La potencia celular tiene un origen más complicado de lo que pensábamos

por miles de millones de años después de la origen de la vidalos únicos seres vivos en la Tierra eran células diminutas y primitivas similares a las de hoy bacterias. Pero entonces, hace más de 1.500 millones de años, sucedió algo extraordinario: una de esas células primitivas, perteneciente a un grupo conocido como arcose tragó una diferente: una bacteria.

En lugar de ser digerida, la bacteria tomó residencia permanente en el otro organismo, en lo que los biólogos llaman un endosimbionte. Eventualmente, se integró completamente en su célula anfitriona archaeal, convirtiéndose en lo que conocemos hoy como mitocondrias, el componente crucial de producción de energía de la célula.

Su adquisición ha sido vista como el paso clave en lo que podría decirse que es el salto evolutivo más importante desde el origen de la vida misma: la transición de las primeras células primitivas, o procariotas, a las células más sofisticadas de organismos superiores, o eucariotas, incluidos nosotros. .igual .

Es una historia genial que encontrarás en la mayoría de los libros de texto de biología, pero ¿es realmente tan simple? En los últimos años, nueva evidencia ha cuestionado la noción de que las mitocondrias desempeñaron un papel fundamental en esta transición. Los investigadores que secuenciaron los genomas de los parientes modernos de los primeros eucariotas han encontrado muchos genes inesperados que no parecen provenir del huésped o del endosimbionte. Y eso, sugieren algunos científicos, podría significar que la evolución de los primeros eucariotas involucró a más de dos socios y sucedió de manera más gradual de lo que se sospechaba anteriormente.

Otros todavía no ven una razón para abandonar la teoría de que la adquisición de mitocondrias fue la chispa que inició la rápida evolución de los eucariotas, dando origen, eones después, a plantas, animales, vertebrados y personas. La nueva evidencia de la genómica y la biología celular puede ayudar a resolver el debate, al tiempo que señala las lagunas de conocimiento que aún deben llenarse para comprender uno de los eventos fundamentales en nuestra propia ascendencia, el origen de las células complejas.

extras misteriosos

Los misteriosos genes surgieron en la última década, cuando investigadores, entre ellos Toni Gabaldónun genomicista evolutivo en el Centro de Supercomputación de Barcelona, ​​y sus colegas aprovecharon la tecnología económica de secuenciación de genes de hoy para explorar los genomas de una amplia gama de eucariotas, incluidos varios parientes oscuros, primitivos y modernos de los primeros eucariotas.

Esperaban encontrar genes cuyo linaje se remontara al huésped arqueal o al ancestro mitocondrial, un miembro de un grupo llamado alfaproteobacteria. Pero para su sorpresa, los científicos también encontraron genes que parecían provenir de una amplia gama de otras bacterias.

Gabaldón y sus colegas plantearon la hipótesis de que el ancestro celular de los eucariotas había adquirido genes de una variedad de socios. Estos socios podrían haber sido endosimbiontes adicionales que luego se perdieron o bacterias de vida libre que transmitieron uno o algunos de sus genes al huésped ancestral en un proceso común llamado transferencia horizontal de genes. En cualquier caso, el tango que condujo a los eucariotas involucró a más de dos bailarines, sugirieron.

“Ahora está claro que hay contribuciones adicionales de socios adicionales”, dice Gabaldón, quien ha escrito sobre evolución temprana de los eucariotas en 2021 Revisión anual de microbiología.

Es difícil saber exactamente de dónde vinieron estos extraños genes antiguos porque ha pasado mucho tiempo. Pero hay muchas endosimbiosis más nuevas y flexibles en las que el origen de los genes extraños es más fácil de identificar, dice. Juan McCutcheon, un biólogo celular evolutivo de la Universidad Estatal de Arizona en Tempe que ha escrito sobre evolución endosimbionte en 2021 Revisión anual de biología celular y del desarrollo. Estudiar esto podría, por analogía, darnos la oportunidad de comprender cómo podrían haber evolucionado las mitocondrias y los primeros eucariotas, dice.

compañeros de celda

Un buen ejemplo es una asociación de aproximadamente 100 millones de años entre insectos llamados cochinillas y dos endosimbiontes bacterianos, uno anidado dentro del otro en células de cochinilla. (Los endosimbiontes producen aminoácidos esenciales que la cochinilla no puede obtener de su dieta).

