viernes, 16 de diciembre de 2011

Evolución prebiótica y origen de la vida III: LUCA y el árbol de la vida

LUCA

La identificación de los Archaea como un grupo de seres vivos diferente tanto de los eucariotas como del resto de los procariotas (Bacterias) dio un vuelco significativo a la sistemática de los seres vivos, y llevó a proponer la existencia de un organismo primitivo a partir del cual podrían haber evolucionado, casi en paralelo, los tres grandes dominios en los que actualmente se dividen los seres vivos: Bacterias, Arqueas y Eucariotas. Carl R. Woese, el mismo investigador que resituó a los Arqueas en el árbol de la vida, propuso para este organismo ancestral el nombre de LUCA (Last Universal Common Ancestor). Desde entonces, se ha tratado de identificar las características de este organismo hipotético siguiendo dos enfoques distintos: estudiar los organismos actuales, para observar cuáles son sus características más primitivas, que serían compartidas por LUCA, y partir de los aspectos bioquímicos y moleculares que debería cumplir este organismo, teniendo en cuenta los probables procesos que lo habrían originado. Algunas estimaciones ubican la aparición de LUCA hace unos 3.000 millones de años.
La caracterización de LUCA es objeto de controversia, de modo que no se tiene demasiado claro, siquiera, si su genoma estaba formado por ADN o por ARN. De hecho, incluso se discute si existió alguna vez un antepasado común a todos los organismos, o si LUCA era, en realidad, una "comunidad" que intercambiaba libremente material genético en su seno.

Uno de los principales puntos de discusión acerca de la naturaleza de LUCA se ha centrado en si este organismo era o no termófilo. La cuestión tiene cierta importancia, porque un LUCA termófilo podría estar relacionado con las surgencias oceánicas en las que, presuntamente, se habría originado la vida. A pesar de que la hipótesis resulta interesante, parece ser que los últimos datos indican que LUCA era más bien un organismo mesófilo (es decir, adaptado a temperaturas no demasiado altas).

También resulta problemático saber cuál de los tres dominios evolucionó antes a partir de LUCA. Una primera aproximación podría hacer pensar que los procariotas (arqueas y bacterias) se separaron tempranamente de los eucariotas, pero más bien parece ser que los eucariotas y los arqueas mantienen características comunes que los hacen estar más emparentados entre sí que con las bacterias.

Los estudios sobre LUCA están siguiendo varios caminos diferentes, que proporcionan resultados que, frecuentemente, son poco consistentes entre sí. Por una parte, se estudia la distancia entre los genes más antiguos y mejor conservados de los organismos actuales, y por otra se estudia la evolución de proteínas ortólogas y parálogas. Las proteínas parálogas son las proteínas de un mismo organismo que proceden de un gen ancestral común, que se duplicó y dio origen a secuencias ligeramente diferentes, que acabaron por tener funciones distintas, mientras que las ortólogas son las proteínas de diferentes organismos que tienen un origen y una función común.

La combinación de todos estos estudios ha permitido llegar a la conclusión de que el último antepasado común de todos los seres vivos pudo ser un organismo con un genoma formado exclusivamente por ARN, seguramente heterótrofo, probablemente capaz de llevar a cabo procesos similares a la glucolisis anaerobia que le proporcionarían energía química y adaptado a condiciones termófilas o incluso psicrófilas. Por último, casi se podría asegurar que filogenéticamente LUCA pertenecería al grupo de los Archaea.

Después de LUCA

Esa descripción del último antepasado común de todos los organismos plantea varias dificultades evolutivas que deben ser resueltas: ¿Cómo y por qué se produjo la transición del ARN al ADN? ¿Cuándo y cómo surgieron los organismos autótrofos? ¿Por qué, si LUCA era un arquea mesófilo la inmensa mayoría de los arqueas actuales son termófilos o incluso hipertermófilos?

