Francis en #rosavientos: Las arqueas podrían anteceder a todas las eucariotas

Dibujo20150509 all in the family - Lokiarcheota - eukaryotes from archaea - right- rather than separate branch of life - left- sciencemag org

Ya está disponible el audio del podcast de Eureka, mi sección en La Rosa de los Vientos de  Onda Cero. Como siempre, una transcripción, unos enlaces y algunas imágenes.

Se ha descubierto un nuevo microorganismo extremófilo, las lokiarqueas, que algunos interpretan como un eslabón perdido en la evolución de la vida compleja. Hace dos mil millones de años, los tipos de células con núcleo que comprenden plantas, hongos, animales y seres humanos, llamadas eucariotas, evolucionaron a partir de los microbios sencillos, células sin núcleo llamadas procariotas. En 1977 se descubrieron las arqueas, más complejas que las procariotas, pero menos que las eucariotas. ¿Evolucionaron las ecuariotas a partir de las arqueas o partir de las procariotas? Un nuevo artículo en Nature parece decantarse por la primera opción, las arqueas originadas a partir de las procariotas dieron origen a las eucariotas. Por supuesto, antes de cambiar los libros de texto habrá que confirmar el nuevo hallazgo metagenómico y estudiar al microscopio muestras de las lokiarqueas.

El artículo es Anja Spang et al., “Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and eukaryotes,” Nature, AOP 06 May 2015; doi: 10.1038/nature14447. Más información divulgativa en español en “Descubierto el eslabón perdido en la evolución de las células complejas,” Agencia SINC, 06 May 2015; Nuño Domínguez, “La célula de la que venimos todos,” El País, Materia, 06 May 2015.

Más información divulgativa en inglés en Mitch Leslie, “Deep-ocean microbe is closest living relative of complex cells,” Science 348: 615-616, 8 May 2015; doi: 10.1126/science.348.6235.615; Ed Yong, “New Loki Microbe is Closest Relative to All Complex Life,” Phenomena, National Geographic 06 May 2015; Rachel Feltman, “Newly discovered ‘missing link’ shows how humans could evolve from single-celled organisms,” Washington Post, 06 May 2015; Jyoti Madhusoodanan, “Prokaryotic Microbes with Eukaryote-like Genes Found,” The Scientist, 06 May 2015; “Lokiarchaeota,” Wikipedia, May 2015; David J. Tenenbaum, “First animal ancestor discovered in deep mud!,” The Why Files, 07 May 2015;

La biología contesta la pregunta ¿de dónde venimos? gracias a la teoría de la evolución. Nuestras células son más complejas que las bacterias y debieron evolucionar a partir de células más simples. ¿Qué se sabe sobre la evolución de las células complejas? Lo primero, me gustaría recordar que el cuerpo humano es un complejo ecosistema formado por la simbiosis de células humanas y células de microorganismos, la llamada microbiota. Se estima que una persona adulta tiene diez veces más células microbianas que células humanas: el cuerpo humano tiene diez billones de células eucariotas con genoma humano y unos cien billones de células procariotas que dan cuenta de casi el 10 % de nuestro peso corporal. En un cuerpo humano hay unos 20.000 genes de homo sapiens y unos 3,3 millones de genes bacterianos que nos facilitan procesos básicos como la digestión, la síntesis de vitaminas y aminoácidos, y la maduración del sistema inmune. Las células eucariotas tienen el ADN dentro de un núcleo separado del citoplasma por una membrana, tienen un esqueleto celular (citoesqueleto) y múltiples orgánulos, como las mitocondrias. Las células procariotas tienen el ADN disperso dentro del citoplasma y no presentan orgánulos con membranas. En 1977 el biólogo estadounidense Carl Woese descubrió un nuevo grupo de microorganismos, las arqueas, y demostró que éstos representan una rama separada en el Árbol de la Vida. El hallazgo sorprendió a la comunidad científica de la época. Surgieron dos teorías en liza, por un lado quienes pensaban que las arqueas y las eucariotas evolucionaron a partir de las procariotas. Esta teoría es la que aparece en la mayoría de los libros de texto de biología. Y por otro lado unos pocos biólogos pensaban que las eucariotas evolucionaron a partir de las arqueas que a su vez evolucionaron a partir de las procariotas. Esta semana se ha publicado un artículo en Nature que apoya esta segunda teoría y que podría llevar a que haya que cambiar los libros de texto.

