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Origen de Eukarya: problemas nucleares, soluciones vikingas

La vida sobre la Tierra se divide en tres grandes agrupaciones o dominios: Archaea, Bacteria y Eukarya. Los dos primeros son células sencillas, muy pequeñas, con el material genético libre en su interior y sin subestructuras internas. El tercer dominio, Eukarya, somos nosotros: células con núcleo y subestructuras especializadas llamadas orgánulos. Entre estos orgánulos destacan las mitocondrias, centrales de energía que nos permiten mantener este grado de complejidad.

El origen de Eukarya es uno de los grandes problemas de la biología. Representó un salto en complejidad muy brusco con respecto a los organismos que existían antes y, que sepamos, no se ha vuelto a repetir. A día de hoy todavía no tenemos muy claro cómo pasó, pero sí que sabemos que las mitocondrias son la clave. Las mitocondrias son descendientes de bacterias que comenzaron a vivir dentro de nuestras células, y el monstruo de Frankenstein celular resultante de esta fusión somos nosotros.

La forma en la que ocurrió este evento es una de las grandes incógnitas de la biología. Sin embargo, el descubrimiento de un grupo de arqueas con un parentesco muy cercano a Eukarya nos da la esperanza de resolverla. Estas arqueas tienen el magnífico nombre de Arqueas de Asgard por el hogar de los dioses nórdicos. Su parecido a nosotros sugiere que el origen de Eukarya es el resultado de la fusión de una arquea cercana a este grupo con el ancestro de las mitocondrias. El descubrimiento y cultivo en laboratorio de una Arquea de Asgard que forma asociaciones estrechas con bacterias nos está ayudando a entender el tipo de procesos que llevaron a la aparición del tipo de célula gracias al cual nuestra existencia es posible.

¿Qué es una célula con núcleo?

Las células con núcleo que nos componen tienen un grado de complejidad estructural mucho mayor que el de los otros dominios. Sus características más destacables son:

  • Un núcleo. Es decir, un compartimento especializado para guardar y proteger el material genético.
  • Un sistema de membranas internas que forman burbujitas dentro de la célula, compartimentos especializados en distintas funciones llamados orgánulos.
  • Un citoesqueleto dinámico. Un conjunto de vigas de proteína que sirve a la vez de soporte estructural, sistema muscular y trazado de ferrocarril para el transporte interno de sustancias.
  • La presencia de mitocondrias, calderas biológicas que generan la energía necesaria para mantener esta complejidad mediante la combustión de glucosa en presencia de oxígeno.

El problema de esta complejidad es que parece haber aparecido bruscamente. Además, el origen de Eukarya solo ocurrió una vez, no hay señales de bacterias o arqueas que hayan repetido el camino que lleva a la célula compleja. Así que, a falta de evidencia, no sabemos cómo ocurrió el evento al que le debemos nuestra existencia.

Una foto de dos células eucariotas con el citoesqueleto radiando desde el núcleo, visible gracias a tinción de fluorescencia.
Fuente: Torsten Wittmann (2011) CIL:240. CIL. Dataset. https://doi.org/doi:10.7295/W9CIL240

El problema del origen de Eukarya hasta 2015

Sabemos que las primeras células eucariotas internalizaron a una bacteria, ya sea debido a un proceso de simbiosis o intentando devorarla y fallando cuando tocaba digerirla. Estas bacterias, que ahora conocemos como mitocondrias, se acostumbraron a vivir dentro de nosotros y, con el tiempo, fueron especializándose en generar energía y delegaron el resto de funciones en nosotros, que heredamos de ellas los genes necesarios para realizarlas. Así que nuestro genoma, al igual que la quimera mitológica, está formado de pedazos de distintos orígenes. De esta forma, algunos de nuestros genes son parecidos a los de bacterias, otros parecen ser más cercanos a los de arqueas y, por último, algunos de ellos son exclusivos de Eukarya.

El origen de Eukarya presenta un problema parecido al del huevo y la gallina. La maquinaria celular de las células con núcleo requiere la energía que proveen las mitocondrias. Sin embargo, es precisamente esa maquinaria celular la que permite envolver e interiorizar (o fagocitar) cosas como las bacterias que dieron lugar a las mitocondrias. Así que:

  • Si la maquinaria celular llegó primero, ¿cómo pudo alcanzar ese nivel de complejidad sin mitocondrias? ¿Y para qué hacen falta las mitocondrias, entonces?
  • Si las mitocondrias llegaron primero, ¿cómo llegaron a integrarse con una arquea sin la existencia de una maquinaria celular previa que permitiese interiorizarlas?
Un ejemplo de una célula del sistema inmunitario, que usa su citoesqueleto para manipular su membrana con el fin de perseguir y devorar una bacteria que intenta escapar entre los glóbulos rojos.

