Un organismo eucariota unicelular sin genes mitocondriales

Por Francisco R. Villatoro, el 13 mayo, 2016. Categoría(s): Biología • Ciencia • Noticias • Science ✎ 9

Dibujo20160513 A Eukaryote without a Mitochondrial Organelle current biology

La mayoría de las organismos unicelulares eucariotas contienen mitocondrias, o al menos orgánulos relacionados con la mitocondria (MROs), que usan para obtener energía. Ya se sabía que Monocercomonoides no tenía mitocondria (basta un microscopio para verlo), pero se ignoraba si tenía genes mitocondriales. Se publica en Current Biology que es el primer eucariota conocido totalmente amitocondriado. Su genoma carece de genes homólogos a genes protomitocondriales (los que codifican proteínas mitocondriales). Toda una sorpresa para muchos.

Monocercomonoides sp. es un organismo unicelular que vive en los intestinos de las chinchillas. En lugar de usar mitocondrias para obtener energía, usa enzimas disueltas en su citoplasma. Estas enzimas no son homólogas a enzimas mitocondriales que realicen la misma función. Esto lo diferencia de sus parientes evolutivos más cercanos, que usan dichas enzimas en órganulos relacionados con las mitocondrias. Por ello se cree que este organismo perdió dichos genes mitocondriales recientemente en términos evolutivos.

El artículo es Anna Karnkowska, Vojtěch Vacek, …, Vladimír Hampl, “A Eukaryote without a Mitochondrial Organelle,” Current Biology (12 May 2016), doi: 10.1016/j.cub.2016.03.053; en español te recomiendo leer a Antonio Martínez Ron, “¡Sorpresa! ¡Una eucariota que no tiene mitocondria!” Next, Vozpópuli, 12 May 2016. Ya se sabía que carecía de mitocondria, ver, por ejemplo, Renate Radek, “Monocercomonoides termitis n. sp., an Oxymonad from the Lower Termite Kalotermes sinaicus,” Archiv für Protistenkunde 144: 373-382 (1994), doi: 10.1016/S0003-9365(11)80240-X (gracias a Sir Peter O’Saur @paleofreak por la referencia). Por cierto, sobre la endosimbiosis asociada a la mitocondria recomiendo María Esther Gallardo, Rafael Garesse, “Origen y evolución de la mitocondria: ADN mitocondrial y evolución humana”, en “Sistema mitocondrial: un reto en la medicina humana”, Real Academia Nacional de Farmacia, doi: ES/monoranf.v0i0.1335.

PS [15 May 2016]: Recomiendo leer a Manuel-Gonzalo Claros, “¿Por qué las mitocondrias necesitan un genoma?” Encuentros en la Biología, Núm 30, Mar 1996.

 

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La mitocondria desempeña numerosas funciones metabólicas y reguladoras en las células eucariotas. La más importante es la generación de la mayor parte del ATP gracias a la fosforilación oxidativa. La teoría endosimbionte en boga afirma que el origen de la mitocondria son bacterias aeróbicas, capaces de metabólicas el oxígeno. Estas protomitocondrias colonizaron una célula protoeucariótica huésped. Hoy en día, los parientes más cercanos de la protomitocondria son las α-proteobacterias, bacterias gram-negativas que pueden existir como bacterias libres, aunque la mayoría son simbiontes o parásitos de plantas y animales. Todos los genomas mitocondriales parecen descender de un ancestro común (similar a una α-proteobacteria del género rickettsia). Así lo indican los análisis filogenéticos, que permiten reconstruir una versión aproximada de su genoma original.

Las mitocondrias evolucionaron perdiendo genes y transfiriendo genes al genoma nuclear de la célula huésped. El ADN mitocondrial de los organismos unicelulares varía mucho en tamaño, forma y organización génica. Por ejemplo, la forma de dicho ADN puede ser circular, lineal o, incluso, agregados de círculos pequeños y grandes. Sin embargo, en animales la estructura génica de la mitocondria es muy uniforme y compacta, en forma de doble hebra circular.