Dibujo20150509 Loki Castle - Vent Chimney - 20080715 - wiki commons

Esta teoría afirma que las células complejas como las células humanas evolucionaron a partir de las arqueas. ¿Qué son las arqueas? Hoy en día se considera que el Árbol de la Vida tiene tres grandes ramas que han pervivido hasta la actualidad: las células procariotas, las células eucariotas y las arqueas, también llamadas arqueobacterias.  Las arqueas no tienen núcleo celular como las bacterias procariotas, pero presentan rasgos genéticos que las acercan a las células eucariotas. Los estudios evolutivos sugieren que los primeros fósiles de procariotas datan de hace unos 3.500 millones de años y las primeras células eucariotas aparecieron hace unos 2.000 millones de años. Las arqueas están poco estudiadas porque la mayoría son muy difíciles de criar en laboratorio y sólo han sido detectadas mediante análisis genéticos en muestras tomadas del ambiente. Muchas arqueas son extremófilas y viven en ambientes hostiles tales como aguas termales, lagos salados y el fondo de los océanos. Investigadores de las Universidades de Uppsala (Suecia) y de Bergen (Noruega) publican en Nature esta semana el descubrimiento de un nuevo grupo de arqueas a las que han llamado lokiarqueas (arqueas de Loki).  Estas arqueas se han identificado en muestras de sedimentos marinos gracias a una técnica llamada metagenómica, que identifica el código de barras genético de cada organismo vivo que se encuentra en una  muestra.  Según este trabajo publicado en Nature las arqueas de Loki son los microbios sin núcleo más parecidos a nuestras propias células eucariotas. Su genoma es mucho más evolucionado de lo esperado y contiene genes muy parecidos a los genes eucariotas.

Dibujo20150509 Lokiarcheota - North Atlantic - near Loki Castle - an undersea mountain - thijs etterna - nature com

Estas arqueas han sido encontradas en los sedimentos de los fondos oceánicos, ¿dónde se ha descubierto la nueva bacteria?  Un barco de exploración científica ha encontrado este nuevo grupo de arqueas en el fondo del oceáno Ártico, en los sedimentos cercanos a un campo de fumarolas hidrotermales denominadas Castillo de Loki, el nombre de un misterioso dios nórdico. Este sistema de ventilación hidrotermal está entre Groenlandia y Noruega a una profundidad de 2.352 metros. Las fuentes hidrotermales son sistemas volcánicos situados en el fondo del océano. Estas arqueas de Loki viven en este ambiente tan extremo a una temperatura cercana a 0º C gracias a la actividad volcánica. Se sabe muy poco de la biología de estas arqueas pero se cree que se alimentan de nutrientes que obtienen de los cadáveres de otros microorganismos marinos que caen al fondo oceánico. Se estima que su metabolismo es tan lento que se dividen para reproducirse una vez cada diez años. Tomar muestras vivas de estas arqueas y llevarlas al laboratorio es muy difícil. Por ahora no sabemos qué aspecto tienen estos organismos vivos. El estudio no se basa en el organismo en sí, sino en sus genes y proteínas. Thijs Ettema, del departamento de Biología Celular y Molecular de la Universidad de Uppsala, primer autor del artículo en Nature, afirma que su nuevo objetivo es sacar a estos microbios del fondo del mar y estudiarlos bajo el microscopio. Pero no será fácil ya que, como las muestras recogidas por los barcos contienen muy pocas arqueas, se cree que están muy esparcidas en el gélido fondo marino debido a la escasez de nutrientes.

