La ciencia de datos revela reglas universales que dan forma a las plantas de energía celular

Las mitocondrias son compartimentos, los llamados «orgánulos», en nuestras células que proporcionan el suministro de energía química que necesitamos para movernos, pensar y vivir. Los cloroplastos son orgánulos en plantas y algas que capturan la luz solar y realizan la fotosíntesis. A primera vista, pueden parecer mundos aparte. Pero un equipo internacional de investigadores, dirigido por la Universidad de Bergen, utilizó la ciencia de datos y la biología computacional para demostrar que las mismas «reglas» dieron forma a cómo estos dos tipos de orgánulos, y más, evolucionaron a lo largo de la historia de la vida.

Ambos tipos de orgánulos alguna vez fueron organismos independientes con sus propios genomas completos. Hace miles de millones de años, estos organismos fueron capturados y aprisionados por otras células, los ancestros de las especies modernas. Desde entonces, los orgánulos han perdido la mayor parte de sus genomas, con solo un puñado de genes restante en el ADN mitocondrial y el cloroplasto moderno. Estos genes restantes son esenciales para la vida e importantes en muchas enfermedades devastadoras, pero se ha debatido durante décadas por qué permanecen en el ADN de los orgánulos cuando se han perdido tantos otros.

Para una nueva perspectiva sobre esta pregunta, los científicos han adoptado un enfoque basado en datos. Recopilaron datos sobre todo el ADN de los orgánulos que se ha secuenciado a lo largo de la vida. Luego usaron modelos, bioquímica y biología estructural para representar una amplia gama de diferentes hipótesis sobre la retención de genes como un conjunto de números asociados con cada gen. utilizando herramientas de Ciencia de los datos y estadísticas, preguntaron qué ideas podrían explicar mejor los patrones de genes retenidos en los datos que habían recopilado, probando los resultados con datos invisibles para verificar su poder.

«Algunos patrones claros surgieron del modelado», explica Kostas Giannakis, investigador postdoctoral en Bergen y primer autor del artículo. “Muchos de estos genes codifican subunidades de máquinas celulares más grandes, que se ensamblan como un rompecabezas.

El equipo cree que esto se debe a que mantener el control local sobre la producción de tales subunidades centrales ayuda al orgánulo a responder rápidamente al cambio, una versión del llamado modelo «CoRR». También encontraron apoyo para otras ideas existentes, debatidas y nuevas. Por ejemplo, si un producto genetico es hidrofóbico y difícil de importar al orgánulo desde el exterior, los datos muestran que a menudo se retiene allí. Los genes que se codifican utilizando grupos químicos de enlace más fuertes también se retienen con mayor frecuencia, quizás porque son más robustos en el entorno hostil del orgánulo.

«A menudo se pensaba que estas diferentes hipótesis competían en el pasado», dice Iain Johnston, profesor de Bergen y líder del equipo. «Pero en realidad, ningún mecanismo único puede explicar todas las observaciones: se necesita una combinación. Una fortaleza de este enfoque imparcial basado en datos es que puede mostrar que muchas ideas son parcialmente correctas, pero ninguna de manera exclusiva, lo que tal vez explique el largo debate sobre estos temas».

Para su sorpresa, el equipo también encontró que sus modelos entrenados para describir genes mitocondriales también predijo la retención de los genes del cloroplasto, y viceversa. También encontraron que los mismos rasgos genéticos que dan forma al ADN mitocondrial y del cloroplasto también parecen desempeñar un papel en la evolución de otros endosimbiontes, organismos que han sido capturados más recientemente por otros huéspedes, desde algas hasta insectos.

«Fue un momento increíble», dice Johnston. «Nosotros y otros teníamos la idea de que presiones similares podrían aplicarse a la evolución de diferentes orgánulos. Pero ver este vínculo cuantitativo universal (datos de un orgánulo que predice patrones precisamente en otro y en endosimbiontes más recientes) fue realmente impresionante».

El estudio se publica en Sistemas celulares, y el equipo ahora está trabajando en una pregunta paralela: cómo los diferentes organismos mantienen los genes de orgánulos que retienen. Las mutaciones en el ADN mitocondrial pueden causar enfermedades hereditarias devastadoras; el equipo está utilizando modelos, estadísticas y experimentos para explorar cómo se manejan estas mutaciones en humanos, plantas y más.