Se ha propuesto una hipótesis, el "Hot Cross Scenario" (que podría traducirse como escenario de la encrucijada térmica) que trata de responder todas esas preguntas simultáneamente. Según esa idea, LUCA habría sido, efectivamente, un organismo mesófilo, pero que ocuparía un hábitat cercano a las surgencias oceánicas, que le proporcionarían energía y, sobre todo, nutrientes. Estos organismos competirían, evidentemente, por conseguir la mayor cantidad de recursos posible, lo que significaba acercarse hacia las surgencias propiamente dichas, incrementando su resistencia a las altas temperaturas, lo que explicaría el origen de las adaptaciones termófilas. En ese proceso también pudo jugar un papel fundamental la transición de ARN a ADN: el ADN es mucho más resistente a la temperatura que el ARN, de modo que los organismos con este polímero tendrían ventajas significativas sobre los que presentaran solo ARN.

Los arqueas presentan una gran diversidad de rutas metabólicas autótrofas, mayoritariamente quimiosintéticas, que podrían haber evolucionado en los ambientes termófilos y ricos en una gran variedad de sustancias químicas de las surgencias. Asimismo, estos organismos, entre los que se encuentran los metanogénicos, habrían estado a salvo de las catástrofes ambientales que bien pudieron ocurrir durante esa época: el bombardeo meteorítico podría haber elevado la temperatura del agua, permitiendo solo la supervivencia de los termófilos, mientras que la metanogénesis les habría permitido sobrevivir a posibles edades de hielo.

Los organismos hipertermófilos de las surgencias, basados en ADN y con el código genético universal actual, pudieron después reconquistar las zonas más frías, más alejadas de las surgencias, aprovechando la mayor resistencia de su genoma, tanto a los cambios ambientales como a las mutaciones.

La diversificación de los tres dominios
Si LUCA queda englobado dentro del grupo de los arqueas, queda por explicar la diferenciación de los otros dos dominios, bacterias y eucariotas. Se ha propuesto que las bacterias pudieron evolucionar a partir de las arqueas por "termorreducción", es decir, como resultado de un proceso de adaptación a temperaturas elevadas. Este primitivo grupo de termófilos habría dado lugar a todos los grupos actuales de bacterias, gracias a una radiación adaptativa. En uno de esos subgrupos habrían aparecido los procesos fotosintéticos, primero anoxigénicos y más adelante la fotosíntesis oxigénica, en un grupo relacionado con las actuales cianobacterias.

En cuanto a la aparición de los eucariotas, la situación es algo más confusa. Al analizar las características del genoma de los eucariotas se encuentra que este dominio posee genes de tipos diferentes: un grupo de genes guarda estrecha relación con los genes homólogos presentes en los arqueas, mientras que otro grupo de genes eucariotas está mucho más relacionado con los genes de las bacterias. Queda aún otro conjunto de genes de origen desconocido, muchos de ellos exclusivos de los propios eucariotas. En concreto, los genes "arqueanos" son los que se ocupan fundamentalmente de las funciones relacionadas con la conservación y la transmisión de la información genética,  mientras que los genes "bacterianos" codifican, prioritariamente, proteínas implicadas en funciones metabólicas, relacionadas con la síntesis de membrana o con estructuras celulares. Por otra parte, todos los eucariotas actuales poseen mitocondrias bien desarrolladas, o estructuras derivadas, por degradación, de esas mitocondrias (hidrogenosomas, mitosomas). A su vez, las mitocondrias guardan una estrecha relación con un tipo de bacterias, de forma que todas se consideran derivadas de una estructura celular que se ha dado en llamar α-proteobacteria simbionte.

Esto ha llevado a proponer que los eucariotas derivan de un proceso de simbiosis entre una bacteria primitiva, posiblemente la α-proteobacteria y otro organismo, si bien en esto hay una considerable controversia: mientras que algunos investigadores niegan la necesidad de recurrir a la fusión de genomas, en algunos casos recurriendo a la posibilidad de transferencia horizontal de genes (es decir, paso de genes de un organismo a otro no emparentado filogenéticamente con él), o simplemente suponiendo que existió un eucariota primitivo con las características propias de este grupo, otros difieren en la naturaleza de ese otro organismo; para unos, fue un arquea, mientras que para otros pudo ser un "proto-eucariota" al que han dado el nombre de arqueozoon, que habría desaparecido por completo posteriormente.

