Charles Darwin propuso en El origen de las especies (1859), la existencia de un ancestro común a todos los seres vivos, hoy bautizado como LUCA (último ancestro común universal). La vida surgió mucho antes de LUCA, que podría ser o bien un organismo simple con un genoma mínimo (unos cientos de genes), o bien tan complejo como una procariota actual. Se publica en Nature Ecology & Evolution que LUCA existió hace unos 4200 millones de años (4.09–4.33 Ga al 95 % CL), su genoma tenía unas 2.75 megabases (2.49–2.99 Mb al 95 % CL) y su proteoma 2657 proteínas (2451–2855 al 95 % CL). Se deduce del estudio de cinco parejas de genes duplicados (parálogos) muy bien conservados entre arqueas y eubacterias, que podrían haber existido en un precursor de LUCA. Se ha estimado el proteoma más probable para LUCA usando una técnica llamada ALE, para la reconciliación de árboles filogenéticos (entre los autores del artículo están los padres de esta técnica, publicada en 2013). El resultado es un metabolismo que apunta a que LUCA era anaeróbico, termófilo, acetógeno (producía ácido acético) y poseía un sistema inmunitario tipo CRISPR con proteínas Cas para combatir a los virus. Todo apunta a que LUCA era tan complejo como una procariota actual.

La gran contribución del nuevo artículo es su metodología para inferir información ómica sobre organismos primitivos como LUCA. Pero los resultados obtenidos son demasiado revolucionarios para ser creíbles. Apuntan a que LUCA no vivía aislado, sino en un nicho nicho ecológico junto a una gran comunidad microbiana (microorganismos que se extinguieron sin dejar huella en los genomas procariotas actuales). Más aún, se sugiere que el papel de LUCA en este hábitat, gracias a su metabolismo hidrogenotrófico, tenía que ser clave (y gracias a ello llegó a ser el último ancestro común universal). Se suele concebir que LUCA vivía en fuentes hidrotermales en el fondo oceánico, donde la serpentinización es una fuente de hidrógeno. Pero el nuevo artículo sugiere la presencia de proteínas que protegen el ADN de los rayos ultravioletas, con lo que se especula que LUCA era tan complejo que también podría sobrevivir en aguas someras (si el bombardeo intenso tardío (LHB) fue poco intenso o incluso no existió); en dicho entorno consumiría hidrógeno de origen volcánico o metamórfico. Por supuesto, también se propone la combinación de ambos hábitats, que pudiera vivir en fuentes hidrotermales en aguas someras.

Los resultados del nuevo artículo son fascinantes y revolucionan todo lo que creíamos saber sobre LUCA. Por ello, hay que recordar que afirmaciones extraordinarias requieren evidencia extraordinaria. El artículo es Edmund R. R. Moody, Sandra Álvarez-Carretero, …, Philip C. J. Donoghue, «The nature of the last universal common ancestor and its impact on the early Earth system,» Nature Ecology & Evolution (12 Jul 2024), doi: https://doi.org/10.1038/s41559-024-02461-1 [la información suplementaria en PDF].

LUCA es antepasado (ancestro) de todos las procariotas, que se clasifican en arqueas y eubacterias (cuyos últimos ancestros son LACA y LBCA). Para datar a LUCA se usa un análisis filogenético basado en la hipótesis del reloj molecular (que el ritmo promedio de mutaciones es constante en el tiempo). Para construir los árboles filogenéticos hay que seleccionar proteínas bien conservadas en arqueas y eubacterias, que podrían haber heredado de LUCA. La novedad de este estudio es una ingeniosa selección de dichas proteínas: se han elegido 5 parejas de genes parálogos; recuerda que dos genes son homólogos si proceden de un ancestro común, siendo ortólogos si acaban en dos especies distintas y parálogos si permanecen en la misma especie. El número típico de parejas de genes parálogos en arqueas y eubacterias está entre 10 y 15; entre ellos se han seleccionado las 5 parejas mejor conservados en una selección (bien diversa) de 700 genomas procariotas, 350 arqueas y 350 eubacterias. Estas 5 parejas pertenecen a familias de genes bien conservadas (ATP, EF, SRP, Tyr y Leu), lo que apoya que pudieran existir en LUCA y antes incluso, en pre-LUCA.