Con base en el análisis genómico, McCutcheon y sus colegas encontraron que las vías metabólicas del piojo harinoso ahora son un mosaico compuesto de genes que se originaron con los propios insectos, vinieron con sus endosimbiontes o fueron recogidos por transferencia horizontal de otros microbios en el medio ambiente. .

El equipo de McCutcheon demostró que para que esto funcionara, las células del piojo harinoso tenían que desarrollar un aparato que transportara proteínas de un lado a otro entre lo que alguna vez fueron organismos independientes, lo que permitió que las células del piojo harinoso viajaran a través de dos conjuntos de membranas endosimbiontes para que las usara el endosimbionte más interno.

Algo similar ocurre en un eucariota unicelular parecido a una ameba llamado Paulinella. Paulinella tiene un endosimbionte, tragado hace decenas de millones de años, que le permite recolectar energía de la luz solar sin la orgánulos de cloroplasto que generalmente alimentan la fotosíntesis. eva nockquien dirige un laboratorio en la Universidad de Dusseldorf, Alemania, encontró que PaulinellaEl genoma ahora contiene genes del endosimbionte junto con otros que se adquirieron a través de la transferencia horizontal de genes.

En particular, el endosimbionte importaciones más de 400 proteínas huésped, por lo que también debe haber desarrollado un complicado sistema de transporte de proteínas como las cochinillas harinosas. “Esto es muy emocionante”, dice evolucionista molecular andré rogerquien estudia la evolución de los orgánulos en la Universidad de Dalhousie en Halifax, Canadá, porque sugiere que la evolución de estos sistemas de transporte de novo no es tan difícil como se pensaba anteriormente.

Estos ejemplos ilustran cómo los endosimbiontes se integran con sus anfitriones y sugieren que las transferencias horizontales de genes desde varias fuentes también pueden haber sido bastante frecuentes en la evolución temprana de los eucariotas. «No muestra que eso fue lo que sucedió en la formación de las mitocondrias, pero sí muestra que es posible», dice McCutcheon.

Otros están de acuerdo. “Hay mucha evidencia sólida de transferencia horizontal de genes en eucariotas, por lo que realmente no hay razón para decir que esto no pudo haber ocurrido durante el período de transición procariota-eucariota. De hecho, es casi seguro que lo hizo”, dice Roger.

comprando genes

La implicación es que el antiguo anfitrión podría haber adquirido gradualmente rasgos eucarióticos uno a la vez, como un comprador que pone artículos en una bolsa de compras, a través de transferencias genéticas horizontales o devorando una serie de endosimbiontes, explica. Juan Archibald, un genómico comparativo en la Universidad de Dalhousie. Algunos de estos genes recién adquiridos pueden haber sido útiles para el huésped, ya que desarrolló el resto de la maquinaria que se encuentra en las células eucariotas modernas.

Si es así, para cuando el huésped antiguo tragó el precursor mitocondrial, ya habría tenido muchas características eucariotas, tal vez incluyendo algunos orgánulos, los compartimentos internos rodeados por membranas, lo que significa que las mitocondrias no habrían sido el motor principal de la evolución eucariota, pero una adición tardía.

Pero a pesar de toda la evidencia que apoya la hipótesis gradualista de la evolución de los eucariotas, existen algunos motivos de duda. La primera es que estas endosimbiosis más recientes pueden no decirnos mucho sobre lo que sucedió durante el origen de los eucariotas; después de todo, en estos últimos casos, las células huésped modernas ya eran eucariotas.