En todo caso, lo que todos los investigadores aceptan es que en la evolución de los eucariotas se produjeron, al menos, dos procesos de evolución mediante endosimbiosis: la adquisición de las mitocondrias, por absorción de la α-proteobacteria, y la de los cloroplastos por absorción de una cianobacteria oxigénica. Estos dos procesos están íntimamente relacionados con la presencia creciente de oxígeno en la atmósfera, causada por la preponderancia de la fotosíntesis oxigénica. Esta facilidad para la simbiosis por absorción posiblemente tenga relación con una diferencia básica entre las membranas de "procariotas" y las de eucariotas: mientras que las membranas de los procariotas se han especializado en el desarrollo de sistemas proteicos de bombeo de protones, que se acoplan a la generación de energía, en los eucariotas se han desarrollado canales de calcio relacionados con los procesos de endocitosis.

La imagen refleja la posible explicación dada por De Duve al proceso de formación del sistema endomembranoso de los eucariotas. Un posible organismo heterótrofo digiere sus nutrientes extracelularmente con la ayuda de enzimas secretadas por ribosomas asociados a la membrana (a). La invaginación reversible de estas y la formación de vesículas de membrana permite la internalización del proceso digestivo, seguida de la posterior excreción de los residuos (b). Estas vesículas primitivas combinan las características de los endosomas, los lisosomas y el retículo endoplásmico rugoso. Las membranas asociadas a ribosomas migran hacia el interior de la célula (c), formando un proto-retículo endoplásmico rugoso que segrega su contenido en vesículas endocíticas, transformándolas en lisosomas en los que tiene lugar la digestión, en parte intracelular y en parte extracelular (exocitosis). El proto-Golgi, diferenciado a partir del retículo endoplásmico (d), selecciona las enzimas digestivas, separando las que deben incorporarse a las vesículas endocíticas de los auténticos productos de secreción.
Referencias:
- Chen, I. & Walde, P.: From Self-Assembled Vesicles to Protocells. http://cshperspectives.cshlp.org/content/2/7/a002170.full.html#ref-list-1. Consultado el 1/12/2011
- de Duve, Ch.: "The origin of eukaryotes: a reappraisal". Nature Reviews Genetics 8, 395-403 (May 2007).
- Glansdorff, N.; Xu, Y. & Labedan, B.: "The Last Universal Common Ancestor: emergence, constitution
and genetic legacy of an elusive forerunner". http://www.biology-direct.com/content/3/1/29. Consultado el 15/12/2011. 

- Mathebula, D. et al.: "Last Universal Common Ancestor". http://www.stats.ox.ac.uk/__data/assets/pdf_file/0008/5957/LUCAslides.pdf. Consultado el 10/12/2011.
- Szathmáry, E. et al.: "Evolutionary Potential and Requirements for Minimal Protocells". Top Curr Chem (2005) 259: 167–211.
- Schrum, J.P. et al.: "The Origins of Cellular Life". http://cshperspectives.cshlp.org/content/2/9/a002212.full.html#ref-list-1. Consultado el 1/12/2011.

- Wong, J.T.F & Lazcano, A.: "Prebiotic evolution and Astrobiology". Landes Bioscience, 2009.
- Yutin, N. et al.: "The Deep Archaeal Roots of Eukaryotes". http://mbe.oxfordjournals.org. Consultado el 16/12/2011.

martes, 13 de diciembre de 2011

Evolución prebiótica y origen de la vida II: de las vesículas a las células

Vesículas y protocélulas

La separación entre los sistemas bioquímicos y su entorno, proceso que recibe el nombre de compartimentalización, es un paso fundamental para la formación de los seres vivos: los organismos poseen un metabolismo que solo es posible mientras sus componentes no se mezclen con el entorno, captando de él los sustratos que necesite y eliminando de su interior, es decir, excretando, aquellas sustancias que puedan resultar tóxicas. Además, la compartimentalización ofrece la posibilidad de mantener próximos entre sí todos los recursos necesarios para el funcionamiento de un organismo.

Se han propuesto varias soluciones posibles para el problema de cómo comenzó el proceso de compartimentalización. Algunos autores han sugerido que los primeros complejos de moléculas con características "biológicas", es decir, capaces de replicarse y con funcionalidad catalítica, pudieron adsorberse sobre complejos minerales, en particular sobre cristales de arcilla. Estos minerales presentan la curiosa característica de que sus cristales pueden crecer manteniendo su estructura y, básicamente, su composición, pueden adsorber de su entorno una gran cantidad de moléculas diferentes, y pueden incluso dividirse manteniendo sus características, por lo que se podría hablar incluso de "reproducción".

