Los orígenes de los eucariotas: una revolución en la clasificación de la vida

Los orígenes de los eucariotas: una revolución en la clasificación de la vida

Por :Rafael Rodríguez Tapia

¿Es el núcleo de los eucariotas de origen endosimbiótico?

Por Stephen Hart

Sumario:
La más reciente clasificación de la vida en la Tierra incluye tres dominios: Archaea, Bacteria (también llamado Eubacteria) y Eucariotas, cada uno de los cuales contiene un cierto número de reinos. La mayoría de los científicos aceptan en la actualidad que por lo menos las mitocondrias (que se encuentran en casi todos los eucariotas) y los cloroplastos (que se encuentran en todos los eucariotas fotosintéticos) descienden de bacterias absorbidas. Todavía se debate intensamente acerca de si el núcleo procede también de un proceso endosimbiótico. Hyman Hartman, un biólogo evolucionista del MIT se inclina a favor del núcleo como endosimbionte. “Digamos que es una hipótesis evidentemente interesante, aunque no cae bien”, dice Hartman. “Estoy intentando reavivarla, y creo que soy, de momento, su mejor abogado”. El último intento de Hartman, un artículo de febrero de 2002 publicado en Proceedings de la Academia Nacional de Ciencias, formula además otra pregunta: ¿Quién absorbió a quién?

Orígenes de los eucariotas

Mire a través del microscopio a una muestra de agua estancada y podrá ver lo mismo que vieron Antoine Van Leeuwenhoek o Robert Hooke a mediados del siglo diecisiete: diminutos organismos que se mueven, vibran y van de acá para allá. Estos organismos unicelulares aparecen en dos tamaños diferentes, y los más grandes son suficientemente grandes como para absorber a los más pequeños.

Estamos en un nuevo milenio, y los científicos todavía intentan comprender las relaciones evolutivas entre los diferentes tipos de células. Las pequeñas células que vio van Leeuwenhoek, simples puntos incluso a 300 aumentos, son los Archaea y las Bacterias.

Las células más grandes que nadan en el agua son en esencia similares a las células de los organismos multicelulares, incluyendo los humanos. Hacia 1820, cuando los científicos volvieron al estudio al microscopio de las células después de un hiato de unos cien años, descubrieron que las células de los organismos unicelulares de mayor tamaño, de las plantas de los hongos y de los animales, todas tenían una gran parte más o menos central que absorbía ciertas sustancias. Llamaron núcleo a esa parte, y a las células que lo tenían las llamaron eucariotas (“células con núcleo real”). La más reciente clasificación de la vida en la Tierra, entonces, incluye tres dominios: Archaea, Bacterias (también llamadas Eubacterias), y Eucariotas, cada uno de los cuales contiene un cierto número de dominios.

¿Cómo?

Los eucariotas como grupo contienen también otros llamados orgánulos, como las mitocondrias y los cloroplastos. Menos de cien años después del descubrimiento del núcleo, un científico ruso llamado Mereschowsky fue el primero en sugerir que por lo menos ciertos orgánulos, incluyendo el núcleo, evolucionaron desde las bacterias absorbidas por células tempranas.

La mayoría de los científicos acepta en la actualidad que por lo menos las mitocondrias (que se encuentra en casi todos los eucariotas) y los cloroplastos (que se encuentran en todos los eucariotas fotosintéticos) descienden de bacterias absorbidas. Todavía se debate intensamente acerca de si el núcleo procede también de un proceso endosimbiótico.

Hyman Hartman, un biólogo evolucionista del MIT se inclina a favor del núcleo como endosimbionte. “Digamos que es una hipótesis evidentemente interesante, aunque no cae bien”, dice Hartman. “Estoy intentando reavivarla, y creo que soy, de momento, su mejor abogado”.

El último intento de Hartman, un artículo de febrero de 2002 publicado en Proceedings de la Academia Nacional de Ciencias, formula además otra pregunta: ¿Quién absorbió a quién?

La absorción no es una tarea fácil. Los Archaea y las Bacterias no pueden hacerlo. Para “comer”, por lo general absorben nutrientes de su entorno, en ocasiones produciendo encimas digestivas para partir sustancias más complejas del entorno. No tienen nada del complejo aparato celular, el citoesqueleto, que hace posible a una célula el plegarse alrededor de otra célula. (En la reunión de mayo de la Sociedad de Microbiología, sin embargo, Cheryl Jenkins y James T. Staley, de la Universidad de Washington, presentaron un informe según el cual la bacteria Prostecobacter dejongeii tiene dos genes notablemente similares a los genes citoesqueletales de los eucariotas.)

Hartman postula un tipo de célula ancestral separado, que denomina Cronocito. Sugiere que un Cronocito (C) absorbió a un archaea (A) y a una bacteria (B) y formó un eucariota (E): E = A + B + C, haciendo que los eucariotas de hoy sean una combinación de esos tres tipos de células.

"No hay duda de que ha habido una B, porque la mitocondria y el cloroplasto proceden de la eubacteria. Y no hay duda de que ha habido una A, porque, de un modo muy básico, muchas de las proteínas con información proceden de los Archaea. Así que A + C no es suficiente, ni C + B es suficiente", dice Hartman.

