Una nueva investigación sobre la aparición de las primeras células complejas desafía la ortodoxia

Al principio, había aburrimiento. Tras el surgimiento de la vida celular en la Tierra, hace unos 3.500 millones de años, las células simples que carecían de núcleo y otra estructura interna detallada dominaron el planeta. Las cosas permanecerían prácticamente sin cambios en términos de desarrollo evolutivo en estas llamadas células procariotas, las bacterias y las arqueas, durante otros mil millones y medio de años.

Entonces, sucedió algo notable y sin precedentes. Surgió un nuevo tipo de célula, conocida como eucariota. Los eucariotas desarrollarían muchos módulos u orgánulos internos complejos, incluido el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi y las mitocondrias, formando tipos de células muy diversos, precursores de toda la vida vegetal y animal posterior en la tierra. Las células procariotas, que incluyen bacterias y arqueas, son organismos estructuralmente simples, que carecen de la estructura interna compleja que se encuentra en los eucariotas. Todas las especies vivas de plantas y animales en la actualidad tienen su origen en el Último Ancestro Común Eucariótico o LECA. La transición de procariota a eucariota sigue siendo un misterio central que los biólogos aún están tratando de desentrañar.

Cómo se produjo esta transición crucial sigue siendo un misterio central en biología.

En un nuevo estudio, Paul Schavemaker, investigador del Biodesign Center for Mechanisms of Evolution y Sergio Muñoz-Gómez, anteriormente de la Universidad Estatal de Arizona y actualmente investigador de la Université Paris-Saclay, Orsay, Francia, dan una nueva mirada a la rompecabezas de la emergencia eucariota.

Su estudio, que aparece en el número actual de la revista Naturaleza Ecología y Evolucióndesafía un escenario popular planteado para explicar la llegada de los primeros organismos eucariotas.

Los investigadores exploran en detalle los requisitos energéticos de las células eucariotas, que son, en promedio, más grandes y más complejas en comparación con las procariotas. Sus resultados cuantitativos se oponen a un dogma reinante, presentado por primera vez por los biólogos Nick Lane y Bill Martin.

Génesis a Apocalipsis

La idea básica de Lane y Martin es que el destino del desarrollo de una célula se rige por su suministro de energía. Los procariotas simples son en su mayoría pequeños y consisten en células individuales o pequeñas colonias y pueden subsistir con reservas de energía más limitadas para impulsar sus actividades. Pero una vez que una célula alcanza el tamaño y la complejidad suficientes, eventualmente alcanza una barrera, más allá de la cual tales procariotas no pueden pasar. O eso dice la teoría.

De acuerdo con esta idea, un evento singular en la historia de la Tierra dio un repentino surgimiento a los eucariotas, que luego crecieron y se diversificaron para ocupar todos los nichos ecológicos del planeta, desde respiraderos submarinos hasta la tundra ártica. Esta gran diversificación se produjo cuando una célula procariota de vida libre adquirió otro diminuto organismo dentro de los confines de su interior.

A través de un proceso conocido como endosimbiosis, la nueva célula residente es absorbida por este protoeucariota, proporcionándole energía adicional y permitiendo su transformación. El endosimbionte que ha adquirido eventualmente se convertiría en mitocondria, centrales eléctricas celulares que se encuentran solo en las células eucariotas.

Debido a que toda la vida compleja de hoy se puede rastrear hasta una sola rama eucariota del árbol evolutivo, se ha asumido que este evento endosimbiótico fortuito, la adquisición de mitocondrias, ocurrió una y solo una vez durante toda la historia de la vida en la Tierra. Este accidente de la naturaleza es la razón por la que todos estamos aquí. Sin las mitocondrias, el mayor volumen y complejidad de los eucariotas no serían energéticamente viables.

No tan rápido, afirman los autores del nuevo estudio.

Cruzando las fronteras

Schavemaker señala que, si bien la distinción entre procariotas y eucariotas entre los organismos que viven hoy en día es obvia, las cosas eran más turbias durante la fase de transición. Eventualmente, se adquirirían todos los rasgos comunes de los eucariotas existentes, lo que daría lugar a un organismo al que los investigadores se refieren como LECA o el último ancestro común eucariota.

El nuevo estudio explora el advenimiento de los primeros eucariotas y señala que, en lugar de una línea divisoria rígida que los separe de sus ancestros procariotas, la imagen real es más confusa. En lugar de un abismo infranqueable entre procariotas y eucariotas en términos de volumen celular, complejidad interna y número de genes, las dos formas celulares disfrutaron de una superposición considerable.

Los investigadores investigan una variedad de tipos de células procariotas y eucariotas para determinar a) cómo el volumen celular en procariotas puede actuar eventualmente para restringir el área de superficie de la membrana de una célula requerida para la respiración, b) cuánta energía debe dirigir una célula a las actividades del ADN en función de la disposición. de su genoma yc) los costos y beneficios de los endosimbiontes para células de varios volúmenes.

Resulta que las células pueden crecer hasta alcanzar un volumen considerable y adquirir al menos algunas de las características de las células complejas sin dejar de tener un carácter principalmente procariótico y sin la presencia de mitocondrias.

