updated 6:04 PM CET, Dec 8, 2016

Descubren ciclo de la urea, como en los animales, en diminutas diatomeas en el Océano

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diatomeas en Puget Sound, Washington

El ciclo permite al fitoplancton marino usar el carbono y el nitrógeno de su entorno

El ciclo de la urea se originó cientos de millones de años antes de la aparición de los metazoos (animales)

diatomea Phaeodactylum tricornutum Científicos han descubierto que las diatomeas marinas, pequeño fitoplancton abundante en el mar, tienen un ciclo de la urea como el de los animales, y que este ciclo permite a las diatomeas utilizar de manera eficiente el carbono y el nitrógeno de su entorno.

Los investigadores, del J. Craig Venter Institute (JCVI) y otras instituciones, publicaron sus hallazgos en la edición de la semana pasada de la revista Nature.

El equipo, dirigido por el autor Andrew Allen JCVI y co-autor Chris Bowler, del Instituto de Biología de la Ecole Normale Supérieure, de París, considera que el ciclo podría ser una razón por la dominación de diatomeas en ambientes marinos, sobre todo después de afloramientos de aguas profundas - el movimiento ascendente de aguas ricas en nutrientes de las profundidades del océano a la superficie.

En respuesta a un afloramiento marino, las diatomeas son capaces de recuperarse rápidamente de períodos prolongados de privación de nutrientes y proliferan rápidamente.

"Este estudio proporciona una visión fascinante de cómo las diatomeas han evolucionado para convertirse en los productores primarios dominantes en las muchas de las regiones oceánicas", dice David Garrison, director del programa de la División de Ciencias del Mar en la National Science Foundation (NSF), que financió la investigación junto con la división de Biociencias Moleculares y Celulares de la NSF.

esquema del ciclo de la urea en diatomeas marinas

Las diatomeas tienen paredes celulares únicas hechas de sílice. Ellas son organismos claves para la comprensión de la salud ambiental de los ecosistemas marinos, y son responsables de gran parte de la producción de carbono y oxígeno en el océano.

La fotosíntesis de diatomeas en los ambientes marinos también es responsable de aproximadamente una quinta parte del oxígeno en la atmósfera.

En la investigación anterior, Allen, Bowler y sus colegas secuenciaron en primer lugar el genoma de la diatomea pennada, Phaeodactylum tricornutum.

En esa investigación, desarrollaron nuevos métodos para determinar el origen de los genes de diatomeas. También analizaron el metabolismo de nutrientes en las diatomeas, comenzando con el metabolismo del hierro.

Basándose en ese trabajo, Allen y sus colegas exploraron la historia evolutiva de las diatomeas, específicamente de la P. tricornutum, y los mecanismos celulares para la utilización de nutrientes en el medio ambiente, lo que lleva a la conclusión de que las diatomeas tienen un ciclo funcional de la urea.

diatomea phaeodactylum tricornutum sobreexpresa proteina de urea

Este fue un descubrimiento sorprendente, dice Allen, porque se pensaba que el ciclo de la urea se originó en la rama de la vida de metazoos (animales).

Allí ha jugado un papel importante para facilitar una amplia gama de innovaciones fisiológicas en vertebrados.

Por ejemplo, la síntesis de urea permite un control rápido de los minerales y las sales en la sangre en los animales tales como tiburones, rayas y peces óseos, y la desintoxicación de amoníaco asociada a la retención de agua en los anfibios y los mamíferos.

Esta última fue probablemente un prerrequisito para la vida en la tierra, y, posteriormente, permitió a los caminos bioquímicos necesarios para el tratamiento con una dieta alta en proteínas.

Allen y otros han demostrado que el ciclo de la urea se originó cientos de millones de años antes de la aparición de los metazoos.

diatomea P. tricornutum

El equipo utilizó técnicas de interferencia de RNA para silenciar parcialmente una enzima clave en el ciclo de la urea de las diatomeas.

El co-autor del artículo Alisdair Fernie, del Instituto Max-Planck de Fisiología Molecular de Plantas evaluó el perfil de metabolitos de diatomeas, con y sin un ciclo de la urea afectada.

Luego Allen analizó los datos y encontró que los metabolitos del ciclo de la urea son fundamentales para el reciclaje  celular de carbono y nitrógeno.

Los metabolitos son también importantes para facilitar el rápido inicio de la característica de crecimiento exponencial de la recuperación de diatomeas por hambre de nutrientes.

"Parece que el ciclo de la urea de los animales, fundamentales para la exportación de desechos celulares de carbono y nitrógeno, fue co-optado por un camino ancestral que originalmente desarrollado como un programa de reciclaje de nitrógeno y de carbono y el mecanismo de recuperación", dice Allen.

"Este es un hallazgo muy interesante que no esperaba ver, y fundamentalmente cambia la forma en que vemos las diatomeas en relación con los animales y las plantas".

El trabajo también sugiere que las diatomeas han seguido un camino evolutivo fundamentalmente diferentes de las plantas - los productores de oxígeno dominante en ambientes terrestres, las algas verdes, y otros organismos estrechamente relacionados.

diatomeas de la Antártida

Por el contrario, antes de la adquisición evolutiva de la maquinaria fotosintética, los ancestros de las diatomeas estaban posiblemente más estrechamente relacionados con los antepasados de los animales que de las plantas.

Esta relación ha resultado que diatomeas y animales comparten algunas rutas bioquímicas similares, como el ciclo de la urea.

Aunque parece que los animales y las diatomeas en última instancia, utilizan el ciclo de la urea para diferentes propósitos, están evolutivamente vinculados de una manera que los animales y las plantas no lo están.

Junto a Allen, Bowler, Fernie y otros colegas de JCVI, Escuela Normal Superior y el Instituto Max-Planck, de Alemania,  investigadores del Centro de Biología de la ASCR, el Instituto de Parasitología y la Universidad de Bohemia del Sur, República Checa, la Universidad Federal de Viçosa, Brasil, y el Instituto de Hidrobiología de la Academia China de Ciencias, China, contribuyeron a este trabajo.

La investigación fue financiada también por el JCVI, la Comisión Europea sobre el proyecto DIATOMICS, la Agence Nationale de la Recherche en Francia, y la Fundación de Ciencias Checa.

Crédito imágenes:
Alessandra De Martino, Ecole Normale Superieure, Paris
Andrew Allen, JCVI, et al.
Dawn Moran, Woods Hole Oceanographic Instititution, and Andrew Allen, JCVI
Adrian Marchetti, University of Washington, and Andrew Allen, JCVI

Fuente: The National Science Foundation