12 minute read
El desconcertante
BIOLOGÍA
AGE En esta imagen tomada con microscopio electrónico de la arquea Pyrococcus furiosus pueden apreciarse sus flagelos, los filamentos con los que se desplazan.
DESCONCIERTO ENTRE NUESTROS ANCESTROS
Hasta ahora, los científicos creían que los primeros pobladores de la Tierra se dividían en tres ramas: los eucariotas, que forman la vida compleja; las más sencillas bacterias; y un tipo de microbios, también elementales y poco conocidos, llamados arqueas. Nuevos hallazgos han situado a estas últimas en el centro del escenario: ¿y si descendiéramos en realidad de ellas?
Texto de
COLIN BARRAS / @NEW SCIENTIST
Hasta los dioses tenían problemas en sus relaciones con Loki, el dios del engaño en la mitología nórdica; habría sido temerario atraer al legendario intrigante al mundo de la ciencia moderna. Pero esto es lo que hizo un grupo de investigadores en 2008. Les había costado lo suyo encontrar un grupo de fuentes hidrotermales situadas en el fondo del mar de Noruega, porque la huella de calor que emitía aparentemente no paraba de moverse. Cuando por fin dieron con las escurridizas agujas rocosas, pensaron que sería apropiado bautizarlas con el nombre de Castillo de Loki, en referencia a la habilidad de este personaje para cambiar de forma. Pronto, los habitantes más diminutos del castillo empezaron también a crear problemas. Los extraños microbios que viven allí –bautizados por los investigadores, inevitablemente, como lokis– están arrojando luz sobre uno de los mayores misterios de la evolución: el origen de la vida compleja. Más aún, han reabierto el debate sobre la estructura del árbol de la vida, una de las principales maneras en que la biología describe el surgimiento de los seres vivos en la Tierra, con implicaciones para todos nosotros. El descubrimiento de los lokis puede dejar a la humanidad estrechamente ligada a un peculiar grupo de organismos unicelulares llamados arqueas (Archaea), lo que redefiniría radicalmente a nuestra especie.
LOS LIBROS DE TEXTO AFIRMAN QUE, TRAS LA APA-
RICIÓN DE LAS CÉLULAS BIOLÓGICAS en la Tierra hace más de 3500 millones de años, la vida se escindió en tres ramas diferenciadas. Una de ellas lleva a las bacterias, organismos unicelulares visibles solo a través del microscopio. Otra conduce a unos microbios igualmente simples, pero biológicamente distintos, llamados arqueas. Y la última ramificación desemboca en seres más complejos llamados eucariotas, un grupo donde se incluyen los humanos, los árboles y los hongos, y cuyos integrantes se diferencian de sus elementales primos porque tienen células con intrincadas estructuras internas, incluido un núcleo.
Mucho antes de que se encontraran los lokis, ya habían surgido dudas sobre esta descripción de la vida. Empezaron con el descubrimiento de un nuevo tipo de ar-
103
Las fuentes hidrotermales submarinas –en la foto, una situada en el Pacífico– son un caldo de cultivo ideal para que proliferen las arqueas, capaces de sobrevivir en condiciones ambientales muy extremas.
AGE
queas identificado por primera vez en unas aguas termales sulfurosas de Italia, en los años ochenta. Estos organismos, llamados crenarqueotas, sulfobacterias o eocitos, parecían compartir rasgos celulares con los eucariotas, lo cual resultaba extraño. Hasta entonces, ambos tipos de seres vivos habían sido considerados distintos.
Dichas similitudes sugirieron una conexión evolutiva entre las arqueas y los eucariotas. James Lake, de la Universidad de California en Los Ángeles (EE. UU.), propuso a partir de esta idea una versión alternativa del árbol de la vida. Lake argumentaba que la biología celular comenzó en realidad como una simple bifurcación, y que solo existirían dos grandes dominios: las bacterias y las arqueas.