“Estos ejemplos nos dicen lo fácil que es, una vez que se tiene una célula eucariota, establecer endosimbiosis intracelulares”, dice. Bill Martín, un biólogo evolutivo que estudia los orígenes de los eucariotas en la Universidad de Dusseldorf. Pero los eucariotas ya tienen toda la maquinaria intracelular necesaria para engullir otra célula. No está claro si el protoeucariota ancestral tenía esta capacidad, dice Martin, lo que haría que la barrera para esta primera endosimbiosis fuera mucho más alta. Esto, para él, es un argumento en contra de una evolución gradual de la célula eucariota.

De hecho, alguna evidencia sugiere que los principales rasgos eucarióticos se adquirieron todos a la vez en lugar de gradualmente. Todos los eucariotas tienen exactamente el mismo conjunto de orgánulos familiares para cualquiera que haya estudiado biología celular: núcleo, nucléolo, ribosomas, retículo endoplásmico rugoso y liso, aparato de Golgi, citoesqueleto, lisosoma y centriolo. (Las plantas y algunos otros eucariotas fotosintéticos tienen un cloroplasto extra, que todos están de acuerdo en que surgió a través de una endosimbiosis separada).

Esto sugiere fuertemente que los otros orgánulos se originaron aproximadamente al mismo tiempo; si no fue así, los diferentes linajes eucariotas deben haber tenido diferentes mezclas de orgánulos, dice. Jennifer Lippincott-Schwartzbiólogo celular en el Campus de Investigación Janelia del Instituto Médico Howard Hughes en Virginia.

Algunas pruebas bioquímicas también apuntan en esta dirección. El huésped ancestral y el endosimbionte pertenecían a diferentes ramas del árbol de la vida (arqueas y bacterias, respectivamente) que utilizan diferentes moléculas para construir sus membranas. Ninguna de las membranas de los orgánulos eucarióticos tiene una estructura arqueológica única, por lo que es poco probable que provengan de la célula huésped ancestral. Más bien, esto sugiere que el huésped arqueal era una célula relativamente simple que desarrolló sus otros orgánulos solo después de la llegada del ancestro mitocondrial.

Pero, ¿qué pasa con todos esos misteriosos genes extraños encontrados recientemente en el árbol genealógico de los eucariotas? Hay otra posible explicación, dice Martin. Todos estos genes extraños podrían haber llegado en un solo paquete con el endosimbionte que se convirtió en mitocondria. Más tarde, en los 1.500 millones de años que siguieron a este evento, estos genes podrían haberse propagado entre muchos grupos bacterianos, gracias a la facilidad con la que las bacterias intercambian genes. Esto daría la impresión errónea de que varios socios aportaron genes a los primeros eucariotas.

Además, agrega Martin, si la idea gradualista es correcta, los diferentes linajes de eucariotas deberían tener colecciones de genes medibles y fundamentalmente diferentes, pero mostró ellos no. “No hay evidencia que sugiera que hubo adquisiciones en serie”, dice Martin. “Una sola adquisición de mitocondrias en el origen de los eucariotas es suficiente”.

Es poco probable que el debate se resuelva pronto. “Es muy difícil encontrar datos que nos permitan distinguir claramente entre estas alternativas”, dice Roger. Pero si estudios posteriores de eucariotas primitivos oscuros revelaran algunos que tienen solo un subconjunto de orgánulos eucariotas, eso podría dar peso a la hipótesis gradualista. Por otro lado, si se encontrara evidencia de una forma en que una sola célula arqueal podría adquirir un endosimbionte, haría más plausible la hipótesis de las «mitocondrias tempranas».

“Las personas se sienten atraídas por las grandes preguntas, y cuanto más difíciles son de responder, más personas se sienten atraídas por ellas y las debaten”, dice Archibald. «Eso es lo que lo hace divertido».

Este artículo apareció originalmente en revista conocida, un esfuerzo periodístico independiente de Annual Reviews. regístrate para el Boletin informativo.