Eucariotas: historia de su ascendencia arqueológica

CIENCIASBIOLOGÍAEucariotas: historia de su ascendencia arqueológica

La agrupación tradicional de formas de vida en procariotas y eucariotas se revisó en 1977 cuando la caracterización de la secuencia de ARNr reveló que las arqueas (entonces llamadas 'arqueobacterias') están "tan distantemente relacionadas con las bacterias como las bacterias con los eucariotas". en eubacterias (que comprenden todas las bacterias típicas), arqueas y eucariotas. Quedaba pendiente la cuestión del origen de los eucariotas. A su debido tiempo, comenzaron a acumularse evidencias a favor de la ascendencia arqueológica de los eucariotas. De particular interés fue el hallazgo de que Asgard archaea tiene varios cientos de genes de proteínas de firma eucariotas (ESP) en su genoma. Los ESP juegan un papel crucial en el desarrollo del citoesqueleto y las estructuras celulares complejas características de los eucariotas. En un estudio innovador publicado el 21 de diciembre de 2022, los investigadores informaron el cultivo exitoso de una cultura enriquecida de escurridizas arqueas de Asgard que obtuvieron imágenes mediante tomografía crioelectrónica. Observaron que las células de Asgard tenían un citoesqueleto complejo basado en actina. Esta fue la primera evidencia visual directa de la ascendencia arqueológica de los eucariotas, un paso significativo en la comprensión del origen de los eucariotas.  

Hasta 1977, las formas de vida en la Tierra se agrupaban en eucariotas (formas complejas caracterizadas por la inclusión de material genético de la célula en un núcleo bien definido y la presencia de citoesqueleto) y procariotas (formas de vida más simples con material genético en el citoplasma sin un núcleos especificados, incluyendo bacterias y arqueobacterias). Se pensó que los eucariotas celulares evolucionaron hace unos 2 mil millones de años, probablemente a partir de los procariotas. Pero, ¿cómo se originaron exactamente los eucariotas? ¿Cómo se conectan las formas de vida celular complejas con las formas de vida celular más simples? Esta era una gran pregunta abierta en biología.  

Los avances tecnológicos en biología molecular de genes y proteínas ayudaron a profundizar en el núcleo del problema cuando, en 1977, se descubrió que las arqueas (entonces llamadas 'arqueobacterias') eran ''tan lejanamente relacionado con las bacterias como las bacterias lo están con los eucariotas.La distinción anterior de las formas de vida en procariotas y eucariotas se basaba en las diferencias fenotípicas a nivel de los orgánulos celulares. La relación filogenética debería, en cambio, basarse en una molécula ampliamente distribuida. El ARN ribosómico (ARNr) es una de esas biomoléculas que está presente en todos los sistemas autorreplicantes y cuyas secuencias cambian muy poco con el tiempo. El análisis basado en la caracterización de la secuencia de ARNr requirió la agrupación de organismos vivos en eubacterias (que comprenden todas las bacterias típicas), arqueas y eucariotas1.  

Posteriormente, comenzaron a surgir evidencias de una relación más estrecha entre arqueas y eucariotas. En 1983, se descubrió que las polimerasas de ARN dependientes de ADN de arqueas y eucariotas son del mismo tipo; ambos muestran propiedades inmunoquímicas sorprendentemente similares y ambos se derivan de una estructura ancestral común2. Basado en un árbol filogenético compuesto inferido de un par de proteínas, otro estudio publicado en 1989 reveló una relación más cercana de las arqueas con los eucariotas que con las eubacterias.3. En ese momento, se estableció el origen arqueal de los eucariotas, pero quedaban por identificar y estudiar las especies arqueales exactas.  

El crecimiento de los estudios genómicos tras el éxito del proyecto del genoma proporcionó un impulso muy necesario para esta área. Entre 2015 y 2020, varios estudios encontraron que las arqueas de Asgard portan genes específicos de eucariotas. Sus genomas están enriquecidos con proteínas consideradas específicas de los eucariotas. Estos estudios identificaron claramente que las arqueas de Asgard tienen la proximidad genética más cercana al eucariota en virtud de la presencia de cientos de genes de proteínas de firma eucariota (ESP) en su genoma.  

El siguiente paso fue visualizar físicamente la estructura del sótano interno de las arqueas de Asgard para confirmar el papel de los ESP, ya que se cree ampliamente que los ESP juegan un papel clave en la formación de estructuras celulares complejas. Para esto, se necesitaban cultivos altamente enriquecidos de esta arquea, pero se sabe que Asgard es escurridizo y misterioso. causando dificultad en el cultivo en cantidad suficiente para estudiarlos en un laboratorio. Según un estudio publicado recientemente el 21 de diciembre de 2022, esta dificultad ya se ha superado.  

Los investigadores, después de seis años de arduo trabajo, han improvisado técnicas y han cultivado con éxito en laboratorio, una cultura altamente enriquecida de 'Candidatus Lokiarchaeum ossiferum', miembro del filo Asgard. Este fue un logro notable, también porque permitió a los investigadores visualizar y estudiar las estructuras celulares internas de Asgard.    

Se empleó tomografía crioelectrónica para obtener imágenes del cultivo de enriquecimiento. Las células de Asgard tenían cuerpos celulares cocoides y una red de protuberancias ramificadas. La estructura de la superficie celular era compleja. Citoesqueleto extendido a lo largo de los cuerpos celulares. Los filamentos de doble hebra retorcidos comprenden Lokiactina (es decir, homólogos de actina codificados por Lokiarchaeota). Por lo tanto, las células de Asgard tenían un citoesqueleto complejo basado en actina, que los investigadores proponen, anterior a la evolución de los primeros eucariotas.  

Como la primera evidencia física/visual concreta de la ascendencia arqueológica de los eucariotas, este es un progreso notable en biología.

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Referencias:  

  1. Woese CR y Fox GE, 1977. Estructura filogenética del dominio procariótico: Los reinos primarios. Publicado en noviembre de 1977. PNAS. 74 (11) 5088-5090. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088  
  1. Huet, J., et al 1983. Las arqueobacterias y los eucariotas poseen polimerasas de ARN dependientes de ADN de un tipo común. EMBO J. 2, 1291–1294 (1983). DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x  
  1. Iwabe, N., et al 1989. Relación evolutiva de arqueobacterias, eubacterias y eucariotas deducidas de árboles filogenéticos de genes duplicados. proc. Academia Nacional. ciencia EE. UU. 86, 9355–9359. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355  
  1. Rodrigues-Oliveira, T., et al. 2022. Citoesqueleto de actina y arquitectura celular compleja en un archaeon de Asgard. Publicado: 21 de diciembre de 2022. Naturaleza (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y  

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Umesh Prasad
Umesh Prasad
Editor, Científico Europeo

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