Introducción al Origen de la Vida

Introducción al Origen de la Vida

(y la célula eucariota)

Cómo se originó la Vida es, sin duda, uno de los grandes interrogantes que el ser humano ha intentado responder desde siempre, y el origen de los organismos más complejos subyace bajo él. Es que es realmente difícil imaginarse qué fue lo que nos dio la oportunidad de vivir, cómo pudo surgir un sistema de relaciones tan altamente organizado como lo es la naturaleza, cuál fue la fuerza impulsora que dio origen a la unidad biológica más primitiva y cómo luego ésta evolucionó generando tanta diversidad.

Años de estudio, investigación –e imaginación también– dieron lugar a las más variadas hipótesis acerca del origen de la vida y de la célula eucariota después. Muchas de ellas fueron olvidadas por carecer de fundamento científico mientras que otras lograron –aunque más no sea sobre la base de modelos– explicar satisfactoriamente varios de los aspectos, en términos de evolución, a tener en cuenta al diagramar el largo camino que nos une (como organismos complejos) a la aparición de la primera unidad de vida.

Evidentemente, y por todo lo conocido en biología molecular, el primer organismo debe haber tenido dos propiedades importantes para la supervivencia: un metabolismo que le permitiera convertir los nutrientes en precursores biosintéticos y energía, y un mecanismo de herencia que le otorgara la capacidad de dividirse y transferir sus propiedades genéticas a la descendencia. El metabolismo primitivo probablemente haya sido anaeróbico –ya sea organo, foto o litotrófico– y la fotosíntesis primitiva pudo haber sido anoxigénica y luego haber evolucionado hacia una fotosíntesis oxigénica que implicó dos fotosistemas diferentes en las cianobacterias, con lo cual en la atmósfera aumentó la presión de oxígeno dándole lugar a la evolución de organismos superiores aerobios.

La prueba científica más exacta para validar y reafirmar cada una de las hipótesis que se plantean acerca del origen de la vida y de la célula eucariota es, en la actualidad, la comparación de secuencias peptídicas y nucleotídicas entre especies (conocida como reconstrucción filogenética). Esto es gracias al gran avance tecnológico que ha permitido desarrollar técnicas más precisas que ofrecen resultados más convincentes y con un fundamento más sólido, posteriormente avalados por el registro fósil y estudios ecológicos.

Después del descubrimiento de ciertos tipos de RNA que pueden actuar como catalizadores (ribozimas) se ha sugerido que las primeras formas de vida deben haber dependido del RNA como la única macromolécula en la célula, actuando tanto en un contexto informativo como enzimático. No obstante, el RNA como catalizador no es muy eficiente por lo cual la evolución de los catalizadores proteicos pudo llevar a un gran mejoramiento de la eficiencia celular. Luego el DNA pudo haber surgido porque provee una forma más estable de información genética que el RNA y puede ser copiado con más exactitud.

Es evidente que el sistema DNA-RNA-proteína ha sido exitoso, evolutivamente hablando, ya que de hecho todas las células que se conocen contienen las tres clases de macromoléculas informativas.

  En 1977 ocurrió la llamada “revolución Woesiana” que dividía al mundo viviente en tres reinos primarios: Eubacteria, Arqueabacteria y Eucariotas que luego fueron reclasificados como dominios Bacteria, Archea y Eucaria (Woese y Fox 1990). Woese especuló con la idea de un ancestro primitivo común o “progenota” del cual habrían derivado los tres dominios mientras que Gogarten e Iwabe en 1989 sugirieron dos cosas: que el ancestro común (o “cenancestro”) era procariótico y que los eucariotas eran descendientes directos de un ancestro arquea-eucarial común.

A pesar del éxito de este “modelo arqueal”, se han postulado varias hipótesis acerca del origen de los eucariotes, las cuales sugieren distintos ancestros o distintos mecanismos que pudieron dar origen a una célula más compleja como lo es la eucariota.

