Al cultivar un microbio con tentáculos inusual en el laboratorio, los microbiólogos pueden haber dado un gran paso hacia la resolución de las primeras ramas del árbol de la vida y desentrañar uno de sus grandes misterios: cómo las células complejas que forman el cuerpo humano y todas las plantas, animales, y muchos organismos unicelulares—llegaron a ser por primera vez. Dichos microbios, llamados Asgard archaea, se han cultivado anteriormente, una vez, pero el avance informado hoy en Naturaleza marcas la primera vez que se cultivan en concentraciones lo suficientemente altas como para estudiar sus entrañas en detalle.
Las imágenes de microscopía electrónica resultantes revelan estructuras internas complejas que sugieren las de nuestras propias células, lo que respalda la idea aún controvertida de que los antiguos microbios similares a Asgard pueden haber sido el ancestro clave de las células complejas. El microbio, de lodo de 15 centímetros de profundidad en un canal en un estuario en Eslovenia, posee un citoesqueleto complejo hecho de la proteína actina, lo que sugiere que esta estructura surgió en las arqueas antes de convertirse en una parte integral de las células vegetales y animales. Esos hallazgos se suman al trabajo reciente que muestra que las arqueas de Asgard poseen genes que alguna vez se pensó que existían solo en organismos más complejos, otra indicación de que pueden ser un precursor evolutivo importante.
“Este artículo es hermoso”, dice Buzz Baum, biólogo de células evolutivas del Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica. “Las imágenes son impresionantes”. Baum sospecha que muchos investigadores querrán estudiar los microbios recién cultivados.
Considerado un tercer dominio de la vida por la mayoría de los científicos, las arqueas son distintas de las bacterias y los eucariotas, la rama evolutiva que incluye a los humanos. Aún así, las arqueas y las bacterias tienen algunas similitudes clave: por lo general, ninguna tiene características eucariotas centrales como las mitocondrias, las centrales eléctricas internas de las células o el ADN encerrado dentro de un núcleo, por ejemplo. Aunque muchos investigadores creen que las primeras células eucariotas surgieron después de que un archaeon engullera una bacteria que se convirtió en la mitocondria, se han esforzado por descubrir cómo evolucionaron otras características de los eucariotas, como sus muchas membranas internas y orgánulos. “Hasta hace poco, el viaje de la vida hacia la complejidad era borroso”, dice Masaru Nobu, microbiólogo del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industriales Avanzadas.
Genes reveladores
La idea de que las arqueas similares a Asgard podrían ser los ancestros de los eucariotas surgió en 2015 cuando Thijs Ettema, un microbiólogo ambiental de la Universidad de Wageningen, descubrió genes similares a los eucariotas en extrañas arqueas de muestras de sedimentos recolectadas por Christa Schleper, ahora microbióloga ambiental de la Universidad de Viena y su alumno, Steffen Jørgensen. Para 2017, Ettema había encontrado genes similares en varios grupos más de arqueas, que en conjunto forman los Asgard.
En ese momento, sin embargo, Ettema solo había ensamblado aproximadamente genomas improvisados a partir de ADN ambiental (eDNA), que generalmente incluye material genético de muchos organismos en una muestra de suelo o agua, y los escépticos argumentaron que no podía estar seguro de que los genes de tipo eucariota realmente pertenecieran. a las arqueas. Pero en 2019, el equipo de Nobu cultivó el primer microbio Asgard, aislado del lodo oceánico frente a las costas de Japón, e informó que su genoma también tenía genes eucariotas.
La evidencia adicional llegó a principios de este año cuando Victoria Orphan, geobióloga del Instituto de Tecnología de California y sus colegas aislaron suficientes de otras dos especies de Asgard, de rocas recolectadas de un respiradero hidrotermal en el Golfo de California, para secuenciar sus genomas completos. Los genes en esos genomas reforzaron el caso de que estos genes realmente surgieron en las arqueas. Además, los genomas albergaban fragmentos móviles de ADN que contenían genes bacterianos implicados en el metabolismo, lo que sugiere que estos elementos desempeñó un papel en la transferencia de genes entre las principales ramas de la vidaOrphan y sus colegas informaron el 13 de enero en Microbiología de la naturaleza.
Al comparar las proteínas codificadas por las arqueas de Asgard y los eucariotas, investigadores como Ettema, Baum y Mohan Balasubramanian, microbiólogo celular de la Universidad de Warwick, conectaron recientemente los dos dominios de otra manera. Se centraron en los complejos de proteínas que interactúan y que las células eucariotas utilizan para doblar, cortar y unir sus membranas para unir los compartimentos internos. Hasta ese momento, solo se habían encontrado dos de esos complejos de proteínas en arqueas. Pero los genomas de Asgard contienen instrucciones para hacer cuatro de ellosinformó el equipo el 13 de junio en Comunicaciones de la naturaleza.
Después de predecir las estructuras de las proteínas, el grupo sintetizó algunas de las moléculas en el laboratorio y demostró que funcionan de manera similar a las versiones eucariotas. Para los científicos, eso sugiere que esta maquinaria de manipulación de membranas es anterior a la evolución de los eucariotas.
Un nuevo Asgard
Para concretar estas preguntas, los científicos necesitan trabajar con células Asgard, pero se necesitaron 12 años de prueba y error para cultivar el primer Asgard, y el segundo descrito hoy no fue mucho más fácil. “No sabía lo difícil que sería”, dice Schleper, quien dirigió el proyecto de 7 años.
