Ciencias

Los científicos son testigos de una evolución celular increíblemente rara. La última vez que sucedió esto, hace mil millones de años, aparecieron plantas.

Una imagen de microscopía óptica muestra las algas haptofitas marinas B.raarudosphaera bigelowii con una flecha negra que apunta al orgánulo nitroplasto. Crédito: Tyler Coale.

El nacimiento del nitroplasto

En un descubrimiento sin precedentes, los investigadores han documentado un raro salto evolutivo en el que una especie de alga absorbió una cianobacteria, fusionándose en un solo organismo. En el proceso, las cianobacterias se convirtieron en orgánulos. Este evento, conocido como endosimbiosis primaria, transformó las cianobacterias en una parte funcional de las algas, de manera similar a la forma en que los microbios antiguos se convirtieron en mitocondrias y cloroplastos, los generadores de energía de las plantas y animales actuales.

Este orgánulo recientemente identificado, llamado «nitroplasto», representa sólo el cuarto caso conocido de endosimbiosis primaria, en el que una célula procariótica más pequeña se absorbe y se convierte en parte integral de una célula eucariota más grande. El nuevo organismo dos en uno tiene la notable capacidad de extraer nitrógeno directamente del aire, una hazaña que sus antepasados ​​no pudieron lograr. La última vez que la evolución fue testigo de un evento de endosimbiosis primaria, hasta donde sabemos, surgieron las plantas.

Los nitroplastos evolucionaron a partir de una cianobacteria llamada Atelocianobacterias Thalassa (UCYN-A) siendo absorbido por algas unicelulares Braarudosphaera bigelowii. Este evento ocurrió hace apenas 100 millones de años, concluyeron recientemente los investigadores.

Lo que esto significa es que, a diferencia de las relaciones simbióticas típicas en las que las plantas dependen de bacterias externas para la fijación de nitrógeno, en B. bigelowii, esta característica está internalizada. Anteriormente se pensaba que sólo algunos procariotas, como las bacterias, tenían esta capacidad. B. bigelowii Es, hasta el momento, el único eucariota capaz de convertir el nitrógeno en amoníaco por sí solo.

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El sinuoso camino del descubrimiento

El camino hacia este descubrimiento no fue ni rápido ni directo. En 1998, Jonathan Zehr, profesor de ciencias marinas en la Universidad de California en Santa Cruz, encontró una secuencia de ADN que sugería la existencia de una cianobacteria fijadora de nitrógeno entonces desconocida en el Océano Pacífico. Esto marcó el inicio de una búsqueda en la que participaron numerosos investigadores de todos los continentes.

Kyoko Hagino, paleontóloga de la Universidad de Kochi en Japón, enfrentó un desafío paralelo mientras intentaba minuciosamente cultivar una especie de alga. Esta especie resultaría ser la huésped del misterioso organismo UCYN-A. Su éxito, después de más de 300 intentos fallidos anteriores, permitió a los científicos examinar UCYN-A y sus interacciones con su huésped en el laboratorio.

Según la investigación, la relación entre UCYN-A y sus algas hospedadoras se caracteriza por un intercambio sincronizado de nutrientes. Sus metabolismos están interconectados.

«Esto es exactamente lo que sucede con los orgánulos», dijo Zehr. «Si nos fijamos en las mitocondrias y el cloroplasto, es lo mismo: crecen con la célula».

Tomografía de rayos X suave que muestra algas en diferentes etapas de división celular.  UCYN-A, la entidad fijadora de nitrógeno que ahora se considera un orgánulo, es cian;  el núcleo del alga está representado en azul, las mitocondrias en verde y los cloroplastos en lila.  Crédito: Valentina Loconte/Berkeley LabTomografía de rayos X suave que muestra algas en diferentes etapas de división celular.  UCYN-A, la entidad fijadora de nitrógeno que ahora se considera un orgánulo, es cian;  el núcleo del alga está representado en azul, las mitocondrias en verde y los cloroplastos en lila.  Crédito: Valentina Loconte/Berkeley Lab
Estas imágenes, generadas por tomografía de rayos X suaves realizada por científicos del Laboratorio de Berkeley, muestran las algas en diferentes etapas de división celular. UCYN-A, la entidad fijadora de nitrógeno que ahora se considera un orgánulo, es cian; el núcleo del alga está representado en azul, las mitocondrias en verde y los cloroplastos en lila. Crédito: Valentina Loconte/Berkeley Lab.

Otra evidencia convincente provino de técnicas de imagen avanzadas desarrolladas por investigadores del Laboratorio de Berkeley. Utilizando un enfoque de tomografía de rayos X suaves, los científicos capturaron vívidamente la dinámica de los orgánulos durante la división celular. Las imágenes mostraron que UCYN-A está intrínsecamente ligada al proceso de las células de las algas.

Finalmente, los investigadores analizaron las composiciones proteicas de UCYN-A. Descubrieron que aproximadamente la mitad de las proteínas de UCYN-A se derivan del alga huésped. Estas proteínas del huésped están marcadas con una secuencia de aminoácidos que guía a la célula para transportarlas al nitroplasto.

«Esta es una de las características de algo que pasa de un endosimbionte a un orgánulo», dijo Zehr. «Empiezan a desechar trozos de ADN, y sus genomas se hacen cada vez más pequeños, y empiezan a depender de la célula madre para que estos productos genéticos (o la proteína misma) sean transportados al interior de la célula».

El orgánulo más nuevo de la naturaleza

Las conclusiones de estos esfuerzos internacionales a largo plazo, publicadas recientemente en Celúla Es Cienciailustran cómo UCYN-A evolucionó desde estar estrechamente asociado con un alga hasta convertirse en una parte integral de su estructura celular: un orgánulo.

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La aparición del nitroplasto es sólo el cuarto ejemplo conocido de endosimbiosis primaria. Los otros tres ejemplos son las mitocondrias (que se cree que se originaron a partir de la absorción de bacterias aeróbicas por una célula eucariota ancestral), los cloroplastos (que se originaron a partir de una célula huésped eucariota que engulló una cianobacteria fotosintética) y otra estructura similar a un cloroplasto llamada cromatóforo. Estos orgánulos evolucionaron hace más de mil millones de años.

El nitroplasto no sólo es importante para mejorar nuestra comprensión de la evolución celular, sino que también tiene implicaciones significativas para sistemas ecológicos y agrícolas más amplios.

La síntesis de fertilizantes a base de amoníaco a partir del nitrógeno atmosférico, iniciada a principios del siglo XX mediante el proceso Haber-Bosch, impulsó significativamente la productividad agrícola y el crecimiento de la población mundial. Sin embargo, este proceso también es responsable de aproximadamente 1,4% de las emisiones globales de carbono. Durante años, los científicos han explorado formas de aprovechar la fijación natural de nitrógeno en la agricultura para reducir la dependencia de los procesos industriales. El nitroplasto y sus capacidades podrían allanar el camino para nuevas tecnologías agrícolas sostenibles.

«Este sistema es una nueva perspectiva sobre la fijación de nitrógeno y podría proporcionar pistas sobre cómo un orgánulo de este tipo podría transformarse en plantas de cultivo», dijo Tyler Coale, becario postdoctoral en UC Santa Cruz y primer autor del nuevo estudio.

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Prudencia Febo

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