La endosimbiosis solo ha ocurrido tres veces conocidas
Este evento increíblemente raro ocurrió entre un abundante tipo de alga marina y una bacteria
La evolución es un proceso bastante maravilloso y largo, con algunos estallidos aleatorios de actividad que son responsables de la diversidad de vida hoy en nuestro planeta. Esto puede ocurrir a gran escala, como ocurre con la evolución de extremidades más eficientes. También ocurre a nivel microscópico celular, como cuando se formaron por primera vez diferentes partes de la célula.
Ahora, un equipo de científicos ha detectado una señal de un importante acontecimiento vital que probablemente no ha ocurrido desde hace al menos mil millones de años. Han observado endosimbiosis primaria: dos formas de vida fusionándose en un organismo. Este evento increíblemente raro ocurrió entre un abundante tipo de alga marina y una bacteria que se observó en un laboratorio. En perspectiva, las plantas comenzaron a salpicar nuestro planeta la última vez que esto sucedió.
De dónde provienen la 'central eléctrica de la célula' y los cloroplastos
La endosimbiosis primaria ocurre cuando un organismo microbiano engulle a otro. Luego comienza a utilizar los organismos ingeridos como órgano interno. El anfitrión proporciona al organismo, ahora llamado endosimbionte, varios beneficios que incluyen nutrientes, energía y protección. Cuando ya no puede sobrevivir por sí solo, el endosimbionte engullido se convierte en un órgano para el anfitrión llamado orgánulo.
"Es muy raro que los orgánulos surjan de este tipo de cosas", dijo en un comunicado Tyler Coale, coautor del estudio en Cell y académico postdoctoral en la Universidad de California, Santa Cruz. "La primera vez que pensamos que sucedió, dio origen a toda la vida compleja".
La endosimbiosis en la que la forma de vida del anfitrión se vuelve fundamental para la función de otro organismo solo ha ocurrido tres veces conocidas. Todos estos casos supusieron grandes avances para la evolución, ya que la fusión con sus anfitriones se volvió fundamental para la existencia misma de los endosimbiontes.
El primer evento ocurrió hace aproximadamente 2.200 millones de años. Fue entonces cuando un organismo unicelular llamado arquea engulló una bacteria que eventualmente se convirtió en mitocondria. Este orgánulo especializado es lo que todo estudiante de biología aprende que es el "centro neurálgico de la célula" y su formación permitió que evolucionaran organismos complejos.
"Todo lo más complicado que una célula bacteriana debe su existencia a ese evento", dijo Coale. "Hace aproximadamente mil millones de años, sucedió nuevamente con el cloroplasto, y eso nos dio las plantas", dijo Coale.
Este segundo evento ocurrió cuando células más avanzadas absorbieron cianobacterias. Las cianobacterias pueden recolectar energía de la luz solar y eventualmente se convierten en orgánulos llamados cloroplastos que pueden recolectar energía de la luz solar. Los cloroplastos nos dieron otro principio fundamental de la biología: las plantas verdes que pueden producir alimento a partir del sol.
Con este último evento de endosimbiosis, es posible que las algas estén convirtiendo el nitrógeno de la atmósfera en amoníaco que pueden utilizar para otros procesos celulares. Sin embargo, se necesita la ayuda de una bacteria.
Imagen: Las compensaciones metabólicas limitan la proporción del tamaño de las células en una simbiosis fijadora de nitrógeno
¿Un nuevo orgánulo?
En el artículo publicado en Cell, un equipo de científicos muestra que este proceso está ocurriendo una vez más. Observaron una especie de alga llamada Braarudosphaera bigelowii. Las algas engullidas por una cianobacteria le dan una especie de superpoder vegetal. Puede "fijar" nitrógeno directamente del aire y combinarlo con otros elementos para formar compuestos más útiles. Esto es algo que las plantas normalmente no pueden hacer.