A continuación se detallan y analizan las hipótesis que más incidencia han tenido en la biología contemporánea en cuanto a su origen. Particularmente se profundizará en dos de ellas que constituyen los últimos adelantos: la hipótesis sintrófica y la de transferencia de hidrógeno que, si bien comparten grandes similitudes y ciertas diferencias claves, no dejan de ser modelos convincentes de lo que pudo haber sucedido... hace millones de años.  


Hipótesis sobre el Origen de la Célula Eucariota

Ancestro Eucariota

En 1974 Reanney, y en 1978 Darnell, plantearon una hipótesis completamente independiente acerca del origen de la célula eucariota. Postularon que el cenancestro era propiamente un eucariota. No obstante, los autores fallaron en explicar cómo fue, entonces, la transición entre este ancestro y una célula procariota, y la hipótesis fue olvidada.

En 1996, sin embargo, Forterre revivió esta teoría argumentando que los resultados de Woese y otros autores (ver Introducción) no eran más que artefactos derivados de los métodos filogenéticos inadecuados que utilizaron. Para no caer en lo mismo que Reanney y Darnell, Forterre hipotetizó que los procariotas surgieron a partir de un ancestro eucariota a través de un proceso reductivo como consecuencia de la adaptación a los ambientes hipertermofílicos. No obstante, esta idea no explica cómo pudo darse la evolución de una organización celular tan extremadamente complicada directamente a partir de sistemas pre-celulares. Si los eucariotas evolucionaron directamente de sistemas pre-celulares entonces debieron haber contado con un suministro de sustratos orgánicos prebióticos durante un largo período de tiempo, ya que los cloroplastos derivados de bacterias aparecieron después en el tiempo, y es altamente improbable que esto sucediera. Además, la vida eucariótica resulta incompatible con las altas temperaturas que el planeta soportó hace millones de años, para lo cual existe evidencia (Knauth 1992; Schwartzman y Shore 1996). Si bien podría pensarse que existieron ambientes moderadamente termofílicos compatibles con los límites de temperatura para eucariotas, se cree que los primeros seres vivos fueron autotróficos, contando con fuentes quimiolitotróficas. Finalmente, para terminar de refutar esta hipótesis, un ancestro eucariota estaría en contra de los registros fósiles de la era Precámbrica que sugieren que la mayoría de los fósiles, que datan de 3500 millones de años, son procariotas, mientras que los fósiles eucariotas datan de 1800 a 2100 millones de años.


Modelo arqueal

El resto de las hipótesis acerca del origen de la célula eucariótica se basan en la idea ya aceptada del cenancestro común procariota a partir del cual surgieron los dominios procariotas Archea y Bacteria.

El modelo arqueal, que sugiere la evolución directa del genoma nuclear eucariótico a partir de un ancestro arqueo-eucarial común, puede clasificarse como “autógeno” y no ha sido siempre apoyado por comparación de secuencias proteicas. Además, las limitaciones de los métodos de reconstrucción de la filogenia conllevan a asumir ciertas aproximaciones bastante irreales. Estos métodos son especialmente sensibles a diferentes tasas evolutivas entre los organismos estudiados, problema que se conoce con el nombre de “efecto de la tasa desigual”.  

 


Modelo arqueo-bacterial

Como resultado de todas las contradicciones surgidas por el modelo anterior, se postuló este modelo que sostiene la relación arqueo-bacterial como origen de los eucariotas. Esta hipótesis puede ser considerada “quimérica” o “heterogénea” y puede ser clasificada en tres subgrupos de acuerdo al tipo de relación ocurrida entre la arquea y la bacteria: fusión, fagotrofía o simbiosis (Figura 1). A continuación se detalla cada uno de estos subgrupos:

Fusión. (Zillig et al. 1989; Zillig 1991) Postula que el genoma nuclear eucariótico es el resultado de la unión de una arquea con una bacteria. El problema de este modelo es que –además de las dificultades mecanísticas–  falla en explicar el origen de la membrana nuclear y además se basa en eventos nunca observados en la naturaleza.

Fagotrofía. Propone el englobamiento de uno de los organismos involucrados por el otro. Lake y Rivera, en 1994, sugirieron que la bacteria englobó a una crenarquea (“eocito” según su nomenclatura) la cual habría dado origen al núcleo. Esta hipótesis se conoce como la “hipótesis del eocito” (Figura 2 ).

