8 de agosto de 2019
La paciencia demostró que el ingrediente clave de lo que dicen los investigadores puede ser un descubrimiento importante sobre cómo evolucionó la vida compleja. Después de 12 años de intentarlo, un equipo en Japón ha desarrollado un organismo a partir del lodo en el fondo marino que, según dicen, podría explicar cómo los microbios simples evolucionaron en eucariotas más sofisticados. Los eucariotas son el grupo que incluye humanos, otros animales, plantas y muchos organismos unicelulares. El microbio puede producir apéndices ramificados, que pueden haberlo ayudado a acorralar y envolver las bacterias que lo ayudaron, y, eventualmente, a todos los eucariotas, a prosperar en un mundo lleno de oxígeno.
"Este es el trabajo que muchas personas en el campo han estado esperando", dice Thijs Ettema, un microbiólogo evolutivo de la Universidad de Wageningen en los Países Bajos. El hallazgo aún no se ha publicado en una revista revisada por pares, pero en Twitter, otros científicos que revisan una preimpresión ya lo han aclamado como el "artículo del año" y el "alunizaje para la ecología microbiana".
El árbol de la vida tiene tres ramas principales: las bacterias y las arqueas forman dos, los cuales son microbios que carecen de núcleos y mitocondrias, compartimentos unidos a la membrana para almacenar ADN o generar energía, respectivamente. Esos componentes, u orgánulos, caracterizan las células de la tercera rama, los eucariotas. El pensamiento predominante es que hace aproximadamente 2 mil millones de años, un microbio perteneciente a un grupo llamado arquea Asgard absorbió una bacteria llamada alfaproteobacterium, que se instaló en el interior y se convirtió en mitocondrias, produciendo energía para su huésped al consumir oxígeno como combustible. Pero aislar y cultivar Asgard archaea ha resultado ser un desafío, ya que tienden a vivir en entornos inhóspitos como el lodo de las profundidades marinas. También crecen muy lentamente, por lo que son difíciles de detectar.
Pero Hiroyuki Imachi y Ken Takai, microbiólogos de la Agencia de Japón para la Ciencia y Tecnología de la Tierra Marina en Yokosuka, y sus colegas han persistido en tratar de hacer crecer un microbio de un núcleo del fondo marino que un sumergible surgió de una inmersión en 2006. Para 2000 días, mantuvieron el lodo del Omine Ridge de 2500 metros de profundidad en la costa de Japón en biorreactores alimentados continuamente con metano, que es un gas común en el lodo de las profundidades marinas. Luego, los investigadores incubaron pequeñas muestras de lodo cargado de microbios en tubos de vidrio provistos de una amplia variedad de nutrientes y otras sustancias. Un año después, detectaron microbios en uno de los tubos, que también contenía cuatro antibióticos para matar cualquier bacteria contaminante.
Los análisis de ADN de las muestras del tubo indicaron que incluía un arqueón Asgard, el microbio que esperaban crecer. Los números de este microbio tardaron aproximadamente 20 días en duplicarse (las bacterias comúnmente se duplican en menos de una hora), pero finalmente obtuvieron suficiente organismo para estudiarlo. "Fue realmente una tarea gigantesca", dice David Baum, un biólogo evolutivo de la Universidad de Wisconsin en Madison, que no participó en el trabajo.
Los investigadores japoneses, a quienes no se pudo contactar de inmediato para hacer comentarios, llamaron al microbio Prometheoarchaeum syntrophicum , en honor al dios griego Prometeo, que creó a los humanos del barro. Los experimentos con este organismo unicelular sugieren que, por lo general, si no siempre, crece en asociación con otro microbio que produce metano, Imachi, Takai y sus colegas informan hoy en una preimpresión en bioRxiv. Los investigadores descubrieron además que Prometheoarchaeum descompone los aminoácidos de los alimentos y libera hidrógeno, que alimenta a su compañero. Ese metano a su vez ayuda a Prometheoarchaeum a prosperar al masticar el hidrógeno, dicen los investigadores; una acumulación de hidrógeno podría causar un crecimiento aún más lento de Prometheoarchaeum. La asociación compleja es otra razón por la cual las arcahaea de Asgard son tan difíciles de cultivar en el laboratorio.
Los investigadores secuenciaron todo el ADN del microbio, confirmando que contiene algunos genes que se parecen a los que se encuentran en los eucariotas. (Cuando Ettema reconstruyó un genoma asgardiano de una amplia muestra de ADN, encontró lo mismo, pero los escépticos se preguntaron si los genes eran contaminantes). Es como si Prometheoarchaeum "estuviera preparado para convertirse en eucariotas", dice Ettema.
Habiendo desarrollado el microbio, los investigadores usaron un microscopio electrónico para obtener imágenes, revelando múltiples apéndices ramificados. El equipo plantea la hipótesis de que, hace eones, un arqueón rodeó el protomitocondrio y lo puso a trabajar. Los investigadores proponen que a medida que la concentración de oxígeno aumentó en la Tierra primitiva, las arqueas como Prometheoarchaeum tomaron parejas que usan oxígeno y obtuvieron mejores resultados que otros microbios.
"Esto es exactamente lo que predijimos", dice Baum. En 2014, él y un colega publicaron una teoría similar "de adentro hacia afuera". Anteriormente, la mayoría de los investigadores habían asumido que las mitocondrias fueron introducidas en sus anfitriones arqueales, la teoría del "afuera hacia adentro", con el núcleo y las membranas internas de la célula evolucionando a partir de componentes engullidos. Los apéndices del microbio recién cultivado sugieren lo contrario. Estos apéndices rodearon la protomitocondrión y sus membranas dieron lugar a las internas.
Ettema advierte que el antepasado arqueológico de las células eucariotas que vivieron hace 2.000 millones de años puede no haber parecido y haber actuado como Prometheoarchaeum . Además, los estudios de ADN indican que otras arqueas están más estrechamente relacionadas con los eucariotas que esta. Sin embargo, espera que los 12 años que el equipo japonés se dedicó a cultivar este microbio lo ayude a él y a otros a aislar y cultivar arqueas relacionadas en el laboratorio: "Estoy seguro de que no llevará 12 años lograr que el próximo Asgard entre en la cultura". "
Por impresionante que sea el trabajo, el cultivo de este Asgard, u otros, no responde si hay dos reinos o tres, dice Patrick Forterre, un microbiólogo del Instituto Pasteur en París. Basado en los extensos estudios de ADN de los microbios de su grupo, Forterre argumenta que las arqueas de Asgard no son parientes cercanos de los eucariotas y que los genes similares a los eucariotas fueron tomados de los ancestros eucariotas reales, que evolucionaron de un ancestro común a las arqueas y eucariotas. "No se ven como [una] célula 'intermedia' entre procariota y eucariota, sino 100% como un arqueón clásico (pero muy pequeño)", escribió en un correo electrónico.
Pero incluso si Asgard arcahea no demuestra ser el antepasado de los eucariotas, el nuevo trabajo "revela todo tipo de biología emocionante", dice Willem van Schaik, un microbiólogo de la Universidad de Birmingham en el Reino Unido. "Parece que esto entrará en los libros de texto microbianos de inmediato".
Publicado en:
• Biología
doi: 10.1126 / science.aaz0650