El nitrógeno es un nutriente muy importante para que exista la vida y las plantas normalmente lo obtienen a través de relaciones mutuas con las bacterias que permanecen separadas de la planta o algas. El equipo pensó primero que el alga B. bigelowii tenía este tipo de relación simbiótica con una bacteria llamada UCYN-A. En realidad, la relación se había vuelto mucho más estrecha y seria.
Descubrieron que la proporción de tamaño entre las algas y la bacteria UCYN-A sigue siendo similar en diferentes especies relacionadas con las algas B. bigelowii. El crecimiento parece estar controlado por un intercambio de nutrientes clave, que vincula sus metabolismos. Esta sincronización de las tasas de crecimiento llevó a los investigadores a llamar a UCYN-A similar a un orgánulo.
"Eso es exactamente lo que sucede con los orgánulos", dijo en un comunicado el coautor del estudio y oceanógrafo microbiano de la UC Santa Cruz, Jonathan Zehr. "Si nos fijamos en las mitocondrias y el cloroplasto, es lo mismo: crecen con la célula".
Presentando el nitroplasto
Para buscar más líneas de evidencia de que esta bacteria es un orgánulo, necesitaban mirar más profundamente en su interior. El estudio publicado en la revista Science utilizó imágenes de rayos X avanzadas para observar el interior de las células vivas del alga B. bigelowii. Reveló que la replicación y división celular estaba sincronizada entre el alga anfitriona y la bacteria UCYN-A. Proporcionó aún más evidencia de que este organismo fusiona el proceso de endosimbiosis primaria en funcionamiento.
"Hasta este artículo, todavía había una pregunta: ¿Sigue siendo un 'endosimbionte' o se ha convertido en un verdadero orgánulo?", dijo en un comunicado Carolyn Larabell, coautora del estudio y científica docente del Área de Biociencias del Laboratorio de Berkeley y directora del Centro Nacional de Tomografía de Rayos X. "Hemos demostrado con imágenes de rayos X que el proceso de replicación y división del alga anfitriona y el endosimbionte está sincronizado, lo que proporcionó la primera evidencia sólida".
Imagen: Estas imágenes, generadas por tomografía de rayos X 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 de las algas está representado en azul, las mitocondrias son verdes y los cloroplastos son lilas. CRÉDITO: Valentina Loconte/Berkeley Lab
También compararon las proteínas de las bacterias UCYN-A aisladas con las proteínas del interior de las células de las algas. El equipo descubrió que la bacteria aislada sólo puede producir aproximadamente la mitad de las proteínas que necesita. Necesita que su alga anfitriona le proporcione el resto de proteínas necesarias para vivir.
"Ésa 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 esos productos genéticos (o la proteína misma) sean transportados al interior de la célula".
El equipo cree que esto indica que UCYN-A puede considerarse un orgánulo completo. Le dieron el nombre de "nitroplasto" y potencialmente comenzó a evolucionar hace unos 100 millones de años. Si bien esto suena largo para nuestro sentido humano del tiempo, es apenas un milisegundo en el tiempo evolutivo en comparación con las mitocondrias y los cloroplastos.
Muchas otras preguntas sobre UCYN-A y su alga anfitriona siguen sin respuesta y el equipo también planea descubrir cómo funcionan UCYN-A y el alga y estudiar diferentes cepas. Un estudio más profundo de los nitroplastos también podría determinar si están presentes en otras células y cuáles pueden ser sus beneficios. Por ejemplo, podría tener amplias aplicaciones en la agricultura.
"Este sistema es una nueva perspectiva sobre la fijación de nitrógeno y podría proporcionar pistas sobre cómo se podría diseñar un orgánulo de este tipo en plantas de cultivo", dijo Coale.
Según Zehr, los científicos probablemente encontrarán otros organismos que tengan historias evolutivas similares a las de UCYN-A, pero este descubrimiento es "uno para los libros de texto".
Los resultados se describen en dos artículos publicados recientemente en las revistas Cell y Science:
• Metabolic trade-offs constrain the cell size ratio in a nitrogen-fixing symbiosis
• Nitrogen-fixing organelle in a marine alga