Se desconoce si las arcillas pudieron jugar algún papel en la evolución de los seres vivos, aunque son un buen candidato para explicar la asociación de macromoléculas más primitivas. En todo caso, todos los  organismos actuales poseemos membranas lipídicas, por lo que es necesario explicar su origen.

Las membranas lipídicas que forman parte de los seres vivos actuales están formadas, mayoritariamente, por fosfolípidos. Sin embargo, estos compuestos son muy difíciles de sintetizar en experimentos in vitro, y no se han encontrado en fuentes extraterrestres. Por el contrario, los ácidos grasos, que también tienen carácter anfipático, han sido encontrados tanto en meteoritos como en las surgencias oceánicas.

Para concluir que los ácidos grasos pudieron formar vesículas membranosas a partir de las cuales evolucionaran las protocélulas estas sustancias deberían ser capaces de cumplir varias características:

  1. Formar vesículas espontáneamente: los ácidos grasos pueden formar de modo espontáneo tanto micelas como bicapas que encierren en su interior un entorno acuoso, siendo estas últimas las estructuras que podrían servir como precursor de las protocélulas. La formación de un tipo de estructura u otra depende de varios factores, entre otros el pH, y en la práctica se da un equilibrio entre las dos formas.
  2. Posibilidad de que las vesículas mantengan un metabolismo interno. Se han realizado experimentos que demuestran la posibilidad de que vesículas autoensambladas de ácidos grasos contengan en su interior enzimas funcionales. Por ejemplo, se ha podido conseguir que moléculas de una enzima, una polinucleótido fosforilasa, queden atrapadas en el interior de vesículas de ácidos grasos a partir de un medio que contenía ambos elementos. Al añadir ADP a la muestra, éste llega hasta el interior de la vesícula, donde es transformado en poli-Adenina. Esta molécula, a diferencia del ADP, no puede atravesar la membrana vesicular, y se mantiene en su interior.
  3. Capacidad de estas vesículas de autorreproducirse. En este aspecto pudo jugar un papel importante el equilibrio entre micelas y bicapas cuando los ácidos grasos están en un medio acuoso. En una mezcla de estas características, se ha observado que las bicapas "absorben" a las micelas, aumentando su tamaño hasta un valor crítico. Al alcanzarlo, se rompen dando lugar a vesículas más pequeñas. Se ha podido demostrar que el proceso que tiene lugar es éste, y no la formación directa de vesículas a partir de micelas, porque se ha conseguido seguir el rastro del contenido de las vesículas originales en las "hijas" producidas a partir de ellas.

Las protocélulas


Entre las vesículas con capacidad metabólica y autorreproductora y las células propiamente dichas debieron aparecer estructuras intermedias, que se han denominado protocélulas. Las protocélulas no serían propiamente seres vivos, porque no habrían tenido todas las características de los organismos, aunque sí bastantes de ellas, motivo por el que se las considera sistemas infrabiológicos.

Se considera que las protocélulas viables en una fase temprana de la evolución deberían poder cumplir una serie de requisitos, que aproximaran sus características a las de los seres vivos:
  1. Deben poder sintetizar en su interior, delimitado por una membrana, un polímero portador de información, capaz de autorreplicarse mediante un proceso de copia guiado por molde (replicador).
  2. Los monómeros necesarios para la síntesis del replicador deben proceder del exterior, y deben poder atravesar la membrana.
  3. Debe estar presente una fuente de energía externa.
  4. La variabilidad heredable de los replicadores debe afectar a la eficiencia del metabolismo de la protocélula, permitiendo la selección natural.
  5. La membrana debe ser capaz de crecer, ya sea por incorporación directa de moléculas externas o por conversión de precursores adecuados.
  6. Las protocélulas deben ser capaces de reproducirse.
  7. La catálisis, la replicación y el crecimiento deben estar bien sincronizados.
Un sistema formado por vesículas de ácidos grasos y ARN en su interior cumple ya algunas de esos requisitos, como la capacidad de mantener metabolismo interno (1), de internalizar compuestos que actúen como precursores metabólicos (2), de crecimiento (5) y reproducción (6).