Esta figura muestra el árbol filogenético usado en la datación de LUCA. Quizás te sorprenda que LUCA aparece dos veces (como si hubiera dos copias completas del árbol); además, la raíz del árbol sugiere la existencia de un pre-LUCA. Este truco se usa para reducir el error en la datación (la dispersión para la datación de LUCA se reduce casi a la mitad de la obtenida para pre-LUCA). Hay que recordar que el gran problema de la datación mediante árboles filogenéticos es que el error crece desde la actualidad (la parte derecha del árbol, donde aparecen organismos actuales con las parejas de parálogos) hasta el pasado (hacia la parte izquierda del árbol que debe acabar en un único ancestro, pre-LUCA en este caso). Para reducir este error se usa una calibración basada en 13 fósiles bacterianos (marcados en el árbol como pequeñas estrellas moradas en la parte derecha), que se supone que están bien datados (en la información suplementaria se presentan en detalle su método de datación y sus incertidumbres).

Sin entrar en más detalles de la metodología (todos los datos están disponibles en GitHub junto a los software de análisis), se han usado dos técnicas para calcular la datación, ILN (independent-rates log-normal), en color naranja, y GBM (geometric Brownian motion), en color azul. La datación de LUCA con ILN es de 4.09–4.32 Ga y con GBM de 4.18–4.33 Ga (la datación de pre-LUCA estaría entre 3.94–4.52 Ga, con mayor error que las de LUCA). Que LUCA haya existido hace unos 4200 millones de años, antes del (hipotético) bombardeo intenso tardío (LHB), hace entre 3.7–3.9 Ga, sugiere que o bien LUCA sobrevivió al LHB porque fue más débil de lo que suele suponer, o bien no existió el LHB (los autores de este trabajo parecen preferir esta posibilidad).

Para estimar la fisiología (metabolismo) de LUCA se ha usado el algoritmo probabilístico de reconciliación ALE (amalgamated likelihood estimation). Se ha aplicado a árboles filogenéticos construidos a partir de la base de datos KO (KEGG Orthology), que agrupa los genes de organismos en familias de genes ortólogos (la gran ventaja de KEGG es que incluye anotaciones con la función biológica de las proteínas). Se han seleccionado las familias KO mejor conservadas entre los 700 genomas procariotas estudiados; han resultado 399 familias KO que podrían estar presentes en LUCA. El algoritmo ALE permite inferir la historia de las duplicaciones, transferencias y pérdidas de genes. Aquí se ha usado para asignar una probabilidad de presencia (PP) en LUCA para cada una de dichas familias de genes. A partir de dichas probabilidades (asociadas a las familias de genes, no a los genes individuales) se ha estimado el tamaño del genoma en 2.75 megabases (2.49–2.99 Mb al 95 % CL); más grande de lo estimado en artículos previos. Además, se estima que su proteoma tendría 2657 proteínas (2451–2855 al 95 % CL). Si futuros estudios confirman estos números, LUCA sería muy similar en complejidad a cualquier procariota actual, a pesar de existir cuando la Tierra tenía poco más de 300 millones de años. Que tan pronto haya organismos tan complejos como los actuales me genera dudas sobre este estudio. Los expertos en el origen de la vida tendrán que decidir si pudo existir una evolución prebiótica tan rápida como conducir a algo tan complejo en tan poco tiempo y en un ambiente tan hostil como el de la Tierra primigenia.

Como el método ALE asigna probabilidades PP a las 399 familias de proteínas KO, se puede reconstruir el metabolismo de LUCA. Esta espectacular figura muestra sus rutas metabólicas con una PP > 0.75 en negro y con una PP > 0.5 en gris. Lo más llamativo es el ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico) que está casi completo. En humanos se realiza en la mitocondria, siendo la primera etapa de la respiración celular aeróbica (la que usa oxígeno para obtener energía), aunque el ciclo de Krebs es anaeróbico (no necesita oxígeno); por razones obvias, LUCA es anaerobio. También está casi completa la ruta de Wood–Ljungdahl (reductora de la acetil-CoA),​ que permite a las procariotas consumir hidrógeno y producir ácido acético (acetogénesis). No quiero entrar en todos los detalles, pero el metabolismo propuesto es muy complejo (incluyendo metanogénesis, gluconeogénesis,  glucólisis, síntesis de ATP y biosíntesis de aminoácidos entre otras); los interesados disfrutarán de los detalles en el artículo.

