Resumen: Científicos de la Universidad de Florida han demostrado una técnica para realizar una especie de arqueología bioquímica. A partir de la secuencia genética de microbios antiguos, han reconstruido las proteínas que guiaron una vida pasada, cuando la Tierra, aparentemente, pudo haber estado más caliente que hoy.|
basado en una entrevista de Astrobiology Magazine y en un informe de la Universidad de Florida
Hace mil millones de años, los ancestros de las bacterias actuales prosperaron en un ambiente similar al de una fuente termal de Yellowstone, lo que sugiere que la Tierra puede haber sido un lugar mucho más cálido en el tiempo en el que la vida se originó.
Así dicen dos científicos de la Universidad de Florida que han utilizado las técnicas recientemente desarrolladas de 'paleobioquímica' para reconstruir antiguas proteínas bacterianas basándose en las similitudes con las secuencias genéticas de proteínas modernas. Se comprobó que las proteínas resucitadas eran más estables y funcionales a temperaturas entre 55ºC y 65ºC, lo que implica que las bacterias antiguas vivían en una sopa termal más caliente de lo que la mayoría de la vida tolera hoy.
Modelo de barras de una proteína. La bolita y la barra representan los enlaces y las moléculas de una proteína en una cadena flexible que puede retorcerse, rotar, extenderse y colapsarse durante el rápido plegamiento.
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La investigación, que apareció el 18 de septiembre en la revista Nature, animará un ya largo debate sobre las temperaturas de la Tierra cuando la vida sólo era microbiana, mucho antes de la aparición de los animales hace unos 500 millones de años. Los hallazgos también pueden ayudar a estrechar la búsqueda de vida en otros planetas, dice Eric Gaucher, un miembro del Consejo Nacional de Investigación (National Research Council) y asociado post-doctoral en la Universidad de Florida, que es el autor principal del artículo.
'Si uno va a buscar vida en otros planetas, puede enviar una sonda al azar y buscar vida', dijo Gaucher. 'Quieres aterrizar en un punto en el que crees que es probable que haya vida. Así que tener alguna idea de la temperatura de la zona adonde deberías enviar la sonda puede ayudarte'.
Síntesis de la vida extrema:
• Más calor: (113º C) Pyrolobus fumarii (Isla Vulcano, Italia)
• Más frío: (-15º C) Cryptoendoliths (Antártida)
• Radiación más alta: (5 MRad, o 5000 veces la radiación letal para los humanos) Deinococcus radiodurans
• Mayor profundidad: 3.2 km bajo el suelo
• Mayor acidez: pH 0.0 (La mayoría de la vida está a un factor al menos 100,000 veces menos ácido)
• Mayor basicidad: pH 12.8 (La mayoría de la vida está a un factor al menos 1000 veces menos básico)
• Mayor duración en el espacio: (6 años) Bacillus subtilis (en un satélite de la NASA )
• Mayor presión: (1200 veces la atmosférica)
• Mayor salinidad: (30% sal, o 9 veces la salinidad de la sangre humana). Haloarcula
• Menor tamaño: (<0.1 micras o 500 veces menor que el grosor de un cabello humano (picoplancton)
Crédito:USGS
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Se cree que la Tierra se formó hace 4.5 mil millones de años. Durante 700 millones de años, asteroides y otros cuerpos celestiales golpearon y destrozaron al nuevo planeta en una era conocida como 'el intenso bombardeo'. Existe un gran debate acerca del momento de aparición de la vida, pero algunos científicos creen que la primera prueba --que consiste en señales químicas de microbios encontradas en rocas antiguas-- se remonta al final del bombardeo hace unos 3.8 mil millones de años, dijo Gaucher.
El clima en la Tierra desde este período hasta la 'explosión Cámbrica' --la aparición de muchas formas de animales hace 570 millones de años-- varió en gran medida durante todo este tiempo, según se cree. La evidencia de glaciares en el ecuador sugiere una 'Tierra bola de nieve' mucho más fría que en la actualidad, mientras otras evidencias implican que el planeta también pasó por períodos comparativamente cálidos, indicó Gaucher.