En cuanto a la disponibilidad de una fuente de energía externa, se han descrito posibles sistemas de captación de energía, pero resulta tremendamente interesante un fenómeno observado en vesículas de ácidos grasos y que deriva exclusivamente de sus propiedades físico-químicas. Cuando estas vesículas se encuentran en un medio con ácidos grasos libres, son capaces de crecer incorporando esas moléculas a su estructura. Al hacerlo, algunos de los ácidos grasos captados sufren momivientos flip-flop que permiten su paso a la hoja interna de la bicapa, pero esos movimientos provocan, a la vez, la entrada de protones al interior de la vesícula. Este transporte es asimétrico, porque los protones no pueden abandonar la vesícula, de modo que se genera un gradiente quimiosmótico de protones entre el exterior y el interior de la estructura.
El interés de este proceso está en que la formación de un gradiente de protones entre los dos lados de una membrana es un proceso universal de obtención de energía química por parte de las células, incluyendo lo que ocurre en procesos metabólicos tan fundamentales como la respiración celular o la fotosíntesis, de modo que este fenómeno podría haber sido el origen de un mecanismo universal de captación de energía química que luego habrían conservado todas las células.

Por otra parte, en relación con la posibilidad de que estas vesículas puedan sufrir un proceso de selección natural, hay otra característica fisicoquímica de las vesículas de ácidos grasos que resulta también de interés: la velocidad de crecimiento de estas vesículas es directamente proporcional a la presión osmótica de su interior, que a su vez depende de la cantidad de moléculas que contiene. En otras palabras, las vesículas con replicadores más eficaces, aquellas en las que el ARN interno se copia a mayor velocidad, también crecen y se dividen más rápidamente, por lo cual "predominan en la población" de vesículas presentes en el entorno. Es, precisamente, el mecanismo de selección natural.

Quedaría, pues, por conseguir que las vesículas de ácidos grasos cumplieran el último requisito: una buena sincronización entre los procesos de catálisis (metabolismo), crecimiento y replicación, pero esto es más un resultado del proceso evolutivo que una condición que estas estructuras deban cumplir: las vesículas mejor coordinadas serían las favorecidas desde el punto de vista evolutivo.

Evolución hacia la célula

El paso más importante en la evolución de estas vesículas formadas por ribozimas (y su correspondiente metabolismo hasta las células tal y como las conocemos en la actualidad fue, sin duda, la aparición de las proteínas y del proceso de traducción. No se sabe a ciencia cierta cual pudo ser el mecanismo evolutivo que  hizo posible la aparición de las proteínas, un conjunto de moléculas totalmente nuevo que sustituyó por completo a las ribozimas que dirigían su síntesis, aunque se ha propuesto una hipótesis interesante: la de su papel inicial como cofactores.

Algunas de las ribozimas presentes en las vesículas pudieron empezar a utilizar los aminoácidos presentes en el medio como cofactores para llevar a cabo las reacciones que catalizaban. Esto podría haber supuesto una ventaja evolutiva, ya que en ese momento en el ambiente podía encontrarse una mayor diversidad de aminoácidos que de nucleótidos. Cofactores más complejos, formados por varios aminoácidos en lugar de por uno solo, habrían proporcionado ventajas adaptativas, gracias a su mayor eficacia catalítica, de modo que los complejos ribozima-péptido habrían ido evolucionando en la dirección de incrementar el tamaño de los péptidos.

Paralelamente, el propio proceso de la traducción (es decir, la correspondencia entre nucleótidos y aminoácidos) se habría visto favorecido por la selección natural, al garantizar que los cofactores peptídicos se acoplaran en cada generación a las mismas ribozimas, manteniendo la ventaja que proporcionaban a las protocélulas de la generación anterior..

Uno de los atractivos de esta hipótesis es que es congruente con el fenómeno conocido como "triple convergencia": el hecho de que los aminoácidos que han podido ser sintetizados en procesos in vitro son los mismos que se han encontrado en muestras procedentes del espacio y, a la vez, los mismos que formarían el "código genético primitivo". Las primeras ribozimas con cofactores peptídicos habrían utilizado solo estos aminoácidos, y el código genético habría ido evolucionando a partir de ellos. Existe una propuesta coherente para explicar la evolución desde este código genético primitivo hasta el actual, incluso se conocen relativamente bien los pasos que pudieron sucederse para que fuera posible la incorporación de nuevos aminoácidos, en general derivados químicamente del grupo inicial.
Estos protoorganismos debieron ser, por lo tanto, heterótrofos que encontraban en su entorno los elementos necesarios para añadirlos a su propia estructura, ya que un organismo autótrofo no tendría por qué ver limitado el número y el tipo de aminoácidos presentes en sus moléculas.