El descubrimiento de las Lokiarqueas

En 2015, una publicación en la revista Nature dio un gran paso hacia la resolución de nuestro problema. El estudio se basaba en el análisis de una muestra de fondo marino mediante metagenómica, una técnica que permite analizar el conjunto de todo el ADN presente en una muestra con el fin de obtener una idea de la diversidad biológica que contiene y detectar organismos previamente desconocidos.

La muestra en cuestión era de sedimento marino obtenido a 3283 metros de profundidad cerca de la costa de Noruega y de una fumarola submarina conocida como Castillo de Loki, por el dios nórdico. En esta muestra se encontraron genomas de un tipo de arqueas nuevo que, al analizarlos, resultaron estar muy próximos a la parte arquea del genoma de Eukarya.

Además, los genes de estas arqueas contenían gran cantidad de genes parecidos a los que se pensaban exclusivos de Eukarya, incluyendo genes que codificaban proteínas implicadas en la formación del citoesqueleto y la internalización de objetos externos. Estas arqueas fueron bautizadas Lokiarqueas debido a su proximidad al Castillo de Loki.

Una visita al Castillo de Loki (Lokeslottet) y otros fascinantes parajes submarinos

Las Arqueas de Asgard y el origen de Eukarya

Pero pronto se descubrió que no eran las únicas. En un estudio posterior, se analizaron muestras de sedimento de otros lugares, como el Parque Nacional de Yellowstone, fumarolas en la costa de Japón o estuarios de río. Estos análisis revelaron la presencia de nuevas arqueas con un parentesco cercano con las Lokiarqueas y con Eukarya. Siguiendo la nomenclatura de dioses nórdicos, a estas arqueas se les pusieron nombres como Odinarqueas, Thorarqueas y Heimdallarqueas, y al conjunto se les puso el nombre de Arqueas de Asgard.

La evidencia genética, entonces, indicaba que el ancestro de nuestra parte arquea estaba emparentado con las Arqueas de Asgard. Además, sugería que antes de la llegada de las mitocondrias ya existía algún tipo de citoesqueleto ancestral con la maquinaria para manipular membranas, aunque fuera más simple que el nuestro. Sin embargo, todo lo que teníamos era evidencia indirecta, ADN recuperado del barro. Todavía no habíamos podido cultivar a nuestros primos vikingos en el laboratorio, por lo que no sabíamos cómo vivían ni qué aspecto tenían.

El cultivo de las Lokiarqueas

Finalmente, en 2020, después de mucho trabajo, un laboratorio japonés consiguió cultivar a un miembro de las Lokiarqueas. Lo que encontraron fue un organismo sencillo, que crecía despacio y necesitaba ambientes sin oxígeno. La arquea en cuestión convivía con cierto tipo de bacterias en una relación llamada sintrofía, en la que cada organismo usa productos del metabolismo del otro para alimentarse y crecer. Pero lo más interesante es que la Lokiarquea cultivada tenía una forma peculiar: su membrana emitía pequeños tentáculos que exploraban sus alrededores y «abrazaban» a sus compañeras bacterianas, optimizando la superficie de contacto y maximizando el intercambio de productos químicos.

Así que, en resumen, los tentáculos de membrana de esta Lokiarquea nos demuestran que existen maquinarias celulares que, aun sin ser tan impresionantes como las de Eukarya, permiten envolver a otros organismos sin necesidad de recurrir a mitocondrias. Nos sugieren que quizá descendemos de una arquea ancestral que abrazó al ancestro de nuestras mitocondrias en una relación de simbiosis que fue estrechándose con el tiempo hasta la fusión completa que vemos ahora. Por otro lado, nos hacen replantearnos seriamente el sistema de tres dominios y nos indican que quizá sólo haya dos: bacterias y arqueas. Según esta perspectiva, las células con núcleo no tendríamos dominio propio, sino que estaríamos clasificados dentro de arqueas, con las Arqueas de Asgard como nuestros primos más cercanos.

Un árbol de la vida creado usando análisis genéticos. Nosotros estaríamos abajo a la derecha en Opisthokonta, dentro de Archaea.

Fuente: Laura A. Hug, Brett J. Baker, Karthik Anantharaman, Christopher T. Brown, Alexander J. Probst, Cindy J. Castelle, Cristina N. Butterfield, Alex W. Hernsdorf, Yuki Amano, Kotaro Ise, Yohey Suzuki, Natasha Dudek, David A. Relman, Kari M. Finstad, Ronald Amundson, Brian C. Thomas and Jillian F. Banfield -http://www.nature.com/articles/nmicrobiol201648, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=48242514

 

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