Los geólogos han dominado la investigación sobre el tema, haciendo pruebas sobre minerales y rocas en un esfuerzo por trazar una historia del cambio climático terrestre. Gaucher y Steve Benner, un distinguido profesor de química de la Universidad de Florida, intentaron una aproximación diferente: recreando los ingredientes de la vida antigua, y luego comprobando su capacidad para persistir y prosperar a varias temperaturas.
Lynn Rothschild, una científica investigadora en el Centro de Investigación Ames (Ames Research Center) de la NASA y experta en astrobiología, djo que la aproximación era creativa. 'Es uno de esos trabajos inteligentes que me hace decir, 'Ojalá yo hubiese pensado en ello', dijo. 'Aunque esta aproximación no es única ni definitiva, es, no obstante, inteligente y proporciona un acercamiento alternativo muy necesario en los estudios evolucionarios'.
El proceso tiene reminiscencias de Parque Jurásico, pero hay una diferencia. Los científicos de la popular novela de Michael Crichton, llevada posteriormente al cine, resucitaban dinosaurios, que se remontan a tan sólo unos 60 millones de años. Gaucher y Benner deben ir mucho más allá (Precámbrico) -- al menos a mil millones de años atrás.
Los científicos usaron una técnica llamada paleogenética, propuesta por primera vez en 1963 por los afamados científicos Linus Pauling y Emile Zuckerland. La tecnología en ese tiempo no era suficiente para llevar a cabo los sueños de estos autores, pero gracias al gran incremento en la velocidad de procesamiento de la información que empezó en los años 80 y a otros avances de laboratorio, el concepto se hizo realidad a finales de la década pasada.
El método es análogo a la lingüística histórica, la cual reconstruye lenguajes antiguos buscando similitudes en sus lenguas descendientes. En vez de palabras o sonidos, los científicos buscaron similitudes en los aminoácidos de varias proteínas actuales para reconstruir las secuencias de aminoácidos de proteínas antiguas. Ellos han recreado, o 'resucitado', estas proteínas en el laboratorio.
Las opciones terrestres para el clima de los primeros tiempos: ¿Tierra primigenia, bola de nieve, caldero o templado? Crédito: NASA
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Gaucher empezó con 55 bacterias modernas diferentes, extrayendo una proteína llamada factor de elongación Tu, la cual existe en otras bacterias y en la mayoría de los organismos modernos. Escogió esta proteína, en parte, porque su prevalencia sugiere que apareció en un ancestro común y también porque es muy estable, o no parece haber cambiado mucho a lo largo de los eones.
El siguiente paso fue reconstruir la proteína antigua. 'Estamos al final de la historia e intentamos volver atrás, al principio', indicó Gaucher.
Secuenció cada proteína y, mediante un proceso computerizado de análisis, obtuvo las características comunes entre estas secuencias de aminoácidos. El resultado fue una representación digital de la proteína antigua. El siguiente paso fue resucitarla en el mundo físico. Gaucher usó E. coli , una bacteria moderna, para fabricar la proteína.
Él y Benner, más tarde comprobaron qué le sucedía a la proteína a varias temperaturas. Entre 55º y 65ºC era cuando mejor realizaba su tarea --la cual implica traducir la información desde su ADN a través de ARN en la síntesis de proteínas (El factor de elongación Tu participa en la síntesis de proteínas. Actúa junto con los aminoacil-ARNt uniendo GTP y colaborando en la incorporación del aa-ARNt al ribosoma. Al terminar, hidroliza el GTP a GDP + Pi.. Nota del traductor). A temperaturas más altas, la proteína antigua se desnaturalizaba y dejaba de funcionar.
Benner advierte que los hallazgos no implican que toda la Tierra estuvo entre 55º y 65ºC hace mil millones de años o más, pero sí que la bactería cuyos genes sobrevivieron para ser transmitidos a los organismos descendientes prosperaron a esa temperatura. Por qué resultó ser tan exitosa es un misterio, dijo.
