Revolucionando la evolución. Algo que solo sabemos que ha sucedido tres veces en la historia de la vida en la Tierra acaba de ser documentado por un equipo internacional de científicos. El protagonista es el “nitroplasto” de un alga marina que transforma el nitrógeno del aire en una forma químicamente útil: es el primer orgánulo fijador de nitrógeno conocido dentro de una célula eucariota. Este hallazgo desafía la creencia arraigada de que sólo ciertas bacterias simbióticas pueden convertir el nitrógeno atmosférico en una forma biológicamente utilizable. De hecho, hasta ahora, las únicas formas de vida que se pensaba que extraían nitrógeno del aire y lo convertían en una forma biológicamente útil eran las bacterias y las arqueas.
Científicos presencian cómo dos formas de vida se fusionan en un solo organismo
Un gran descubrimiento
Los investigadores creen que probablemente evolucionó hace 100 millones de años. El nitroplasto probablemente se desarrolló a partir de una bacteria en el océano, después de que el microbio fuera fagocitado por una célula de alga. Luego, en un caso extremo de codependencia, la bacteria renunció por completo a ser su propio organismo, descartó muchos de sus genes y se volvió dependiente del apoyo de las algas unicelulares. Es bastante común que una especie viva dentro de las células de otra en una relación mutuamente beneficiosa llamada endosimbiosis. Es lo mismo que sucedió con las mitocondrias (la central eléctrica de la célula) o los cloroplastos (las pequeñas e indispensables fábricas que convierten la luz solar en energía).
Así las cosas, este orgánulo es el cuarto ejemplo en la historia de endosimbiosis primaria: el proceso mediante el cual una célula procariótica es fagocitada por una célula eucariota y evoluciona más allá de la simbiosis hasta convertirse en un orgánulo.
«Es muy raro que los orgánulos surjan de este tipo de cosas», explicó Tyler Coale, investigador postdoctoral en UC Santa Cruz y primer autor de uno de los dos estudios publicados -en las revistasd Science y Cell- acerca del gran descubrimiento. Coale dirigió el equipo que reveló el descubrimiento del nitroplasto. «La primera vez que pensamos que sucedió, dio origen a toda la vida compleja. Todo lo más complicado que una célula bacteriana debe su existencia a ese evento», dijo, refiriéndose al origen de las mitocondrias. «Hace aproximadamente mil millones de años, volvió a suceder con el cloroplasto, y eso nos dio las plantas». En sendos estudios, los equipos internacionales de investigadores han expuesto las pruebas de su descubrimiento.
Los nitroplastos evolucionaron a partir de una cianobacteria llamada Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) y fueron absorbidos por el alga unicelular Braarudosphaera bigelowii. Este evento ocurrió hace apenas 100 millones de años, concluyeron recientemente los investigadores. Las pocas veces que ha tenido lugar este tipo de evento supusieron grandes avances para la evolución, ya que la fusión con sus anfitriones se volvió fundamental para la existencia misma de los endosimbiontes.
Una imagen de microscopía óptica muestra el alga haptofita marina Braarudosphaera bigelowii con una flecha negra que apunta al orgánulo nitroplasto
Las cuatro ocasiones
El primer evento ocurrió hace aproximadamente 2.200 millones de años. En ese momento, un organismo unicelular llamado arquea se tragó una bacteria que eventualmente se convirtió en mitocondria y su formación permitió que evolucionaran organismos complejos.
El segundo evento tuvo lugar hace unos 1.000 millones de años; en esta ocasión, el protagonista fue el cloroplasto, y gracias a este suceso, se esparcieron las plantas por nuestro planeta. Este segundo evento ocurrió cuando células más avanzadas absorbieron cianobacterias y posibilitó que las plantas verdes pudieran producir alimento a partir del Sol gracias a la fotosíntesis y alterando así el flujo de energía en la economía de la vida.
El tercer evento ocurrió hace aproximadamente 600 millones de años y marcó el comienzo de la multicelularidad, lo que condujo al desarrollo de formas de vida complejas. La transición a organismos multicelulares no fue un evento único sino una serie de procesos que ocurrieron en varios linajes a lo largo de diferentes períodos geológicos que permitió especialización celular, desarrollar estructuras y sistemas más sofisticados, que culminaron en las diversas formas de vida que tenemos hoy.
La endosimbiosis primaria ocurre cuando un organismo microbiano envuelve a otro
El último evento, recién descubierto, ha sido fechado hace unos 100 millones de años y dándonos una idea de cómo la fijación de nitrógeno afecta los ecosistemas oceánicos y también puede tener implicaciones para la agricultura en tierra firme.
Después de más de 300 expediciones de muestreo y más de una década de trabajo, cultivaron con éxito el alga en cultivo, lo que permitió a otros investigadores estudiar el misterioso organismo y su alga marina huésped juntos en el laboratorio. Ambas investigaciones sugieren que ha coevolucionado con su huésped más allá de la simbiosis y ahora cumple los criterios para ser un orgánulo.
«Este sistema es una nueva perspectiva sobre la fijación de nitrógeno y podría proporcionar pistas sobre cómo se podría diseñar un orgánulo de este tipo en plantas de cultivo», aclaró el experto.
Si bien orgánulos como las mitocondrias y los cloroplastos están mucho más avanzados en el espectro evolutivo, los investigadores sostienen que lo que están viendo puede ser una instantánea del proceso evolutivo de los orgánulos derivados de bacterias que fijan nitrógeno.
Imágenes de tomografía de rayos X: el violeta claro son los cloroplastos, el violeta oscuro es el núcleo de las células de las algas, el verde son las mitocondrias y el cian es el nitroplasto.
Referencias:
- Francisco M. Cornejo-Castillo, Keisuke Inomura, Jonathan P. Zehr, Michael J. Follows. Metabolic trade-offs constrain the cell size ratio in a nitrogen-fixing symbiosis. Cell, 2024; 187 (7): 1762 DOI: 10.1016/j.cell.2024.02.016
- Tyler H. Coale et al, Nitrogen-fixing organelle in a marine alga, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adk1075
- Ramon Massana, The nitroplast: A nitrogen-fixing organelle, Science (2024). DOI: 10.1126/science.ado8571 , www.science.org/doi/10.1126/science.ado8571