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En los organismos unicelulares el tamaño del genoma mitocondrial cambia mucho, desde casi 100 genes hasta sólo 5 en Plasmodium. De hecho, sólo una pequeña fracción de las proteínas requeridas para la función mitocondrial están codificadas por el genoma mitocondrial, lo que implica una transferencia masiva de genes desde el endosimbionte original al genoma nuclear del huésped. Por ello, para afirmar que Monocercomonoides sp. carece de rastros mitocondriales no basta con observar al microscopio que carece de este orgánulo. Se ha tenido que secuenciar su genoma para realizar una búsqueda sistemática de genes relacionados (homólogos) con las mitocondrias.

El nuevo artículo ha publicado el genoma completo de Monocercomonoides y gracias a ello se ha podido realizar una búsqueda sistemática de sus posibles genes de origen mitocondrial que se encuentran en su genoma nuclear. Por supuesto, decidir si un gen es o no es protomitocondrial no es fácil. En los últimos años varios estudios han tratado de dilucidar la cuestión, comparando lo común al genoma mitocondrial de muchos organismos eucariotas unicelulares. Gracias a ello se han identificado unos 100 genes que se consideran protomitocondriales (su origen parece ser el genoma de la protomitocondria). En el nuevo trabajo se han buscado homólogos a dichos genes en el genoma de Monocercomonoides sp. PA203, cuyo ADN tiene un tamaño de ∼75 millones de pares de bases y presenta unos 16629 genes codificantes de proteínas.

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Por supuesto, siempre hay que ser cautos con estos estudios y no hay que realizar afirmaciones demasiado rotundas. Todo indica que el genoma de Monocercomonoides  parece no codificar proteínas típicas de los MROs. Tampoco codifica ninguna enzima para la generación aerobia de energía. De hecho, el nuevo estudio propone que Monocercomonoides sp. metaboliza la glucosa para producir ATP a través de una fosforilación a nivel de sustrato en una vía extendida de la glucólisis. Esta vía en Monocercomonoides sp. es casi idéntica a la de otros organismos como G. intestinalis y E. histolytica, pero estos últimos la combinan con su producción en un MRO.

En resumen, una búsqueda sistemática en la secuencia del genoma de Monocercomonoides sp. de proteínas mitocondriales (como translocasas de proteínas de membrana y transportadores de metabolitos) ha sido infructuosa. Además, su genoma contiene genes para vías citosólicas esenciales en el metabolismo energético. Todo parece indicar que la reducción del genoma mitocondriales en este organismo unicelular ha sido completa y no queda ningún rastro de las mitocondrias. Sorprendente, sin lugar a dudas.



9 Comentarios

  1. Hay algunas cosas que aclarar. En el articulo original se menciona el complejo Fe-S que provendría de bacterias por transferencia horizontal. Eso es muy interesante. Por otra parte decir que en lugar de mitocondrias usa enzimas, como si fuese algo insólito, es equívoco, ya que todos los anaerobios usan enzimas en lugar de mitocondrias.

