El genoma de Halimeda opuntia revela pistas sobre la formación de arrecifes y la adaptación climática
Un equipo de investigadores, entre los que se encuentra el profesor Senjie Lin del Departamento de Ciencias Marinas de la Universidad de Connecticut, ha secuenciado por primera vez el genoma de Halimeda opuntia y ha descubierto varios sorprendentes detalles sobre esta extraña y no tan pequeña alga.
Las algas con forma de cactus son únicas en muchos aspectos, dice Lin. Crecen como células individuales con muchos núcleos y son relativamente enormes en comparación con otros organismos unicelulares, alcanzando tamaños de hasta 30 cm de largo. Las algas viven en ecosistemas marinos tropicales donde la especie juega un importante papel en la construcción de arrecifes, pero de manera diferente a los corales.
El laboratorio de Lin estudia la genómica de criaturas marinas como los dinoflagelados y las diatomeas, y H. opuntia es la primera alga verde que han secuenciado. Lin y sus coautores estaban interesados en estudiar el genoma de la especie para tratar de entender cómo y por qué evolucionó hasta tener estas características únicas.
"Es una secuenciación y ensamblaje de alta calidad, y pudimos reconstruir las estructuras de los cromosomas y encontrar qué tipo de funciones albergan en el genoma", dice Lin. "H. opuntia es única, porque generalmente cuando piensas en un organismo, se trata de uno unicelular o multicelular, pero en ambos casos son uninucleados, lo que significa que una célula tendría un solo núcleo".
El núcleo de una célula se divide normalmente en un proceso llamado mitosis, donde el material genético se duplica y se divide uniformemente antes de que una sola célula se convierta en dos, luego dos células se conviertan en cuatro, y así sucesivamente. Este proceso se controla cuidadosamente y utiliza muchas proteínas especializadas para garantizar que todo transcurra sin problemas y que el núcleo no inicie el proceso de división hasta que se complete la división celular.
Los investigadores descubrieron que en el genoma de H. opuntia falta el gen de una importante proteína que ayuda a posicionar el contenido celular antes de la división celular. Los resultados arrojan luz sobre algunas desconcertantes cuestiones, como por ejemplo cómo H. opuntia crece hasta convertirse en células relativamente gigantes que contienen tantos núcleos.
"Descubrimos que en el genoma de H. opuntia tienen todas las miosinas, excepto la miosina VIII", dice Lin. "Hemos revisado los genomas de otros organismos y hemos descubierto que otras especies de organismos unicelulares y multinucleados también carecen de esta proteína, lo que sugiere que la ausencia de este gen al menos contribuye, si no es la única razón, a la formación de la peculiar forma de un organismo".
Imagen derecha: Aquí se muestra una célula de Halimeda opuntia, que es relativamente gigantesca para un alga.
Este fue un emocionante hallazgo y acercó a los investigadores un paso más a la comprensión de algunas de las cualidades únicas de H. opuntia. La siguiente pieza del rompecabezas en la que se centraron fue el momento evolutivo de algunas de estas peculiaridades genéticas.
"Cuando miramos más de cerca, descubrimos que durante la evolución, el genoma de Halimeda se duplicó y parece haberse segregado en cuatro subgenomas. Cuando analizamos la cronología de esta evolución, descubrimos que todos los eventos de duplicación del genoma parecían ocurrir cuando había un importante cambio en el nivel del mar y el clima".
Lin explica que esto es consistente con hallazgos previos que mostraron que los genomas a veces se duplican como una forma de que los organismos se adapten a condiciones estresantes.
"Es posible que Halimeda haya duplicado su genoma para aumentar o incrementar la capacidad de hacer frente al estrés del cambio climático".
El siguiente aspecto de esta peculiar alga en el que se centraron los investigadores fue la capacidad de procesar el calcio del entorno en carbonato de calcio, pero de una forma totalmente diferente a cómo realizan esta tarea organismos como los bivalvos o los corales.
"En la mayoría de los casos, la calcificación se produce dentro de la célula de los organismos, pero estas algas no lo hacen. Se calcifican fuera de la célula, donde forman una estructura que es como una pequeña bolsa llamada espacio interutricular, donde se produce la calcificación".
Imagen: Una zona de algas Halimeda opuntia en Pickles Reef, Florida Keys
Lin explica que el bolsillo presenta una fascinante y especialmente útil adaptación cuando pensamos en el océano actual, porque, a medida que aumenta el CO2 atmosférico, el océano absorbe más carbono, lo que hace que se vuelva más ácido. Este cambio de pH, junto con el calentamiento de las aguas, crea condiciones desfavorables para la calcificación, amenazando los arrecifes de coral de todo el mundo.
"Cuando pensamos en por qué forman la bolsa, significa que pueden crear un entorno para mantener el pH relativamente estable a través de la fotosíntesis activa y otros mecanismos desconocidos", dice Lin. "Toman calcio del entorno y lo exportan fuera de la célula para formar la estructura de calcita que protegerá y ciertamente fortalecerá la superficie celular, y también sostendrá la estructura característicamente larga del cuerpo celular".
El problema de hacer esto, dice Lin, es que ahora el cuerpo celular está un poco desgarbado y frágil, por lo que cualquier turbulencia en el agua hace que partes de la célula se rompan. Esto nos lleva a la siguiente pieza del rompecabezas. Generalmente, cuando una sola célula se rompe, muere, pero eso no sucede con H. opuntia, porque las partes que se rompen pueden regenerarse.
"Observamos nuevamente el genoma para saber cómo se regenera Halimeda y ver qué tipo de mecanismo tienen para hacerlo. Lo que encontramos fueron genes similares a los que se observan en los procesos de cicatrización de heridas en las plantas, por lo que parece que tienen un conjunto de herramientas moleculares para realizar esta cicatrización de heridas. Esta ruptura y regeneración también parece ser su forma de reproducción, porque un fragmento puede crecer nuevamente y convertirse en un cuerpo celular completo".
Lins dice que la colaboración continúa porque todavía hay preguntas por responder, y muchas son oportunas, considerando la urgencia del cambio climático.
"Puede tener implicaciones para la conservación de los corales, tal vez incluso para la medicina en la curación o la regeneración de tejidos, pero por ahora, todavía sabemos muy poco", dice Lin. "Una cosa que nos gustaría abordar de inmediato es si Halimeda mantiene una relación entre el tamaño de sus células y el tamaño de su genoma similar a la de otros organismos y si existe alguna función diferencial de estos subgenomas o núcleos diferentes, y cómo contribuyen al proceso de regeneración".
"Dado que estamos tan preocupados por el cambio climático, los datos sobre la evolución del genoma nos brindan elementos para seguir pensando en si veremos más cambios en el genoma de otros organismos como los que vemos en esta alga. Aún queda mucho por estudiar".
Los hallazgos se publican en Proceedings of the National Academy of Sciences: Genome of Halimeda opuntia reveals differentiation of subgenomes and molecular bases of multinucleation and calcification in algae