Dibujo20150509 novel archaeal lineage - gap between prokaryotes - eukaryotes - nature com

Se ha estudiado el genoma de estas arqueas analizando muestras de sedimentos del fondo marino, ¿cómo se sabe que el genoma no está contaminado por los genes de los cadáveres de los organismos de los que se alimentan?  Para reconstruir el genoma de estas arqueas de Loki se han usada técnicas de análisis genómico de alto rendimiento que permiten reconstruir el genoma de un organismo a partir de muestras del entorno en el que vive. Hoy en día estas técnicas están muy avanzadas y gracias a ello se ha podido ensamblar el 92% del genoma completo de la arquea Loki, que contiene unos 5,1 millones de pares de bases de nucleótidos. Se han encontrado otros genes que característicos de las arqueas, lo que se llama su huella dactilar genómica, que no se encuentran en las eucariotas. Lo sorprendente es que en este genoma se han encontrado 175 genes que codifican proteínas que son homólogos a genes eucariotas. Son muy similares, pero más primitivos y las diferencias no se pueden explicar si su origen es la contaminación de las muestras. Entre las proteínas codificadas por estos genes hay 5 homólogas a la actina, una proteína relacionada con el citoesqueleto celular. Estas proteínas son las más parecidas a las eucariotas de entre todas las arqueas estudiadas hasta el momento. También se han encontrado 70 homólogos a proteínas de la familia de las GTPasas de tipo Ras, típicas de los eucariotas unicelulares y que están relacionados con la regulación de ciertos procesos metabólicos. Además se han encontrado genes similares a los genes ESCRT que codifican proteínas relacionadas con la transmisión de información molecular entre orgánulos en los eucariotas. Estas proteínas sugieren que las arqueas Loki podrían tener orgánulos primitivos y citoesqueleto, hipótesis que tendrá que ser confirmada mediante observación al microscopio. La verdad es que la función de la mayoría de las proteínas de las arqueas Loki que son similares a las eucariotas todavía es desconocida. No se sabe si su función es la misma que en las eucariotas o bien es una función más primitiva o diferente.

Dibujo20150509 multiple sequence alignment eukaryotic and lokiarchaeal ribosomal protein homologs - nature com

Las arqueas Loki se parecen más a las células complejas que a las células simples, ¿se pueden considerar como el eslabón perdido en la evolución de las células complejas? A los biólogos evolutivos no les gusta el término eslabón perdido o linaje perdido. Podemos decir que el nuevo trabajo publicado en Nature apunta a que las arqueas de Loki y las células eucariotas comparten un ancestro común, más parecido a las lokiarqueas actuales que a las eucariotas actuales. Se llama filogenética a la rama de la biología evolutiva que se ocupa de determinar la filogenia, las relaciones evolutivas entre diferentes grupos de organismos a partir de la distribución de sus caracteres. La filogenética molecular se concentra en el genoma y en el parecido entre genes homólogos que codifican proteínas similares. Gracias a ello puede construir los llamados árboles filogenéticos, ramas del árbol de la vida. Gracias a este tipo de técnicas se ha determinado que las lokiarqueas son las arqueas más cercanas a nosotros. Por supuesto aún no podemos explicar los detalles de la aparición de las células eucariotas. La hipótesis más aceptada se llama endosimbiosis, preconizada por la famosa bióloga Lynn Margulis, que sugiere que las eucariotas aparecieron por una simbiosis entre las bacterias y las arqueas. El nuevo trabajo modifica esta hipótesis poniendo el foco en las arqueas, aunque todavía es pronto para afirmar que descarta. Hasta que no se pueda estudiar este nuevo organismo en laboratorio es difícil afirmar que la endosimbiosis se produjo sólo en las arqueas, que dieron lugar a las eucariotas de forma directa. Descubrir un linaje perdido ayuda a entender un momento clave de la historia evolutiva pero no permite discernir todavía entre todas las teorías alternativas para el origen de las células eucariotas. Todavía hay mucho por descubrir, pero el descubrimiento de las arqueas de Loki es calificado por algunos biólogos como el avance más revolucionario en los últimos 30 años sobre la evolución de las células complejas y va camino de obligar a revisar todos los libros de texto de Biología.



