Una bacteria dentro de un alga evoluciona para convertirse en una nueva estructura celular
Una bacteria que en el pasado era independiente ha evolucionado hasta convertirse en un orgánulo que proporciona nitrógeno a las células de unas algas. Estamos ante una transformación tan extraña que solo se conocen otros tres casos en la literatura científica.
Por Erin Malsbury
Una célula del alga Braarudosphaera bigelowii, con una flecha negra que señala a su orgánulo fijador de nitrógeno. Crédito: Tyler Coale, University of California, Santa Cruz
Los libros de biología modernos afirman que solo las bacterias pueden tomar el nitrógeno de la atmósfera y convertirlo en una forma utilizable para la vida. Las plantas que fijan el nitrógeno, como las leguminosas, lo hacen albergando bacterias simbióticas en los nódulos radiculares. Estos nódulos son el resultado de una simbiosis entre la planta y ciertas bacterias del suelo, especialmente del género Rhizobium, que tienen la capacidad de fijar el nitrógeno atmosférico en una forma que las plantas pueden utilizar, como el amoniaco.
Pero un descubrimiento reciente pone en entredicho esta regla.
En dos artículos recientes, un equipo internacional de científicos describe el primer orgánulo fijador de nitrógeno conocido dentro de una célula eucariota. El orgánulo es el cuarto ejemplo en la historia de endosimbiosis primaria, el proceso por el que una célula procariota (sin núcleo) es engullida por una célula eucariota (con núcleo) y evoluciona más allá de la simbiosis para convertirse en un orgánulo.
"Es muy raro que los orgánulos surjan de este tipo de cosas— dice Tyler Coale, becario postdoctoral de la Universidad de California en Santa Cruz (EE. UU.) y primer autor de uno de los dos trabajos recientes. Y añade—: La primera vez que creemos que ocurrió, dio lugar a toda la vida compleja. Todo lo más complicado que una célula bacteriana debe su existencia a ese acontecimiento". Coale se refiere, cómo no, a la mitocondria. "Hace unos mil millones de años volvió a ocurrir con el cloroplasto, que nos dio las plantas", explica Coale.
El tercer caso conocido es el de un microbio similar a un cloroplasto. El descubrimiento más reciente es el primer ejemplo de un orgánulo fijador de nitrógeno, que los investigadores denominan nitroplasto.
Un misterio que dura décadas.
El descubrimiento del orgánulo implicó un poco de suerte y décadas de trabajo. En 1998, Jonathan Zehr, distinguido profesor de Ciencias Marinas de la Universidad de California en Santa Cruz, encontró una breve secuencia de ADN de lo que parecía ser de una cianobacteria desconocida fijadora de nitrógeno en aguas del océano Pacífico. Zehr y sus colegas pasaron años estudiando el misterioso organismo, al que llamaron UCYN-A.
Al mismo tiempo, Kyoko Hagino, paleontóloga de la Universidad de Kochi, en Japón, intentaba minuciosamente cultivar un alga marina. Resultó ser el organismo huésped de UCYN-A. Le tomó más de trescientas expediciones de muestreo y más de una década, pero Hagino finalmente cultivó con éxito el alga en el laboratorio, lo que permitió a otros investigadores comenzar a estudiar UCYN-A y su alga marina huésped juntos en el laboratorio.
Durante años, los científicos consideraron que UCYN-A era un endosimbionte estrechamente asociado con un alga. Pero los dos artículos recientes sugieren que UCYN-A ha coevolucionado con su huésped en una simbiosis pasada y ahora se ajusta a los criterios para ser un orgánulo.
Imagen de tomografía de rayos X que muestra la división celular de B. bigelowii, con los nitroplastos (UCYN-A) en cian. Crédito: Valentina Loconte
En un artículo publicado en marzo en la revista Cell, Zehr y sus colegas del Instituto Tecnológico de Massachusetts (EE. UU.), el Institut de Ciències del Mar de Barcelona (España) la Universidad de Rhode Island (EE. UU.) demostraron que la relación de tamaño entre el UCYN-A y sus algas huésped es similar en las distintas especies del alga haptofita marina Braarudosphaera bigelowii.
Los investigadores utilizaron un modelo para demostrar que el crecimiento de la célula huésped y del UCYN-A está controlado por el intercambio de nutrientes. Sus metabolismos se hallan vinculados. Esta sincronización en las tasas de crecimiento llevó a que los investigadores considerasen a UCYN-A como algo similar a un orgánulo.