  2. Hay un tema importante que destacar cuando hablamos del fascinante tema de los seres vivos: la escala de tamaños. El cerebro humano, como producto de la evolución no puede entender tamaños o números mucho más pequeños que 1mm, seguramente, porque cualquier cosa por debajo de este tamaño no es visible. La clave aquí es que por debajo de este tamaño hay todo un miniuniverso de seres vivos. ¡La mayor parte de los seres vivos que existen son invisibles (directamente) para nosotros! Por ejemplo, por debajo de este tamaño tenemos, descendiendo en potencias de 10: el ácaro (10^-4), la célula eucariota (10^-5), la bacteria (10^-6) y los virus (10^-8). Lo que quiero decir es que para nuestro cerebro es casi imposible de asimilar la idea de que un ser humano es una inmensa colonia de 40 billones de microorganismos (células). De hecho, creo que el 99.99% de los seres humanos no son conscientes de esto. Sabemos que tenemos órganos internos pero los vemos como unidades individuales en lugar de enormes estructuras fabricadas por microorganismos. Un corazón o un hígado son estructuras fabricadas por microorganismos que mueren y se renuevan. Estos microorganismos a su vez están formados por “nanomáquinas” que trabajan con una precisión increíble: las proteínas. La clave es entender que un ser humano (o cualquier ser vivo) es ensamblado “desde dentro” a partir de un solo microorganismo que ya posee las nanoestructuras necesarias. Esto, dicho así, parece ciencia ficción o el producto de fuerzas divinas ¿de donde han salido estas nanoestructuras? ¿como es posible que estemos hechos de “nanorobots”? Aquí es donde aparece el inmenso poder de la ciencia: ya tenemos teorías (hipótesis) que explican con impresionante exactitud como surgió todo (por supuesto aún hay lagunas): todos los seres vivos del planeta usan una “estrafalaria” forma de generar energía: bombear protones a través de una membrana para crear una diferencia de potencial que mueva el rotor de una nanomáquina incrustrada en la membrana: la ATP sintasa. ¡Tenemos nanomotores eléctricos incrustrados en nuestras membranas celulares! El giro de este “nanomotor” se usa para “sellar” la unión de un ADP+fosfato y obtener un ATP. Paradójicamente, este hecho que muchos atribuirían a la existencia de Dios o algo similar es una pista increíble del origen de la vida: esta probablemente se originó en los microporos de las fumarolas hidrotermales alcalinas. Estos microporos generaron el paso de protones a través de membranas ¡La ciencia puede explicar el mismísimo origen del primer ser vivo de la Tierra! La hipótesis del endosimbionte sería el otro gran paso: una bacteria (lo que serían nuestras mitocondrias) se metió dentro de un arqueo, sus genes (casi todos) migraron al pronúcleo y surgió la primera célula eucariota. Este proceso es muy raro y tiene 2 consecuencias: los organismos simples (bacterias-virus) son “faciles” de hacer, los organismos complejos son consecuencia de un accidente improbable (las bacterias apenas han evolucionado en 4000 millones de años) la vida en el Universo probablemente está hecha de bacterias ¿o quizás pudo darse también una endosimbiosis? La clave es que el bombeo de protones a través de membranas es probablemente un método UNIVERSAL de generar energía y todos los seres vivos que existan deben basarse en el (probablemente). En resumen: probar a decirle a vuestros vecinos o amigos que estamos hechos de microorganismos, de bacterias y de “nanomáquinas” y fijaros en la expresión de sus caras 🙂 La ciencia nos presenta un mundo increíble, lo triste es que a la mayoría de la gente este mundo no le interesa, prefiere la telebasura y las teletertulias basura. La única esperanza está en blogs como el de Francis, que de forma totalmente altruista nos muestra el fascinante Universo que la ciencia ha descubierto.

      1. Muchas gracias Gabriela. Por cierto hay un error en mi comentario de arriba: evidentemente el “nanomotor” ATP sintasa está incrustrado en las membranas mitocondriales no en las membranas celulares (hay fotos bastante impresionantes en la red).

  3. Me llama la atención que para explicar la ausencia de cualquier tipo de gen mitocondrial en Monocercomonoides se proponga como única hipótesis la pérdida de ese genoma. Esto da por hecho que los antecesores de este organismo lo poseían. A priori esto no es un hecho, sino una hipótesis, pues bien podría ser que en la filogenia de Monocercomonoides no hubiera habido jamás simbiosis mitocondriales. Al menos en teoría, no parece imposible. Sin embargo, de ser ése el caso, éste organismo pertenecería a una rama eucariota separada del resto casi desde el surgimiento de los organismos nucleados, lo que debería quedar reflejado en su genoma nuclear, supongo.
    Como no se señala para nada esta hipótesis alternativa, imagino que habrá datos suficientes para rechazarla. Francisco R. Villatoro ¿podría explicar algo más? Gracias.