OTRA DE LAS IMPLICACIONES DE LA IDEA DE LAKE ES
QUE LOS EUCARIOTAS serían entonces una rama evolutiva dentro de las arqueas, de modo muy parecido a cómo los biólogos aceptan ahora que las aves son una rama evolutiva dentro de los dinosaurios. Un gorrión no se parece mucho a un braquiosaurio, pero técnicamente es un dino. Del mismo modo, William Shakespeare o Albert Einstein pueden tener aparentemente poco en común con unos microbios productores de metano que viven en ciénagas y lodazales, pero en el escenario propuesto por Lake todos son –somos–, técnicamente, arqueas.
Conocida como la hipótesis del eocito, es difícil encontrar la mención a esta idea en libros de texto y manuales. “Ha sido en gran medida ignorada. Nunca he entendido realmente por qué”, dice Martin Embley, de la Universidad de Newcastle (Inglaterra).
Hace una década, Embley y sus colegas reconsideraron el argumento de Lake. Uno de los problemas a los que se enfrentan las investigaciones sobre los orígenes de la vida es que los organismos existentes hace miles de millones de años hace mucho que desaparecieron. Eso obliga a que los avances se sustenten en la biología de seres vivos actuales, como han hecho Embley y su equipo, que analizaron decenas de genes de bacterias, arqueas y eucariotas actuales. Para su sorpresa, el resultado era claramente favorable a la hipótesis del eocito, con un árbol de solo dos dominios.
No todo el mundo estaba preparado para semejante revolución. “Nunca he sufrido un proceso de revisión tan duro como el de ese artículo. Lo que me resultó extraño fue que no se argumentaba que estuviéramos equivocados por alguna razón específica; simplemente, no se creyeron nuestros resultados”, recuerda Embley.
Para ser justos, dice el experto británico, reconstruir acontecimientos evolutivos que pudieron tener lugar hace más de 3500 millones de años no resulta sencillo. Y la tarea se vuelve aún más difícil porque organismos de distintos dominios habitualmente inter-
ETTEMALAB
Los hallazgos del investigador neerlandés Thijs Ettema han dado argumentos a quienes otorgan un papel fundamental a las arqueas en la evolución de la vida terrestre.
cambian fragmentos de ADN en horizontal –es decir, se absorben, en lugar de heredarse–.
Según Embley, podemos comprender mejor la forma del árbol de la vida si nos fijamos en un subconjunto de genes que parezcan especialmente difíciles de intercambiar de ese modo. Algunas enzimas, por ejemplo, interactúan dentro de la célula con una variedad tan grande de otras moléculas que los microbios no pueden intercambiar fácilmente su versión por una que se encuentre en un microorganismo no relacionado. El resultado es que los genes que fabrican dichas enzimas oponen resistencia a la transferencia horizontal. Embley explica que, a medida que los investigadores han empezado a adoptar este enfoque más matizado, el árbol de dos dominios ha ido cosechando una mayor aceptación. “Ahora se está empezando a pensar que el árbol de dos dominios es el escenario más plausible”, dice.
PERO, PARA RESULTAR DE VERDAD CONVINCENTES, LOS PARTIDARIOS DE LA
HIPÓTESIS DEL EOCITO necesitaban esgrimir un descubrimiento simbólico: algo equivalente a los fósiles de dinosaurios con plumas descubiertos en los noventa, que consiguieron por fin convencer a muchos indecisos de la existencia de un eslabón entre aves y dinosaurios. Y es aquí donde los lokis entran en escena.
Thijs Ettema, actualmente en la Wageningen University & Research (Países Bajos), secuenció junto a otros investigadores el ADN recogido en los lodos del fondo marino cercano al Castillo de Loki. Parte de él pertenecía a microbios que parecían ser arqueas, pero que también contenían decenas de genes previamente considerados como exclusivos de los eucariotas. Podían considerarse el equivalente arquea–eucariota de los dinosaurios con plumas. En otras palabras, los lokis eran el eslabón perdido que mostraba cómo algunas arqueas habían evolucionado hasta ser mucho más complejas y convertirse en los primeros seres eucariotas. “La verdad es que preveíamos hacer semejante descubrimiento. Es apasionante”, confiesa Ettema.