Luego, en 1996, Gupta y Golding postularon el englobamiento de un eocito por una bacteria Gram-negativa que carecía de pared celular.

En estos modelos, la envoltura nuclear y el retículo endoplásmico serían restos de la membrana plasmática del eocito y la membrana de la vesícula fagotrófica bacteriana, respectivamente.

Por otro lado, en 1991, Sogin sugirió que el englobamiento de la arquea fue por un protoeucariota que todavía tenía un metabolismo basado en RNA. Sin embargo, no se concibe la idea de que haya persistido un protoeucariota tan antiguo y con un metabolismo tan primitivo e ineficiente en un mundo que ya estaba habitado por procariotas con DNA ecológicamente competitivos.

De todos modos, más allá de lo que logren explicar, existe una objeción principal a todos los modelos fagotróficos que es la inhabilidad de una bacteria para efectuar fagocitosis, por lo cual no tienen un fundamento muy sólido.

Simbiosis. Considerando todos los aspectos, los modelos más realistas son los que se basan en relaciones simbióticas entre una arquea y una bacteria, ya que la simbiosis no depende de un solo evento y ofrece la posibilidad de co-evolución o co-integración durante largos períodos de tiempo. En la actualidad existen diversos modelos, hipótesis y teorías que se basan en este tipo de relación entre especies, y a continuación se describen las más importantes:

 


Teoría Endosimbiótica Serial (SET)

 Propuesta por Lynn Margulis en 1970, recapitula algunas de las ideas pioneras que Mereschkowsky propuso en 1905. Este modelo propone que los eucariotas  evolucionaron a partir de la simbiosis entre una arquea (un microorganismo termoacidófilo como Thermoplasma) y una bacteria aeróbica (una espiroqueta). De esta manera la arquea adquirió motilidad para nadar mientras que la espiroqueta obtuvo metabolitos útiles (recordando que en una relación simbiótica de este tipo ambos organismos debieron obtener algún tipo de beneficio; de otro modo no se explicaría cómo tal relación prosperó en el tiempo). Luego, la incorporación endosimbiótica de a-proteobacterias y cianobacterias dio origen a las mitocondrias y plástidos respectivamente.

No obstante, esta teoría no explica favorablemente el origen del núcleo. Además, si bien se sabe que este tipo de relación ocurre entre eucariotas protistas y espiroquetas, nunca ha sido observada entre arqueas y espiroquetas, las cuales a su vez no prosperan en ambientes extremadamente ácidos.

 


Hipótesis de la transferencia de H2

Propuesta por Martin y Müller en 1998, sugiere que los eucariotas surgieron a partir de la asociación metabólica simbiótica (o sintrofía) en ambientes anaeróbicos entre una a-proteobacteria fermentativa, que generaba hidrógeno (H2) y dióxido de carbono (CO2) como productos de desecho, y una arquea autotrófica anaeróbica estricta que dependía del H2 y podría haber sido metanógena.

Los autores se basaron en la observación de que los eucariotas amitocondriados poseen enzimas parecidas a las bacterianas, así como genes conocidos que también son similares a los bacterianos. Además, los hidrogenosomas (organelas productoras de hidrógeno presentes en algunos eucariotas anaerobios) comparten un ancestro común con las mitocondrias.

El modelo postula que los simbiontes se encontraron en un ambiente anaerobio rico en H2 y CO2. El H2 producido por la a-proteobacteria era asimilado por la arquea junto con el CO2 para formar metano en una reacción sin pérdida de energía. La arquea metanógena, entonces, actuaría como sumidero de H2 lo cual aumentaría la velocidad de las reacciones fermentativas de la bacteria (que de otra manera serían poco eficientes).