8 Comentarios

  1. Hola, las arqueas se consideran procariotas, junto a las bacterias. Además, no es que las arqueas provengan de las bacterias, sino que comparten un antepasado común. Es lo mismo que cuando dicen que el hombre viene del mono. Esta afirmación es falsa, ya que no viene del mono, sino que tiene un antepasado común con él, del cual surgieron por una parte los seres humanos actuales y por otra el chimpancé.

    1. Creo que no tienes muy claro lo que se comenta en esta entrada. Como puedes ver en la primera figura, hay dos versiones (cladogramas) de la relación entre los tres grupos de células: bacterias, arqueas y eucariotas. Estas dos versiones son: que la célula eucariota y las arqueas compartan un antepasado común (cladograma de la izquierda), o que los eucariotas procedan directamente de las arqueas (cladograma de la derecha). En ambos casos las bacterias están aparte de eucariotas y arqueas, y los tres grupos convergen en el antepasado común de todas las células, que se conoce como LUCA (last universal common ancestor) que estaría en el vértice inferior, en la base de todo. Lo que se comenta en la entrada es que los últimos hallazgos de genomas de los fondos marinos apoyan la hipótesis de que los eucariotas provienen de la arqueas y no de un antepasado común con las arqueas.
      En cuanto a que el hombre procede del mono, es así, venimos del mono, pero ese mono está ya extinto. No es lo mismo decir que venimos del mono que decir que venimos del chimpancé.

      1. Sí sí por supuesto, eso está claro. Lo que yo he venido a entender en algunos párrafos es que Francis considera a las arqueas como un grupo aparte, fuera de los procariotas, cuando están en realidad dentro, ya que tanto arqueas como bacterias son procariotas. Por lo demás completamente de acuerdo. En cuanto a lo del simio, me refería a que mucha gente piensa que venimos del chimpancé, y con mono me refería al chimpancé. No provenimos de él, sino que tenemos un antepasado común.

  2. Muchas gracias por llamar la atención sobre este artículo publicado en Nature. Es un paso, y gooooordo que diría José Mota, más en la sustentación de la hipótesis de los dos dominios. Hace tres años se publicó un artículo capital en este sentido (“A congruente phylogenetic signal places eukaryotes within the Archaea”, Williams et al., Proc. Royal Soc., 2012, 279: 4870-4879).
    Se acumulan las pruebas para una revisión a fondo de la división de los organismos en tres dominios, en favor de una en dos: Archea y Bacteria, lo cual tiene una consecuencia bastante frustrante para nosotros: los Eucariotas no somos rama aparte, sino que somos Archea con núcleo. Desde el punto de vista docente complica las cosas, ya que era muy sencillo explicar la división de las células en aquellas que no tienen núcleo y aquellas que sí lo tienen (y luego estaban esas “bacterias” raras, las Archea). Sin embargo, considerar una adaptación morfológica, como es la posesión de núcleo rodeado por membrana, como un carácter del enorme valor filogenético que se le ha otorgado, va en camino de revelarse como el último gran error de la taxonomía basada en caracteres morfológicos. Para los genéticos constituye un orgullo que el análisis comparativo de genes esté revelando la verdadera filogenia y desmontando muchas de las creencias asumidas por la filogenia basada en taxonomía morfológica. La realidad es que la Genética no sólo constituye el soporte fundamental de las teorías explicativas del hecho evolutivo, sino que el análisis genético está revelando las verdaderas relaciones de parentesco y de procedencia, es decir la filogenia, entre los organismos.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 11 mayo, 2015
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