'Por alguna razón, las bacterias que vivían a 55º-65ºC tenían alguna innovación que les permitió dejar a sus descendientes por todo el planeta, no así a los otros individuos que creemos que vivían en otros ambientes', dijo. 'Y eso es un asombro para mi'.
Astrobiology Magazine tuvo la oportunidad de hablar con Eric Gaucher, el autor principal del artículo de Nature y miembro del Instituto de Astrobiología de la NASA (NAI) y así mismo miembro postdoctoral del Consejo Nacional de Investigación (NRC).
Astrobiology Magazine (AM): ¿Qué es la paleobioquímica y por qué es un campo particularmente interesante ahora?
Organismos vivos más calientes: (113º C) Pyrolobus fumarii (Isla Vulcano, Italia)
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Eric Gaucher (EG): La búsqueda para caracterizar la vida antigua ha sido llevada a cabo históricamente por los geólogos y los químicos. Esta consiste en la identificación de estructuras encontradas en rocas o esclareciendo mecanismos de reacciones químicas.
La revolución genómica ha proporcionado ahora una oportunidad para que los biólogos se unan a la diversión. Esto es posible porque los genes pueden ser considerados un tipo de fósil dinámico, los cuales pueden adaptarse a los ambientes cambiantes mientras aún poseen algunas de sus propiedades ancestrales. El truco es ser capaz de extraer esta información antigua. Esto define el campo de la paleobioquímica.
AM: ¿El rango de temperaturas de 55º a 65ºC en el que prosperaban estos antiguos organismos, sería comparable genéticamente al que se encuentra en su equivalente moderno, el microbio termófilo extremo Pyrolobus fumarii (Isla Vulcano, Italia) que vive a una temperatura de unos 110ºC ?
EG: Hay cuatro categorías con respecto a las temperaturas de crecimiento óptimas de los organismos: Psicrófilos (<20ºC), Mesófilos (20-40ºC), Termófilos (40-80ºC) e Hipertermófilos (80-115ºC).
Pyrolobus se considera un hipertermófilo, al igual que Thermotoga maritime y Aquifex. Estas dos últimas especies están en la base del dominio bacteriano del Árbol Universal, y así han conducido a la idea de que el último ancestro común de la vida moderna fue un hipertermófilo.
En su mayor parte, los hipertermófilos viven en las fumarolas termales oceánicas. Seguramente sabe que estos son ambientes altamente especializados con pequeños nichos. Las zonas de temperatura son bastante estrechas. Un organismo adaptado a prosperar a 80ºC puede morir si se mueve unos pocos metros a un punto que esté a 60ºC. Los microbios de las fumarolas son únicos ya que sus biomoléculas traduccionales se han adaptado a estas fluctuaciones masivas. Esto se pone de relieve por las estabilidades de la temperatura óptima de estas biomoléculas. Nuestro ensayo con la proteína del factor de elongación (FE) de Thermotoga determinó que era óptimamente activa a una temperatura entre 50-85ºC.
Las fumarolas 'humeros negros' de las profundidades marinas dan cabida a una bioquímica exótica. A menudo caracterizadas por grandes profundidades, temperaturas hirvientes y alta concentración de metano. A menudo buscadas para encontrar alternativas a la vida dependiente de auga/oxígeno. Crédito: Universidad de Washington
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Por otra parte, las estabilidades de la temperatura óptima de los FEs de la mesofílica E.coli y la termofílica Thermus eran mucho más estrechas comparadas con la proteína del FE de la hipertermofílica. Esto se ve en el artículo de Nature. Tanto para E.coli como para Thermus, las proteínas del FE disminuyeron significativamente sus capacidades para funcionar a temperaturas fuera de sus respectivas temperaturas de crecimiento óptimas, alrededor de 40ºC y 70ºC respectivamente.
Puesto que estos microorganismos viven en ambientes de temperatura estable, hay relativamente poca presión selectiva para que prosperen en ambientes con un amplio rango de temperaturas, como se aprecia con las hipertermófilas de las fumarolas.