Las mitocondrias son las centrales eléctricas de energía en las células eucariotas. Una hipótesis popular afirma que estos orgánulos eran un requisito previo para la transición de procariotas más simples, como bacterias y arqueas, a organismos eucariotas más grandes y complejos. El nuevo estudio desafía esta suposición. Gráfico de Jason Drees

Aumento de la demanda de energía

Los investigadores examinaron cómo los requisitos respiratorios de una célula, medidos por la cantidad de moléculas de ATP sintasa disponibles para suministrar energía ATP para el crecimiento y el mantenimiento celular, aumentan con el volumen de una célula. También describen cómo los requisitos de energía escalan con el área de superficie celular, basándose en datos de Lynch y Marinov.

«De hecho, observamos el área de la superficie de la célula y descubrimos que la cantidad de ATP sintasas aumenta más rápido que la membrana celular», dice Schavemaker. «Esto significa que en algún punto de aumento del tamaño de la célula, habrá un límite de volumen, donde las ATP sintasas no pueden suministrar suficiente ATP para que la célula se divida a una velocidad determinada». Los eucariotas superan esta barrera a través de un área de superficie respiratoria adicional proporcionada por estructuras internas unidas a la membrana como las mitocondrias.

Curiosamente, este límite de volumen celular no se produce en el límite de procariotas y eucariotas, como prediría la teoría anterior. En cambio, «ocurre en volúmenes celulares mucho más grandes, alrededor de 103 micras cúbicas, lo que abarca una gran cantidad de eucariotas existentes. Y eso es lo que nos ha hecho pensar que las mitocondrias probablemente no eran absolutamente necesarias. Es posible que hayan ayudado, pero no eran esenciales para esta transición a volúmenes más grandes», dice Schavemaker.

Algo similar ocurre cuando se compara la disposición de los genes en procariotas y eucariotas. Se dice que la arquitectura del genoma de los procariotas es simétrica y consiste en una longitud circular de ADN de doble cadena. Muchas bacterias albergan múltiples copias de su genoma por célula.

Pero los eucariotas tienen una arquitectura genómica diferente, conocida como asimétrica. La ventaja clave de la disposición del genoma eucariótico es que no tienen que mantener copias del genoma por toda la célula, como los procariotas. Para la mayoría de los genes, los eucariotas pueden mantener una o dos copias en el núcleo; solo una pequeña cantidad de genes está presente en las muchas copias del genoma mitocondrial que se encuentran esparcidas por toda la célula.

Por el contrario, las bacterias grandes tienen muchas copias de su genoma completo, y cada genoma contiene una copia de cada gen presente en toda la célula. Esta distinción ha permitido que los eucariotas crezcan considerablemente de tamaño sin enfrentarse a las mismas limitaciones energéticas impuestas a los procariotas. Pero una vez más, los investigadores observaron una superposición significativa en el número de genes de procariotas y eucariotas, lo que sugiere que los procariotas pueden expandir su número de genes en el dominio generalmente asociado con eucariotas más grandes, hasta que alcanzan un umbral crítico más allá del cual su simetría genómica se convierte en un factor limitante. .

LECA revisado

La nueva imagen de la evolución eucariota temprana proporciona una alternativa plausible al paradigma de las mitocondrias primero. En lugar de que la evolución marque el comienzo de la era de los eucariotas con un gran gesto: la adquisición fortuita de un prototipo mitocondrial, una serie de cambios tentativos, graduales y escalonados durante vastos períodos de tiempo finalmente produjeron células complejas repletas de estructuras internas sofisticadas y capaces de una diversificación explosiva. .

Investigaciones anteriores de Lynch y Marinov citadas en el nuevo estudio adoptan una visión algo más radical, lo que implica que las mitocondrias ofrecían pocos o ningún beneficio a los primeros eucariotas. El nuevo estudio replantea una posición más moderada, sugiriendo que más allá de un volumen celular crítico, las mitocondrias y quizás otras características de las células eucariotas modernas habrían sido necesarias para satisfacer las necesidades energéticas de las células grandes, pero una variedad de protoeucariotas más pequeños podrían haberlo hecho. hecho muy bien sin estas innovaciones.

Por lo tanto, la transición al misterioso evento LECA puede haber estado precedida por una serie de organismos, que inicialmente pueden haber estado libres de mitocondrias.

La nueva investigación también cuestiona el momento de los eventos de transición eucariota. Quizás la gran transición comenzó con el desarrollo de un citoesqueleto eucariótico u otra estructura avanzada. Las mitocondrias internas con su genoma celular adicional pueden haber comenzado cuando un procariota más pequeño fue engullido por uno más grande, a través de un proceso conocido como fagocitosis, o quizás las mitocondrias invadieron al primer procariota como parásito. Se requerirá mucha más investigación para colocar con confianza la serie de eventos que conducen a eucariotas de pleno derecho en su secuencia adecuada.

«No sabemos qué avances llegaron primero», dice Schavemaker. «Se podría imaginar una serie de organismos que primero comenzaron con endomembranas y vesículas internas. Luego, desarrollan el ER a partir de esto, que lleva a cabo el manejo de las proteínas de la membrana, y de esto se obtiene el núcleo. Y tal vez luego