LOS ‘LOKIS’, OFICIALMENTE AGRUPADOS EN EL FILO
LOKIARCHAEOTA, tienen sus propias versiones de los genes que ayudan a los eucariotas a construir compartimentos delimitados por membranas dentro de las células. Sin esos habitáculos, las células eucariotas carecerían de su rasgo más determinante: el citado núcleo.
Dentro del típico genoma loki, hay también versiones del ADN que permiten a las células eucariotas a tragar microbios más pequeños. Y este puede ser otro descubrimiento importante. Muchos biólogos piensan que los organismos eucariotas crecieron y se hicieron más complejos porque sus células incluyen orgánulos productores de energía llamados mitocondrias, y una idea fundamental es que dichos componentes eran originalmente bacterias más pequeñas ingeridas por las eucariotas primitivas.
Todos estos descubrimientos están en consonancia con la idea de los dos dominios. “Quizá tenemos que acostumbrarnos a la idea de que somos un peculiar grupo de arqueas”, resume Ettema.
Desde 2015, se han encontrado microbios similares a los lokis por todo el mundo: en lagos de Rumanía, en tapetes microbianos de Australia, en fuentes hidrotermales neozelandesas y en el Parque Nacional de Yellowstone, en Estados Unidos. Cada grupo lleva el nombre de un personaje de la mitología nórdica, que, colectivamente, han dado lugar a la denominación de arqueas de Asgard.
Las arqueas ‘lokis’ tienen genes como los que usan nuestras células eucariotas para tener núcleo y fagocitar otros microorganismos
105
UNA ASOCIACIÓN FELIZ
Cada vez hay más pruebas para sostener la idea de que las células eucariotas nacieron cuando las arqueas de la variedad Asgard se zamparon literalmente una bacteria. Esta proceso de fagocitosis sería el origen de las mitocondrias, componentes internos de los organismos eucariotas que le suministran la energía.
Sistema primitivo de membranas internas Citoesqueleto (conjunto de filamentos que dan soporte interno a la célula) primitivo ¿Interacción mediada por el citoesqueleto? Mitocondria Núcleo
Otras arqueas Arquea Asgard
ADN
Profilina (proteína)
Bacteria Citoesqueleto
Último ancestro arqueano de los eucariotas Eucariota
Membranas internas
ÁRBOLES DE VIDA
Si finalmente se demuestra el proceso evolutivo descrito arriba, entonces habría que sustituir el tradicional esquema de tres ramas o dominios de vida primigenia por otro de dos.
TRES DOMINIOS
EUCARIOTAS
Animales, plantas, hongos y otras formas de vida compleja BACTERIAS
Organimos unicelulares sin núcleo
DOS DOMINIOS
Visto de esta manera, los eucariotas pasan a ser una rama de la gran estirpe de las arqueas
Arqueas Asgard
ARQUEAS
Microbios sin núcleo, a menudo encontrados en ambientes extremos
Incluso algunos investigadores que han mostrado sus reservas sobre la idea de los dos dominios están dispuestos a aceptar que los lokis –y, de forma más amplia, las arqueas de Asgard– están estrechamente relacionados con los eucariotas. Entre ellos se encuentra Gregory Fournier, del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), quien, no obstante, advierte de la importancia de comprender que esa conexión no supone que por fuerza haya que reducir el árbol de la vida de tres a dos ramas. microbios de Asgard tuvieran una apariencia similar a la de las arqueas, cuando en realidad se encontraban en un primer estadio del camino hacia los eucariotas. En este escenario, los microorganismos de Asgard seguirían siendo compatibles con el tradicional árbol de tres dominios.