"Es exactamente lo que ocurre con los orgánulos— afirma Zehr. Y añade: "Si nos fijamos en la mitocondria y el cloroplasto, ocurre lo mismo: escalan con la célula".
Con categoría de orgánulo.
Pero los científicos no estuvieron seguros de catalogar a UCYN-A como un orgánulo hasta que se confirmaron otras líneas de evidencia. En un artículo en la revista Science, Zehr, Coale, Kendra Turk-Kubo y Esther Wing Kwan Mak, de la Universidad de California en Santa Cruz; y colaboradores de la Universidad de California en San Francisco, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, la Universidad Nacional del Océano de Taiwán y la Universidad de Kochi (Japón), muestran que UCYN-A importa proteínas de sus células huésped.
"Ese es uno de los rasgos distintivos de algo que pasa de endosimbionte a orgánulo— explica Zehr. Y añade—: Empiezan a desechar trozos de ADN, y sus genomas se hacen cada vez más pequeños, y comienzan a depender de la célula madre para que esos productos génicos —o la propia proteína— sean transportados a la célula".
Tyler Coale trabajó en la proteómica del estudio. Comparó las proteínas encontradas en la UCYN-A aislada con las de la célula huésped completa. Descubrió que esta última produce proteínas y las etiqueta con una secuencia específica de aminoácidos, que indica a la célula que las envíe al nitroplasto. A continuación, este importa las proteínas y las utiliza. Coale identificó la función de algunas de dichas proteínas, y éstas llenan lagunas en ciertas vías dentro del UCYN-A.
"Es como un rompecabezas mágico que encaja y funciona", afirma Zehr.
En el mismo artículo, investigadores de la UCSF demuestran que el UCYN-A se replica en sincronía con la célula del alga y se hereda como otros orgánulos.
Perspectivas cambiantes.
Estas líneas de evidencia independientes dejan pocas dudas de que UCYN-A ha superado el papel de un simbionte. Y mientras que las mitocondrias y los cloroplastos evolucionaron hace miles de millones de años, el nitroplasto parece haber evolucionado hace unos cien millones de años, lo que proporciona a los científicos una perspectiva nueva y más reciente sobre la génesis de orgánulos.
El orgánulo también proporciona información sobre los ecosistemas oceánicos. Todos los organismos necesitan nitrógeno en una forma biológicamente utilizable, y UCYN-A es mundialmente importante por su capacidad para fijar nitrógeno de la atmósfera. Los investigadores lo han encontrado en todas partes, desde los trópicos hasta el océano Ártico, y fija una cantidad significativa de nitrógeno.
Imagen SEM de una célula de Braarudosphaera bigelowii rodeada por 12 pentalitos (escamas calizas típicas de las algas braarudosferáceas). Crédito: Kyoko Hagino, Ryo Onuma, Masanobu Kawachi, Takeo Horiguchi
"No se trata de un jugador más", dice Zehr.
El descubrimiento también puede cambiar la agricultura. La capacidad de sintetizar fertilizantes nitrogenados a partir del nitrógeno atmosférico permitió el despegue de la agricultura —y de la población mundial— a principios del siglo XX. Conocido como proceso de Haber-Bosch, hace posible alrededor del 50% de la producción mundial de alimentos. También genera enormes cantidades de dióxido de carbono: alrededor del 1,4% de las emisiones mundiales proceden de este proceso. Durante décadas, los investigadores han intentado encontrar una forma de incorporar la fijación natural del nitrógeno a la agricultura.
"Este sistema es una nueva perspectiva de la fijación del nitrógeno y podría dar pistas sobre cómo diseñar un orgánulo de este tipo para las plantas de cultivo", afirma Coale.
Pero aún quedan muchas preguntas por responder sobre el UCYN-A y su huésped, el alga. Los investigadores tienen previsto profundizar en el funcionamiento del UCYN-A y el alga, y estudiar distintas cepas.
Kendra Turk-Kubo, profesora adjunta de la la Universidad de California en Santa Cruz, continuará la investigación en su nuevo laboratorio. Zehr espera que los científicos encuentren otros organismos con historias evolutivas similares a la de UCYN-A, pero, al ser el primero de su clase, este descubrimiento es para los libros de texto.
Información facilitada por la Universidad de California en Santa Cruz - Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Ediciones
Fuente: Tyler H. Coale et al. Nitrogen-fixing organelle in a marine alga. Science (2024). DOI: 10.1126/science.adk1075