Así, para responder a su pregunta, dado el estrecho óptimo estable de temperatura de mis proteínas ancestrales, las proteínas ancestrales no son comparables a las de la moderna Pyrolobus. Sin embargo, las proteínas ancestrales son probablemente comparables a los organismos existentes (modernos) que viven en fuentes termales, tales como Thermus en el Parque Yellowstone.
AM: ¿Estos mecanismos de supervivencia a alta temperatura implican algunos medios de evitar la desnaturalización de las proteínas por el calor --básicamente, la proteína tiene que ser protegida contra la coagulación o el freírse?
EG: La estabilidad de la proteína implica una interacción entre la necesidad obvia de estabilidad para la actividad funcional y la capacidad para reciclar la proteína cuando ya no es necesaria. La desnaturalización de la proteína requiere energía. Cuanto más fuertes son las fuerzas que mantienen unida a una proteína, más energía debe gastar un organismo en romper esa fuerza.
Dado que la mayoría de las proteínas funcionan óptimamente a la misma temperatura a la que su organismo huésped crece óptimamente, la selección natural ha dado lugar a un equilibrio entre la estabilidad de las proteínas y la desnaturalización.
Los mayores supervivientes en el desprotegido vacío y frío espaciales: 6 años Bacillus subtilis (en un satélite de la NASA. Crédito: NASA
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Así, sí, los organismos deben evitar de algún modo la desnaturalización de las proteínas por el calor. Esto se consigue de varios modos. El más común es incrementar las fuerzas que mantienen a una proteína unida, tales como las interacciones hidrofóbicas, fuerzas de van der Waals y otros tipos de enlaces. Algunas especies hipertermofílicas también emplean proteínas acompañantes (chaperonas) que viajan alrededor de la célula y le ayudan a plegar de nuevo cualquier proteína que se haya desnaturalizado.
AM: ¿Puede mostrarnos brevemente el método de secuenciación? Consigue la composición de aminoácidos, por ejemplo, pero ¿cómo sabe el orden peptídico y cómo se sintetiza?
EG: La analogía aquí es la de la lingüística histórica. Analizando las relaciones y similitudes de los lenguajes modernos, junto con el conocimiento del alfabeto, estos historiadores son capaces de reconstruir los lenguajes antiguos. Ésta es precisamente mi modo de aproximación.
Soy un historiador de la Naturaleza. Construí un árbol filogenético usando las proteínas del FE. Las hojas del árbol representan las secuencias de los modernos FE mientras que los nudos del interior representan la secuencia extinta (en otras palabras, las secuencias que existieron en los organismos antiguos). Los recientes avances en los modelos evolucionarios estadísticos y en el poder de computación nos permitió estimar la ordenación subsecuente de los aminoácidos (el alfabeto de la Naturaleza) de la proteína del FE en los nudos interiores del árbol filogenético. En particular, estoy interesado en el punto más viejo, o el nudo más profundo, del dominio bacteriano del Árbol Universal. Esto representa el último ancestro común de las bacterias modernas, el cual puede haber vivido hace unos 3.5 miles de millones de años.
Una vez que la secuencia de aminoácidos está reconstruida virtualmente, resucitamos el gen ancestral usando las técnicas de síntesis de genes, utilizando un organismo moderno para expresar el gen, y luego purificando el producto proteínico y realizando un ensayo de termoestabilidad.
AM: El salto desde las condiciones de calor locales al clima global, ¿cómo se puede entender desde la paleoquímica actual?
EG: Este trabajo no resuelve las cuestiones acerca del clima global. Presumiblemente, habría muchos climas locales presentes hace 3.5 mil millones de años. La vida puede haber existido en múltiples localidades distintas. Por alguna razón, sin embargo, los organismos que vivieron en nichos a 55-65ºC fueron capaces de sobrevivir y servir de semilla para la diversidad de la vida.
Esto puede relacionarse con los cuellos de botella provocados por la Tierra-bola de nieve.
Los otros autores del artículo son J. Michael Thompson y Michelle Burgan, ambos antiguos estudiantes de la Universidad de Florida. La investigación fue financiada por una beca de 100.000 $ del Instituto de Astrobiología de la NASA (NAI).