  4. A Planck: en su comentario dice usted que la vida “probablemente se originó en los microporos de las fumarolas hidrotermales alcalinas” y que “estos microporos generaron el paso de protones a través de membranas”. Por lo que parece, los posibles escenarios para el surgimiento de la vida son múltiples y hoy por hoy desconocemos hasta qué punto están correlacionados, pero las fumarolas tienen una gran pega para ser el escenario principal: a la presión y temperatura en la que se encuentran, el agua llega a alcanzar su punto crítico y en esas circunstancias puede disolver las moléculas complejas más insolubles como son las grasas, ceras o alquitranes. No me imagino qué tipo de membranas podrían subsistir en esas circunstancias.
    Respecto a su afirmación de que “las bacterias apenas han evolucionado en 4000 millones de años” me parece sumamente arriesgada. Utilizando sus cifras, que el 99.99% de las personas no seamos conscientes del papel de los microorganismos seguramente ha condicionado que el 99.99% de los fenómenos evolutivos conocidos por la mayoría de las personas sean propios de eucariotas. Pero quizás estos fenómenos sean tan sólo el 0’01% y el resto se hayan dado en el nada monótonono mundo bacteriano. Por lo pronto, un ejemplo: la primera gran extinción debió de darse con el enorme cambio del medio ambiente que introdujo el activísimo veneno que es el oxígeno y sustrajo cantidades ingentes de solutos precipitándolos por oxidación.

    1. Es cierto que hay varios (pocos) escenarios posibles para el surgimiento de la vida. Sin embargo, parece que el de las fumarolas alcalinas es, con diferencia, el mejor escenario para lograr un gradiente estable de protones a través de una membrana formada en los microporos. Solo se necesita roca, CO2 , H2 y microporos con una diferencia de presión. Las fumarolas hidrotermales no son como los húmeros negros volcánicos, su temperatura está entre 60º y 90º y carecen del problema de la acidez. Respecto a las bacterias, estas han intercambiado genes de forma salvaje por transferencia horizontal durante casi 4000 millones de años pero han permanecido casi idénticas en su tamaño, morfología y funcionalidad. La explicación más sencilla es que hay una barrera energética que limita su evolución hacia organismos complejos (un aumento de diámetro de un orden de magnitud implica un aumento de 3 órdenes de magnitud en volumen). Todo esto está explicado de forma magistral en el libro “La cuestión vital” de Nick Lane. La endosimbiosis fue un proceso que consiguió romper esta barrera energética. En mi opinión inexperta estamos cerca de desvelar el verdadero origen de la vida.
      Por cierto, he aquí unos cuantos números que demuestran la brutal eficacia energética de las células y porque nuestro cerebro no puede “visualizar” fenómenos a una escala micro o nanométrica:
      – 1 única célula contiene cientos de miles de mitocondrias. Nuestros 40 billones de células poseen al menos un trillón de mitocondrias con una superficie total de 14. 000 m2 ¡Cuatro campos de fútbol de superficie enrolladas en nuestras células!
      – En total, nuestras mitocondrias bombean a través de sus membranas 10exp21 protones cada segundo. ¡Casi tantos protones como estrellas conocidas hay en nuestro Universo!
      – El potencial eléctrico de las membranas celulares está entre 150 y 200 mV, puesto que la membrana solo mide 6nm la intensidad del campo eléctrico es de ¡ 30 millones de voltios por metro ! ¡ igual a la de un relámpago !
      – Los ribosomas son nanoestructuras capaz de ensamblar aminoácidos a una velocidad increíble cometiendo solo de media 1 error por cada 100.000 operaciones. Esta precisión es cientos de veces superior a cualquier tecnología de ensamblaje que existe actualmente. El ser humano es un organismo extraordinario ensamblado por nanomáquinas de una precisión inimaginable y todo ello surgió “solamente” a partir de H2, CO2, roca y ¡ 4000 millones de años de evolución! ¿Puede existir una historia más extraordinaria en todo el Multiverso?

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Por Francisco R. Villatoro, publicado el 13 mayo, 2016
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