internamente sus propios componentes (como lípidos, catalizadores o péptidos) pueden considerarse como una etapa intermedia, o relativamente tardía, en la evolución de la organización proto-celular. Previamente deben desarrollarse, con alta probabilidad, otro tipo de proto-células que presenten acoplamientos más débiles o indirectos entre sus componentes y los procesos transformativos en los que estos están involucrados. La especificación rigurosa de este tipo de acoplamientos entre química ycompartimentos debería pasar a ser uno de los objetivos fundamentales a abordar por la investigación sobre proto-células que se realice en el futuro5. El acoplamiento osmótico constituye un nuevo principio o constricción general, de carácter sistémico, que debe aplicarse sobre proto-células metabólicas de distinto tipo. Aunque se trata de un aspecto que ha recibido muy poca atención hasta la fecha en el campo del origen de la vida, tiene importantes implicaciones ya que prácticamente todos los modelos proto-celulares empíricos en la actualidad están basados en vesículas que son muy susceptibles a desequilibrios osmóticos pero, al mismo tiempo, incapaces de regular de manera efectiva su volumen acuoso interno. Así, las variaciones en volumen que se produjeran en las protocélulas tempranas tendrían efectos muy significativos en las dinámicas internas de reacción, como se demuestra en este trabajo de tesis doctoral. En particular, una de las publicaciones científicas asociadas a esta tesis explica detalladamente los efectos que el volumen variable de una proto-célula puede tener sobre reacciones que, siendo en principio independientes químicamente, por el mero hecho de compartir un mismo espacio reactivo (el definido por el micro-compartimento lipídico), se acoplarían de manera indirecta pero efectiva, dando lugar a procesos intera
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