Me ha sorprendido mucho la presencia de 19 familias de proteínas de tipo CRISPR-Cas de clase 1 en el genoma de LUCA. Supongo que ni en sus sueños podría imaginar Francis Mojica que sus secuencias CRISPR pudieran existir en LUCA. Hay presencia de proteínas Cas3 (hasta PP = 0.80), Cas10 (hasta PP = 0.96) y Cas7 (hasta PP = 0.98); están ausentes las proteínas Cas1 y Cas2, lo que sugiere que el sistema CRISPR-Cas de LUCA era primitivo. La presencia de este sistema inmunitario para combatir virus sugiere que la vida celular en tiempos de LUCA estaba acompañada de una rica población de virus. Debo confesar que me abruma una fisiología tan compleja en un organismo tan temprano como LUCA, surgido a poco más de 300 millones de años desde la formación de la Tierra. Mi escepticismo me lleva a concebir multitud de sesgos detrás del, en apariencia, riguroso análisis estadístico realizado. Los autores del estudio son los más reputados expertos mundiales en este tipo de análisis. Pero los resultados son tan revolucionarios que no puedo dejar de tener dudas por doquier.

Una fisiología tan complicada para un organismo tan primitivo como LUCA exige postular que vivía en un nicho ecológico rico en otros microorganismos (que se extinguieron sin dejar huella en los organismos actuales). Los organismos acetogénicos actuales, tanto autótrofos como heterótrofos, tienen un rendimiento energético bajo y su crecimiento tiene baja eficiencia. Esto sugiere que la biosfera primitiva era limitada en energía. En el artículo se sugiere que LUCA era heterótrofo y formaba parte de un ecosistema que contenía otros microorganismos que eran fuente de compuestos orgánicos que necesitaba; se considera más improbable que fuera quimioautótrofo. Pero nos movemos en un terreno donde las hipótesis son muy especulativas.

Lo habitual es asumir que LUCA vivió en fuentes hidrotermales en el fondo oceánico, donde la serpentinización es una fuente de hidrógeno molecular. Así lo sugiere la presencia de proteínas como la girasa inversa (PP = 0.97). Pero también se detecta la presencia de proteínas inesperadas (como la liasa del fotoproducto de las esporas, con PP = 0.88), que hoy en día está relacionada con la protección del ADN ante la radiación ultravioleta (UV). Estas proteínas inesperadas para un organismo que viva en los fondos oceánicos le sugiere a los autores que LUCA, gracias a su complejidad, también podría vivir cerca de la superficie del océano (donde la fuente de hidrógeno sería la atmósfera, producto del vulcanismo o metamorfismo). Como es una hipótesis muy radical, la suavizan afirmando que podría vivir en aguas someras (lo que exige que el LHB hubiera sido muy leve o inexistente). También sugieren como tercera posibilidad la combinación de ambas hipótesis, que LUCA podría vivir en fuentes hidrotermales en aguas someras.

En mi opinión, los autores pasan de envidar a la chica a envidar a la mayor y acaban con un órdago. Me parece muy especulativa la idea de que su LUCA compleja tenía un rol clave en su hábitat, siendo capaz de moldear dicho ecosistema, lo que le permitió acabar como último ancestro común universal. Creo que las hipótesis de los autores sobre la fisiología de LUCA en el marco de un hábitat complejo necesitan el apoyo de un estudio biogeoquímico específico. Por ello, yo no me tomaría muy en serio sus especulaciones. Lo que no quita que sea un trabajo muy interesante, revolucionario en cuanto a lo que imaginábamos sobre LUCA, que tendrá gran impacto. Habrá que estar al tanto de lo que opinan los expertos en química prebiótica y origen de la vida.