Esta relación de simbiosis metabólica mutualista es conocida como sintrofía y es encontrada en comunidades naturales anaeróbicas con frecuencia. Generalmente, requiere de una cercanía entre los miembros para evitar la pérdida de H2, lo cual conlleva al establecimiento de una asociación bien integrada. Un ejemplo de ello lo constituye el caso del Metanobacillus omelianskii que a los 50 años de su descubrimiento resultó estar formado por un par de especies disímiles en contacto: una bacteria quimiotrófica –conocida como organismo-S – y la arquea metanógena Metanobacterium bryantii, las cuales tienen un crecimiento pobre si se las aísla.

Martin y Müller sugieren que después de establecida la asociación, la arquea se independizó de la fuente exógena de H2 y CO2, y por lo tanto de la a-proteobacteria también, amplió la superficie de contacto con el simbionte y terminó con los sistemas de transporte de membrana y el metabolismo de hidratos de carbono. Luego, para evitar ciclos fútiles, perdió sus rutas autotróficas. Como resultado de estos procesos, entonces se obtuvo un heterótrofo irreversible con mitocondrias ancestrales, independiente de H2 y de la anaerobiosis. La respiración oxigénica más eficiente fue luego adoptada por muchos organismos, lo que dio lugar a la evolución de la mitocondria aeróbica y una segunda reducción o pérdida de organelas explicaría la existencia de protistas sin mitocondrias en la actualidad.

Lo bueno de este modelo es que ofrece una explicación plausible del proceso evolutivo en términos de metabolismo y concluye que los orígenes de la mitocondria y de la célula eucariota son idénticos pero que la mitocondria anaeróbica tuvo lugar primero.  

R. Gupta ha postulado argumentos específicos contra esta hipótesis pero Martin y Müller han encontrado las explicaciones respectivas para mantener su modelo en pie.


Hipótesis de la Sintrofía

Purificación López-García y David Moreira en 1998 postularon esta teoría que tiene las mismas bases que la anterior (en cuanto a la transferencia de H2) pero comprende otros microorganismos. Los autores creen que los eucariotas emergieron a partir de un evento de simbiosis sintrófica  que involucró a una arquea metanogénica y a una d-proteobacteria (mixobacteria ancestral reductora de sulfato), en un ambiente anaerobio y moderadamente termofílico. La primera habría provisto el genoma básico y el metabolismo de ácidos nucleicos, y la segunda, la mayoría de las capacidades metabólicas. Además presumen que el retículo endoplásmico eucariótico y la membrana nuclear surgieron, en parte, de las membranas arqueales o de sus componentes, mientras que la membrana plasmática apareció a partir de la membrana bacterial.

El modelo se basa en que, según la ecología microbiana, la asociación simbiótica entre arqueas y bacterias más esparcida es la sintrofía entre bacterias reductoras de sulfato y arqueas metanogénicas y ofrece extensa justificación para cada uno de los aspectos que abarca la hipótesis.

Primero, para avalar la naturaleza arqueal de uno de los miembros, los autores se basan en las características que tienen en común las arqueas con los eucariotas y no con las bacterias. Por ejemplo, las similitudes en la maquinaria transcripcional estuvieron entre las primeras documentadas y luego se reportaron homologías en la replicación y traducción también. Además, las arqueas –en particular, las metanógenas– tienen histonas y nucleosomas, DNA topoisomerasas y lípidos. Por ejemplo, se han encontrado histonas en las arqueas metanógenas hipertermófilas y mesófilas del género Methanococcal y Methanobacterial. Los autores ofrecen dos posibles explicaciones acerca de la presencia de histonas (carácter eucariótico esencial) en arqueas: (1) pérdida independiente de las histonas heredadas de un ancestro arquea-eucarial común que las poseía, junto con una retención de las mismas en eucariotas y algunas arqueas por razones desconocidas y (2) transferencia horizontal. No obstante, otra posibilidad es que las histonas hayan evolucionado en la rama euriarqueal del árbol filogenético y que los eucariotas las hayan simplemente heredado. Desde este punto de vista, los eucariotas habrían implementado y optimizado la función de la histona, tal vez más relacionada a la regulación transcripcional al principio.