Con sus largos tentáculos, las células de Asgard son frágiles, por lo que fue un desafío concentrarlas transfiriéndolas de un matraz de crecimiento a otro o estudiarlas tiñéndolas antes de ponerlas bajo un microscopio. Finalmente, el postdoctorado de Schleper, Thiago Rodrigues-Oliveira, ideó una forma de cultivarlos en concentraciones lo suficientemente altas como para crear muestras para tomografía crioelectrónica (crio-ET), una técnica en la que las muestras congeladas rápidamente se inclinan y se observan desde muchos ángulos mediante un microscopio electrónico. para desarrollar una imagen compuesta. Pero los estudios de imágenes del equipo se complicaron por el hecho de que las muestras que cultivó también contenían otros dos microbios. Un descubrimiento de 2020 los ayudó a encontrar el Asgard al final.
Hace dos años, la geomicrobióloga Jennifer Glass del Instituto de Tecnología de Georgia notó algo inusual en los ribosomas, las estructuras celulares que traducen la información genética en proteínas, en los Asgard de los sedimentos de aguas profundas. Los genes de una parte clave de estas estructuras eran mucho más largos, por lo que los ribosomas resultantes eran mucho más grandes que los de otros procariotas e incluso los de muchos eucariotas. Entonces, los colaboradores de Schleper, Martin Pilhofer y Florian Wollweber en ETH Zürich pudieron seleccionar células de Asgard buscando ribosomas grandes. Aun así, Wollweber tardó 36 horas en identificar solo 17 de los microbios en las imágenes crio-ET.
El nuevo Asgard, que es lo suficientemente diferente genéticamente del aislado por el equipo de Nobu y de los estudiados por Orphan como para ponerlo en un género separado con el nombre provisional. Lokiarchaeum ossiferum, también tiene tentáculos, pero hay engrosamientos y pequeñas burbujas que sobresalen a lo largo de los tentáculos. Su pared celular también es compleja, con diminutas estructuras de piruletas que sobresalen, como para probar el entorno. “En general, las estructuras celulares de [these cells] parece que vienen de otro planeta”, dice Ettema.
Su genoma es más grande y tiene más genes eucariotas que los otros Asgard cultivados, y su ADN incluye cuatro genes para la proteína actina, un componente clave del esqueleto interno de una célula eucariota, informa el equipo de Schleper. Ese esqueleto se extiende por toda la célula y dentro de los tentáculos, y varía de una célula a otra, lo que sugiere que es capaz de reorganizarse. “Demostramos que el citoesqueleto ‘eucariota’, que es crucial para los eucariotas, fue un invento dentro de las arqueas, lo que significa que evolucionó antes de la aparición de las primeras células eucariotas”, explica Schleper.
«Este estudio refuerza aún más el hecho de que nuestro antepasado es la arquea», coincide el colaborador de Nobu, Hiroyuki Imachi, microbiólogo de la Agencia Japonesa para la Ciencia y la Tecnología de la Tierra y el Mar.
Algunos científicos ahora creen que el escenario más probable para el surgimiento de los eucariotas, unos 2 mil millones de años después de que surgieran las bacterias y las arqueas, es que un microbio similar a Asgard envolvió a una bacteria que usa oxígeno, convirtiéndola en un productor de energía adicional para su huésped. Las arqueas también pueden haber adquirido otras bacterias para formar la célula combinada que comprende los eucariotas.
Pero no todos están de acuerdo. Algunos biólogos evolutivos, incluido Patrick Forterre del Instituto Pasteur, han argumentado que los árboles genealógicos construidos en base a la comparación de ciertos genes de Asgard y eucariotas no respaldan que las arqueas de Asgard desempeñen un papel tan predominante en el nacimiento de los eucariotas. Y el año pasado, Sven Gould, biólogo de células evolutivas de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf, calculó que las arqueas de Asgard contribuyeron muy poco a los primeros eucariotastan solo el 0,3% de las familias de proteínas que se cree que existen en el ancestro común de los eucariotas.
Gould está de acuerdo con la opinión generalizada de que una fusión entre las arqueas y las bacterias dio lugar a los primeros eucariotas, pero cree que la pareja de las arqueas no se parecía en nada a los microbios recién cultivados. En cambio, dice, la evidencia genética apunta a un huésped mucho más simple. En un artículo del 10 de noviembre en eLifeGould y sus colegas proponen que fue la presencia de bacterias dentro de estas células que causó nuevas tensiones en los procesos celulares de Archaea que estimuló la evolución de las características eucarióticas como el núcleo, y la red de membranas y compartimentos internos llamado aparato de Golgi, e incluso la evolución del sexo.
Ettema también cree que la historia completa aún no se ha revelado. Señala que según el muestreo de eDNA de su grupo y otros, los dos Asgards cultivados representan solo un pequeño subconjunto de la diversidad del grupo. Señala que un trabajo reciente indica que los eucariotas se ramificaron de una rama específica de las arqueas de Asgard. Además, el último ancestro común de las arqueas de Asgard y los eucariotas probablemente era muy diferente de las dos arqueas de Asgard caracterizadas hasta ahora. Entonces, él y otros están tratando de cultivar y caracterizar a otros Asgards.
Los microbiólogos y los biólogos evolutivos esperan ansiosamente los resultados de esos esfuerzos. «Será emocionante ver qué otras arqueas similares a Asgard se descubren y cómo se ven», dice Baum.