Un estudio más detallado de ellos podría ayudar a establecer sin lugar a dudas si son realmente arqueas. La identificación de estos microorganismos se realizó por primera vez uniendo fragmentos de su ADN, pero,
JAMSTEC Bajo estas líneas, la arquea Prometheoarchaeum syntrophicum, cuyos apéndices en forma tentáculos sugieren su capacidad de atrapar otros microbios, clave para el surgimiento de las células eucariotas. Fue cultivada por biólogos japoneses a partir de las muestras recogidas por el sumergible tripulado Shinkai 6500 –izquierda– a 2500 metros de profundidad, en el litoral nipón.
IMACHI ET AL, BIOXRIV
en realidad, nunca se había visto todavía un microbio de Asgard vivo. El objetivo era, por tanto, cultivar uno en el laboratorio para poder observar adecuadamente su biología y comportamiento.
Hace dos años, Hiroyuki Imachi, de la Agencia Japonesa para la Ciencia y la Tecnología Marítimo Terrestres, y su equipo fueron los primeros en conseguir exactamente eso. Anunciaron que ha bían aislado y cultivado un tipo de microbio de Asgard recogido en el fondo marino cercano a la costa sur de Japón. En contra de la tendencia habitual, le dieron el nombre de Prometheoarchaeum syntrophicum, en referencia a una figura de la mitología griega en lugar de la nórdica.
SE TRATA DE UN MICROBIO MUY DIFÍCIL DE CULTIVAR Y DE CRECIMIENTO
ESPECIALMENTE LENTO. El equipo de Imachi comenzó el experimento hace catorce años, dos antes de que se descubriera el Castillo de Loki y con antelación aún mayor a que Ettema y su equipo cono cieran los lokis que allí vivían. A pesar de esta enrevesada crono logía, el Prometheoarchaeum syntrophicum es el primer microbio de Asgard cultivado. El artículo de Imachi, publicado en enero de 2020, recibió múltiples elogios ente los microbiólogos. “Es real mente fascinante tener por fin un loki cultivado”, dice Fournier. Según el estudio, el P. syntrophicum presenta unas protuberan cias muy extrañas que adoptan forma de tentáculos. La idea del equipo de Imachi es que esos apéndices pueden haber permitido que antiguos microbios similares a los de Asgard atraparan bacte rias y acabaran incorporándolas a sus células como mitocondrias, un proceso del que habrían salido a la luz las primeras células eu cariotas. El equipo ha demostrado asimismo que estos microbios tentaculares no viven aislados y que solo pueden crecer unidos a una pequeña comunidad de otros microor ganismos de los que dependen para sobre vivir. Esta estrecha colaboración puede ha ber llevado también a las especies de Asgard a incorporar a los microbios que les presta ban ayuda.
El descubrimiento del P. syntrophicum ayuda a reforzar la idea de que las criaturas de Asgard están estrechamente relaciona das con los eucariotas, pero no sirve para decidir si son realmente arqueas, afirma Fournier. En primer lugar, no se conoce ninguna arquea con protuberancias en for ma de tentáculos como los del P. syntrophi cum. Y luego está el problema de que se tra ta de un microbio de Asgard relativamente especializado. Parece evidente que se re quiere mucho más trabajo para resolver la cuestión. Fournier dice que es necesario cultivar especies de Asgard que se acerquen más a las primeras etapas de evolución del grupo, porque así será más fácil decidir si estos primitivos asgard son arqueas.
AL FINAL, LOS ‘LOKIS’ Y LOS ‘ASGARD’ PUEDEN
ANIMAR A LOS BIÓLOGOS a rechazar el árbol de tres dominios en favor de una versión de dos. Pero incluso si no conduce a un cambio tan radical, estos organismos recién des cubiertos sirven para seres los orígenes de formas de vida compleja, desde las amebas a nosotros mismos. Sin duda, el dios nórdi co de las travesuras aprobaría la revolución que los microbios con los que comparte nombre están provocando.