La distribución de la DNA topoisomerasa también constituye una conección entre arqueas y eucariotas. Estas proteínas universales son requeridas para desenrollar las hebras de DNA y son, por lo tanto, indispensables para los procesos celulares como la replicación, transcripción, recombinación y regulación del superenrollamiento del DNA. En este aspecto, la única huella arqueal presente en eucariotas es una proteína involucrada en la recombinación meiótica que es homóloga a uno de los dos subtipos de topoisomerasa VI (Topo VI). Topo VI es el prototipo de una familia filogenética tipo II reconocida recientemente, la cual está ampliamente esparcida entre las arquea y no entre las bacterias.

Por otro lado, el principal argumento contra la participación arqueal en el origen de los eucariotas es la membrana celular, ya que los lípidos de las membranas de las arqueas son éteres de glicerol-isoprenoides, en contraste con los bacterianos y eucariotas que son ésteres.  No obstante, la presencia de éteres no se da sólo en arqueas sino también en bacterias hipertermófilas del género Thermotoga y Aquifex.

 Segundo, para avalar la naturaleza bacterial del otro miembro perteneciente a este modelo, los autores consideran de gran interés estudiar al grupo Mixobacteria. Lo consideran de especial interés en cuanto al problema de la eucariogénesis ya que demuestra tener un número sorprendente de similitudes con los eucariotas a nivel molecular, a saber: (1) la presencia de serin-treonin kinasas (previamente creídas exclusivas de los eucariotas); (2) una proteína involucrada en la morfogénesis de las esporas que comparte algunas propiedades estructurales con la calmodulina y con las cristalinas b y g de los vertebrados; (3) un factor de señalización intracelular (llamado factor C), relacionado con la existencia de esteroides, homólogo a la 17 b-hidroxiesteroide deshidrogenasa; (4) la presencia de un ciclo fosfatidil-inositol con la posible participación de la proteína G en el proceso (inositol-fosfatos son segundos mensajeros en la transducción de señales eucariótica); (5) la existencia de transcriptasa reversa; (6) la presencia de una GTPasa involucrada en la movilidad, homóloga de la superfamilia Ras/Rab/Rho eucariótica; y (7) la existencia de un factor de transcripción homólogo al grupo Y de proteínas de alta movilidad.

Además, las mixobacterias también muestran similitudes interesantes con los eucariotas en términos de metabolismo primario y secundario. Secretan una gran variedad de enzimas hidrolíticas y antibióticos, probablemente en relación a su rol ecológico de depredadores de otros microorganismos y degradadores de la materia orgánica. También producen pigmentos, como la melanina, y tienen un ciclo de desarrollo complejo.

Mientras que todo este cúmulo de información permitió a ciertos autores concluir que “hay una pequeña duda acerca del rol que jugaron las mixobacterias en la evolución de la célula eucariota”, López-García y Moreira prefieren concluir que, efectivamente, las mixobacterias ancestrales reductoras de sulfato forman parte del origen de las células más complejas.

 

P. López-García y D. Moreira esquematizan el camino hacia la eucariogénesis tal como lo muestra la Figura 3. Esta situación puede ser realmente encontrada en grupos microbianos actuales como aquellos formados por las especies Methanobacterium y Syntrophobacter. Además, las metanobacterias son capaces de desarrollar invaginaciones de membranas extensas formando sistemas membranosos internos. Es más, fueron llamadas “metanocondrias” debido a su apariencia similar al de una mitocondria bajo la lente del microscopio.

El modelo implica también el desarrollo y pérdidas de membranas. Esto último ocurren en la naturaleza (Gray 1992). Los autores especulan con la posibilidad de que la membrana arqueal, completamente rodeada por una capa continua de membranas bacterianas, se volvió redundante y se perdió; luego, el compartimiento central rodeado por una doble membrana podría ser considerado como un protonúcleo más un retículo protoendoplásmico.

