Una transición de fase algorítmica evolutiva hace 2.600 millones de años puede haber provocado la aparición de células eucariotas

Una colaboración internacional entre cuatro científicos de Mainz, Valencia, Madrid y Zurich ha publicado nueva investigación en el Actas de la Academia Nacional de Cienciasarrojando luz sobre el aumento más significativo de la complejidad en la historia de la evolución de la vida en la tierra: el origen de la célula eucariota.

Si bien la teoría endosimbiótica es ampliamente aceptada, los miles de millones de años que han pasado desde la fusión de una arquea y una bacteria han resultado en una falta de intermedios evolutivos en el árbol filogenético hasta la aparición de la célula eucariota. Es una brecha en nuestro conocimiento, conocida como el agujero negro en el corazón de la biología.

«El nuevo estudio es una combinación de enfoques teóricos y observacionales que comprenden cuantitativamente cómo se transformó la arquitectura genética de la vida para permitir tal aumento en la complejidad», declaró el Dr. Enrique M. Muro, representante de la Universidad de Johannes Gutenberg, Mainz (JGU) en este proyecto.

Las proteínas y los genes que codifican proteínas aumentan en la longitud

El artículo en PNAS Demuestra que las distribuciones de longitudes de proteínas y sus genes correspondientes siguen distribuciones log-normales en todo el árbol de la vida. Para hacer esto, se analizaron 9,913 proteomas diferentes y 33,627 genomas. Las distribuciones log-normales generalmente surgen como resultado de procesos multiplicativos.

Después del principio de navaja de afeitar de Ockham, los investigadores modelaron la evolución de las distribuciones de longitud genética como procesos estocásticos multiplicativos. De hecho, modelaron la acción de todos los operadores genéticos combinados en relación con la longitud de la secuencia.

Comenzando a partir de Luca, es decir, el presupuesto hipotéizado de los últimos ancestros comunes universales del cual los tres dominios de la vida: las bacterias, las arqueas y la Eukarya, originadas, los investigadores encontraron tanto teóricamente como observacionalmente que las longitudes genéticas promedio han evolucionado exponencialmente sobre el tiempo evolutivo en las diferentes especies. Además, descubrieron un mecanismo invariante de escala de crecimiento génico en todo el árbol de la vida, donde la varianza depende directamente de la longitud media de la proteína.

Al representar todas las especies capturadas en los 33,627 genomas, el equipo pudo verificar las predicciones y, además, mostrar que la longitud promedio del gen es un muy buen sustituto para la complejidad organismo. En un ejercicio puro de biología cuantitativa, el Dr. Bartolo Luque de la Universidad Politécnica de Madrid agregó: «Al conocer la longitud promedio de los genes codificadores de proteínas en una especie, podemos calcular toda la distribución de la longitud del gen dentro de esa especie».

Al representar la evolución de las longitudes promedio de proteínas versus sus longitudes de genes correspondientes en diferentes especies, se observa que evolucionan simultáneamente en procariotas, porque casi no hay secuencias no codificantes en sus genes. Sin embargo, una vez que la longitud del gen promedio alcanza 1,500 nucleótidos, las proteínas se desacoplan del proceso multiplicativo de crecimiento del gen, y la longitud promedio de la proteína se estabiliza después del inicio de la célula eucariota a aproximadamente 500 aminoácidos en un umbral claro, marcando la apariencia de la célula eucariota.

A partir de ese momento, y a diferencia de lo que sucede con las proteínas, la longitud promedio del gen continúa aumentando como lo hizo en los procariotas, debido a la presencia de secuencias no codificantes.

Transición de fase algorítmica

Luego, un análisis de fenómenos críticos concluyó que una transición de fase, bien estudiada en la física de los materiales magnéticos, ocurrió a una longitud del gen crítico de 1.500 nucleótidos. Esto marcó la eucariogénesis y divide la evolución de la vida en dos fases distintas: una fase de codificación (prokarya) y una fase no codificante (eukarya).

Además, se observan fenómenos característicos de estas transiciones, como la desaceleración crítica, donde la dinámica del sistema queda atrapada en muchos estados metaestables alrededor del punto crítico. «Esto se corrobora en los primeros protistas y hongos», dijo el Dr. Fernando Ballesteros de la Universidad de Valencia.

Además, «la transición de fase fue algorítmica», agregó el profesor Jordi Basccomte de la Universidad de Zúrich. En la fase de codificación, en un escenario cercano a Luca, con proteínas cortas, aumentar la longitud de las proteínas y sus genes correspondientes fue computacionalmente simple. Sin embargo, a medida que crecieron las longitudes de proteínas, la búsqueda de proteínas más largas se volvió inútil.

Esta tensión causada por genes que crecieron a la misma velocidad que antes, mientras que las proteínas no pudieron se resolvieron continuamente pero abruptamente con la incorporación de secuencias no codificantes en los genes.

Con esta innovación, el algoritmo para buscar nuevas proteínas redujo rápidamente su complejidad computacional, convirtiéndose en no lineal a través del empalme y el núcleo, que separó la transcripción y el empalme de la traducción. Esto sucedió en el punto crítico de transición de fase, que este estudio data de hace 2.600 millones de años.

El estudio no solo responde preguntas esenciales, sino que es interdisciplinaria, que combina biología computacional, biología evolutiva y física. «Tiene el potencial de interesar a una amplia audiencia en muchas disciplinas y servir como base para que otros grupos exploren diferentes vías de investigación, como la teoría de energía o información», enfatizó el Dr. Muro del Instituto de Evolución Organismic y Molecular en la Universidad de Mainz.

La célula eucariota, el aumento más significativo en la complejidad en la historia de la evolución de la vida en la Tierra, surgió como una transición de fase y desbloqueó el camino hacia otras transiciones importantes, como multicelularidad, sexualidad y sociabilidad, que dio forma a la vida en nuestro planeta como lo conocemos hoy.