En esta fase, por tanto, las "protocélulas" estarían constituidas por una vesícula de membrana en cuyo interior aparecerían varias moléculas de ARN capaces de replicarse. Una vez replicadas, sufrirían modificaciones postranscripcionales, consistentes en la asociación con aminoácidos, de un modo cada estable y repetitivo. Esta relación entre aminoácidos y ribozimas habría dado lugar al código genético primitivo.

Cada una de estas protocélulas podría contener unos cuantos genes. Es imaginable que fueran posibles los procesos de fusión entre protocélulas, con la aparición de un cierto tipo de "presexualidad" que permitiera la combinación de características, de modo que las protocélulas con mejores capacidades metabólicas irían siendo seleccionadas de entre la población.

Estas ribozimas transformadas en genes de ARN darían lugar, cabe suponer, a péptidos de pequeño tamaño, posiblemente de unas pocas docenas de aminoácidos cada uno. La evolución posterior hacia genes de tamaño mayor podría haberse producido por fusión de estas moléculas originales. Esta hipótesis es congruente con la estructura genética de los eucariotas, con genes interrumpidos por secuencias no codificantes (intrones).  De hecho, muchos autores consideran que en un gen eucariota los exones representan "minigenes", correspondientes a diferentes unidades estructurales de las proteínas. Según eso, cada exón correspondería a un protogen ancestral, que se habría unido a otros mediante intrones.

La aparición del ADN como molécula de almacenamiento de la información genética no supone ningún problema desde el punto de vista teórico, ya que esta molécula puede ser considerada como una modificación "menor" del ARN: bastan dos simples cambios estructurales (la eliminación de un grupo hidroxilo en la pentosa, para formar desoxirribonucleótidos y la metilación del Uracilo) para obtener una molécula de ADN a partir del ácido ribonucleico. Las protocélulas con esta "copia de seguridad" de su información genética tuvieron, sin duda, ventajas adaptativas. Además, el ADN es una molécula mucho más estable que el ARN, y su mecanismo de replicación va implícito en su estructura.

La célula mínima

Resulta bastante evidente que incluso las bacterias, las células más simples que pueden encontrarse en la actualidad, son mucho más complejas que las primeras células que pudieran considerarse propiamente como tales. Por esa razón muchos investigadores están tratando de establecer cuáles son los elementos mínimos que serían necesarios para formar una célula funcional. En esos estudios se han utilizado varios enfoques: partir de un conjunto de requisitos bioquímicos hasta conseguir un modelo suficientemente complejo o partir de un organismo, "simplificando" aquellos genes que no parezcan imprescindibles. Incluso se ha "construido" un organismo artificial partiendo de un genoma sencillo ("¿Hemos creado vida artificial?").

Las conclusiones de esos estudios son que incluso la célula más sencilla debió presentar un amplio conjunto de genes, correspondientes a diferentes maquinarias fundamentales de la célula:
  1. La maquinaria de replicación del ADN.
  2. Un sistema, al menos rudimentario, de reparación del ARN.
  3. La maquinaria de transcripción completa.
  4. Un sistema de traducción al menos casi completo.
  5. Sistemas que permitieran el procesamiento, el plegamiento, la secreción y la degradación de proteínas.
  6. La maquinaria para la división celular.
  7. Un sistema básico de transporte de nutrientes...
Algunas estimaciones sugieren que este número mínimo imprescindible de genes podría situarse en torno a los 200. Hay autores, sin embargo, que posponen la aparición del ADN a un momento posterior en la evolución, sosteniendo que el último antecesor universal común a todos los organismos (LUCA) aún poseía solo ARN en su genoma. Esto, evidentemente, simplificaría los requisitos de esta célula originaria. Además, en lugar de considerar que se trataba de una única especie, en el sentido en el que entendemos actualmente este término, estos autores proponen que en realidad existía una comunidad de organismos con capacidad para intercambiar entre sí material genético (transmisión horizontal de genes).