Con respecto al reordenamiento genómico, sugieren que durante el proceso de co-integración hubo un flujo bidireccional del material genético entre ambos miembros de la simbiosis. Debido a que una arquea estaba rodeada por varias bacterias, la transferencia horizontal genómica de bacterias a arquea habría sido más importante. Lógicamente, los genes bacterianos con homólogos en el genoma arqueal deberían también haber sido transferidos y podrían haber reemplazado a los del hospedador. Este es un proceso bien conocido para algunos genes eucarióticos de origen mitocondrial y se conoce como reemplazo génico simbiótico. Obviamente, la probabilidad de un reemplazo exitoso era mayor cuando el gen transferido codificaba para una proteína que no estaba involucrada en un gran número de interacciones con otras proteínas, como podría ser el caso de muchas enzimas de diferentes caminos metabólicos. Por el otro lado, los genes del hospedador que codificaban para proteínas que interactuaban con muchas otras no fueron probablemente reemplazadas por sus homólogos transferidos. Esto coincide con el hallazgo de que, en términos de replicación, transcripción y traducción, los eucariotas son similares a las arqueas, mientras que en términos de metabolismo, los eucariotas son más parecidos a las bacterias.

En cuanto a las actividades metabólicas, este modelo sugiere inicialmente una gran dependencia en la transferencia de H2 interespecie vía interacción íntima célula-célula. Entonces, el metabolismo general habría sido en su mayor parte llevado a cabo por la fermentación –por la bacteria– de compuestos orgánicos, seguida por la metanogénesis dependiente de H2 –por la arquea. Luego, durante el proceso de eucariogénesis, debe haber ocurrido un cambio metabólico dramático que llevó a la pérdida de la metanogénesis, ausente en los eucariotas contemporáneos. Este cambio puede ser explicado de varias maneras. Por un lado, la adaptación a un saprofitismo eficiente hizo que la metanogénesis no sea más selectivamente ventajosa, y por lo tanto fue perdida. Por el otro lado, la adquisición de mitocondrias indudablemente causó cambios sustanciales en el metabolismo procariótico. Esta adquisición pudo probablemente surgir de la endosimbiosis de un tercer miembro: una a-proteobacteria metanótrofa con mitocondrias. Entonces, la arquea producía metano a partir del CO2 del ambiente y del H2 que generaba la d-proteobacteria, y luego la a-proteobacteria consumía ese metano, con lo cual las tasas de fermentación y metanogénesis aumentaban la eficiencia metabólica del sistema (Figura 4).

Comparación de las hipótesis de transferencia de H2 y Sintrófica

Aunque difieren en sus puntos de partida, ambas hipótesis comparten ciertos aspectos, por lo cual sus argumentos son complementarios. Central a las dos teorías se encuentra la naturaleza metabólica del evento simbiótico original; en este sentido, ambas involucran al hidrógeno y a la sintrofía. Mientras que Martin y Müller se detuvieron a detallar el contexto metabólico del proceso, López-García y Moreira construyeron un cuadro más global que abarca la formación del genoma eucariota y sus sistemas membranosos.

Otra de las características que comparten es la capacidad metanógena del miembro arqueal, aunque Martin y Müller en realidad creen que cualquier arquea anaerobia hidrógeno-dependiente pudo haber jugado este rol. Y por último, ambas hipótesis postulan transferencia y reemplazo génico sin involucrar ningún tipo de evento dramático.

La diferencia crítica entre ambas hipótesis es la naturaleza del miembro bacteriano de la asociación simbiótica. De acuerdo a la hipótesis de la transferencia de H2, una a-proteobacteria intervino en la simbiosis y se convirtió en mitocondria durante la eucariogénesis; mientras que la hipótesis sintrófica involucra dos tipos de bacterias (Figura 5). Primero, una d-proteobacteria reductora de sulfato, que también producía H2 por fermentación y formó la simbiosis con la arquea metanógena; y segundo, al mismo tiempo o poco después, una a-proteobacteria metanotrofa (progenitora de la mitocondria) tomó lugar en la comunidad simbiótica, equilibrando el metabolismo de la asociación (Figura 4 y explicación). Mientras que se cree que la mitocondria surgió a partir de ancestros como Rickettsia (a-proteobacteria), López-García y Moreira, proponen a las bacterias metanótrofas como alternativa, ya que la metanotrofía esta ampliamente distribuida entre este tipo de bacterias y probablemente representa el fenotipo ancestral de la especie.

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