Lokiarchaeota, la hipótesis del hidrógeno y el surgimiento de la célula eucariota

Un nuevo estudio respalda la idea de que el hidrógeno desempeñó un papel importante en uno de los pasos cruciales de la evolución: la aparición de Eukaryota, el dominio que incluye las primeras células con núcleo.

El castillo de Loki

El castillo de Loki

Foto: Centre for Geobiology, Bergen, Norway / R.B. Pedersen

El castillo de Loki

Uno de los pasos más importantes en esa escalera que es la historia de la evolución biológica tuvo lugar hace aproximadamente 2.000 millones de años, con la aparición de los primeros seres eucariotas: organismos unicelulares que contienen un núcleo diferenciado. De este primer linaje eucariota surgirían posteriormente todos los organismos superiores que conocemos en la actualidad, incluidos los hongos, las plantas y los animales. Sin embargo los orígenes y mecanismos que dieron lugar a la vida compleja tal y como la conocemos hoy en día, siguen velados por datos aún desconocidos para los científicos.

No obstante, hace algunos años, los microbiólogos analizaron las secuencias de ADN de unos sedimentos marinos que arrojaron nueva luz sobre la incógnita. Dichos sedimentos fueron recuperados de un respiradero hidrotermal conocido como el Castillo de Loki -bautizado así por el dios nórdico del fuego- en el Océano Ártico. La secuenciación de las moléculas de ADN allí halladas revelaron que estas derivaban de un grupo de microorganismos previamente desconocido. Y aunque las células de las que se originó el ADN no pudieron aislarse y caracterizarse directamente, los datos mostraron que estaban estrechamente relacionadas con las arqueas, por lo tanto, los investigadores nombraron al nuevo grupo Lokiarchaeota.

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Las arqueas, junto a las bacterias, son los linajes más antiguos conocidos de organismos unicelulares. Sorprendentemente, los genomas de la Lokiarchaeota indicaron que podrían exhibir características estructurales y bioquímicas específicas de los organismos eucariotas. Esto sugirió que Lokiarchaeota podría estar relacionado con el último ancestro común de los eucariotas. De hecho, lo que el análisis filogenómico del ADN de Lokiarchaeota del Castillo de Loki sugería era una fuerte evidencia de que este nuevo grupo podía estar emparentado con uno de los descendientes de los últimos antepasados ​​comunes de los organismos eucariotas a de las arqueas a su vez.

El profesor William Orsi, del Departamento de Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente de la universidad Ludwin-Maximilian de Munich, en cooperación con científicos de la Universidad de Oldenburg y el Instituto Max Planck de Microbiología Marina, han podido examinar directamente la actividad y el metabolismo de la Lokiarchaeota. Y los resultados de sus experimentos, los cuales se recogen en el artículo titulado Metabolic activity analyses demonstrate that Lokiarchaeon exhibits homoacetogenesis in sulfidic marine sediments publicado recientemente en la revista Nature Microbiology, apoyan la relación sugerida entre Lokiarchaeota y eucariotas, y proporcionan pistas sobre la naturaleza del entorno en el que evolucionaron los primeros eucariotas.

La hipótesis del hidrógeno

El escenario más probable para el surgimiento de eucariotas es que aparecieron resultado de una simbiosis en la que el huésped era una arquea y el simbionte era una bacteria. Según esta teoría, el simbionte bacteriano dio lugar posteriormente a las mitocondrias: los orgánulos intracelulares que son responsables de la producción de energía en las células eucariotas. Esto significa que los antepasados ​​de los eucariotas surgieron, de facto, directamente de las arqueas y no formaron un dominio separado en el árbol de la vida. De hecho Christa Schleper, profesora de la universidad de Viena y una de las autoras de los primeros estudios realizados sobre Lokiarchaeota, declaraba en el momento de su hallazgo que: "es como si acabáramos de descubrir los primates, es decir, los parientes más próximos vivos de los seres humanos, que también nos dan ideas interesantes sobre la naturaleza del último antepasado común. Sin embargo, el antepasado común de Lokiarchaeota y Eucariotas data de mucho más atrás, aproximadamente 2.000 millones de años".

El escenario más probable para el surgimiento de eucariotas es una simbiosis en la que el huésped es una arquea y el simbionte una bacteria

Una hipótesis para explicar este paso evolutivo propone que el huésped arquea dependía del hidrógeno para su metabolismo, que el precursor -bacteriano- de la mitocondria metabolizaba. Esta "hipótesis del hidrógeno" plantea que las dos células asociadas presumiblemente vivían en un ambiente anóxico que era rico en hidrógeno, y si se hubieran separado de la fuente de hidrógeno se habrían vuelto más dependientes entre sí para sobrevivir, lo que podría conducir a un evento endosimbiótico. "Si los Lokiarchaeota, como descendientes de este supuesto arqueón o célula primordial, también dependen del hidrógeno, esto respaldaría la hipótesis del hidrógeno", explica Orsi. "Sin embargo, hasta ahora, la ecología de estas arqueas en su hábitat natural era una cuestión especulativa".

Orsi y su equipo, ahora por primera vez, caracterizaron el metabolismo celular de Lokiarchaeota basándose en la información que se desprende de los núcleos de sedimentos obtenidos del fondo marino de una extensa región anóxica -sin oxígeno- en la costa de Namibia. Lo hicieron analizando el ARN presente en estas muestras. Las moléculas de ARN se copian del ADN genómico y sirven como planos para la síntesis de proteínas. Por lo tanto, sus secuencias reflejan patrones y niveles de actividad genética. Los análisis de las secuencia revelaron que Lokiarchaeota en estas muestras superaba a las bacterias entre 100 y 1000 veces. "Eso indica fuertemente que estos sedimentos son un hábitat favorable para ellos, promoviendo su actividad", comenta Orsi.

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De este modo el investigador y sus colegas pudieron establecer cultivos de enriquecimiento de Lokiarchaeota de las muestras de sedimentos en el laboratorio. Esto les permitió estudiar el metabolismo de estas células utilizando isótopos de carbono estables como marcadores. Los resultados demostraron que los microorganismos hacen uso de una red compleja de vías metabólicas basadas en el hidrógeno.

Además, los datos confirmaron que Lokiarchaea, de hecho, usa hidrógeno para la fijación de dióxido de carbono. Este proceso mejora la eficiencia del metabolismo y permite que estas especies mantengan altos niveles de actividad bioquímica, a pesar de las condiciones de energía limitada de su hábitat natural anóxico. "Nuestra evidencia experimental es la hipótesis del hidrógeno para la primera célula eucariota", añade Orsi. "En consecuencia, los primeros eucariotas podrían haberse originado en sedimentos marinos ricos en hidrógeno y agotados en oxígeno, como aquellos en los que Lokiarchaeota moderna es particularmente activa hoy en día" concluye.

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