En la publicación Proceedings de la NSA, Hartman presenta pruebas de su hipótesis ABC: un conjunto de proteínas eucarióticas que no se encuentra en ninguna bacteria ni archaea. Hartman encontró 347 proteínas que él y el coautor Alexei Federov, de Harvard, llaman proteínas de firma eucariótica. Entre estas se encuentran algunas asociadas al citoesqueleto, y eso ha llevado a Hartman a la conclusión de que el cronocito tenía el mecanismo necesario para absorber otras células.

Los datos obtenidos de este conjunto de proteínas y otras investigaciones han llevado a Hartman a pensar que el cronocito almacenaba su información genética en ARN y no en ADN. Ello ha proporcionado un mayor apoyo a su conjetura de que el núcleo eucariótico, una estructura basada en el ADN, surgió de la simbiosis de un cronocito y un archaea basado en el ADN.

Esta simbiosis desplazó los genes de un tipo de célula directamente hacia otro tipo de célula, un ejemplo de transferencia horizontal de genes. Las pruebas sugieren que el proceso simbiótico en el que los cronocitos capturaron a los archaea y a las bacterias sucedió hace unos dos mil millones de años. "Y eso coincide precisamente con la aparición del oxígeno en la atmósfera", dice Hartman. Mientras que nosotros prosperábamos en una atmósfera rica en oxígeno, ese gas era venenoso para muchos de los organismos de la Tierra cuando surgió la fotosíntesis. "Obligó a las células a la transferencia horizontal para combatir a este nuevo veneno, el oxígeno", dice.

¿Cuándo?

La llegada de la biología molecular supuso una revolución en la clasificación de los organismos. Con las nuevas herramientas para mirar a las moléculas, los biólogos empezaron a intentar imaginar las relaciones entre los organismos basadas no en el aspecto que éstos tenían, sino en secuencias de subunidades de sus proteínas y sus ácidos nucleicos. Un nuevo árbol de la vida surgió del trabajo de Carl Woese, en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, y otros.

Pero como cualquier nueva tecnología, la filogenia molecular necesita tiempo para madurar. El primer trabajo de Woese se basaba en una sola molécula de ARN encontrada en el mecanismo de la síntesis de proteínas de la célula. Y requería potencia computacional.

Jere Lipps, un paleontólogo de la University of California, Berkeley, observó los diagramas en árbol confeccionados por los filogenistas moleculares y detectó un problema. "Siempre noté un problema en ese árbol; y otros lo notaban. Y tenía que ver con el hecho de que en la base del árbol tenías a los Giarda y a otros varios grupos de parásitos de vertebrados. Y cuando lo vi por primera vez, pensé: caramba, eso no puede ser correcto, tiene que haber algo equivocado ahí".

El problema surge cuando los ordenadores calculan repetidamente las similitudes en las secuencias de proteínas o de ácidos nucleicos. Se le ha denominado "la atracción de las ramas largas": hace que los grupos parezcan más relacionados (es decir, más cercanos en el árbol) de lo que deberían estar.

Cuando Lipps ajustó el árbol para mostrar el surgimiento de los eucariotas y se deshizo de los artificios para compensar la "atracción de las ramas largas", el "árbol" se convirtió en un arbusto con un tallo largo. En lugar de muchos grupos bifurcándose secuencialmente, seguidos por un grupo final que lo coronaba, el nuevo diagrama parece más una única "explosión estelar", dice Lipps, con todos los eucariotas surgiendo en un periodo de tiempo geológicamente corto.

"Yo no la llamría explosión", dice Lipps. "Estoy seguro de que se dio lentamente, y que cada linaje evolucionó a diferente velocidad. No surgieron todos los linajes indepenientemente y al mismo tiempo".

Combinado con el registro geológico, este nuevo análisis sugiere que los eucariotas surgieron antes de lo que se habia supuesto, probablemente hace tanto como dos mil setecientos millones de años.

¿Y qué más?

El concepto de transferencia horizontal de genes ha pasado de ser una rareza observada en ciertos organismos a una fuerza maestra en la evolución. Los tres dominios tienen material genético que procede claramente de los otros dominios.

El genoma humano contiene genes de archaeas y de bacterias, y el genoma de un organismo que se creía primitivo, Thermotoga maritima, se vio que tenía una cuarta parte tomada de otros organismos.

El árbol de Woese necesitaba claramente ser pensado de nuevo tras la publicación de los resultados del Termotoga. "Carl Woese decidió entonces que con esa cantidad de transferencia genética horizontal, tenía que justificar ahora qué era un dominio", dice Hartman. "Buscó protéinas que fueran exclusivas de los Archaea, y eso fue lo que me dio la idea de buscar proteínas exclusivas de los eucariotas.

Lipps subraya que la filogenía molecular sigue siendo una disciplina por hacer. "Creo que la filogenia molecular necesita ser ajustada, porque nos dio una única topología basada en una única molécula o una parte de una molécula. La gente está intentando hacer esto con árboles más amplios, combinando los datos moleculares con la morfología y la estratigrafía que conocemos. Así que queda mucho por hacer, y todo ésto tiene que ser considerado tentativo en extremo. Todo lo que se ha propuesto es, a mi parecer, una hipótesis de trabajo, lo cual está bien porque es el modo en el que la ciencia trabaja. Creo que esta es una época emocionante en la biología evolutiva por la convergencia de paleontología, la biología molecular y un conjunto de enfoques tradicionales".