Endosimbiosis procariótica: el metabolismo no es un factor limitante
“Uno de los grandes misterios de la biología”, dice eric libbyex becario postdoctoral de SFI, ahora profesor asociado en el Laboratorio de Ciencias Integradas (laboratorio de hielo), Universidad de Umeå en Suecia, «es la eucariogénesis, o cómo surgieron los eucariotas». Los científicos consideran que este es un importante período de transición evolutiva, esencial para nuestra comprensión de la historia y evolución de la vida en la Tierra.
En un nuevo estudio publicado el 21 de abril de 2023 en PNAS, Libby trabajó con el profesor SFI cristobal kempes Y jordan okie de la Universidad Estatal de Arizona para investigar el misterio centrándose en el metabolismo utilizando una variedad de técnicas teóricas.
La evidencia sugiere que los eucariotas se formaron cuando dos procariotas, una bacteria y una arquea, se fusionaron con bacterias que se instalaron en las paredes celulares de las arqueas. Esta vida cooperativa de una célula a otra, una existencia endosimbiótica, ha dado lugar a toda una diversidad de eucariotas, incluidas todas las formas de vida compleja como la nuestra. Hoy en día, los científicos ven rastros de endosimbiosis dentro de las células de los eucariotas modernos, desde mamíferos y aves hasta plantas y hongos: los orgánulos celulares como las mitocondrias y los cloroplastos alguna vez fueron organismos separados. Sin embargo, cuando miramos a nuestro alrededor en la naturaleza, las endosimbiosis rara vez se ven en los procariotas.
¿Por qué? Los biólogos evolutivos aún no lo saben. Existen muchas teorías, pero pocas han sido modeladas o cuantificadas.
“El metabolismo es un desafío fundamental”, dice Libby. “Si una célula se traga a otra, ¿pueden crecer ambas? ¿Pueden competir en población con otros que no tienen que mantener dos celdas? »
El equipo de investigación utilizó tres grandes bases de datos con modelos de genomas completos de varios procariotas para probar tres etapas evolutivas que pueden limitar la endosimbiosis: viabilidad, persistencia y escalabilidad.
La primera pregunta metabólica, la viabilidad, pregunta si los dos organismos en una endosimbiosis pueden acceder a los recursos que necesitan para sobrevivir. ¿Qué tan difícil es para el endosimbionte, el individuo vivo en el interior, acceder a todo lo que necesita de la célula huésped?
«Resulta que es bastante fácil», dice Kempes. «Más de la mitad de las redes que intentamos emparejar eran viables».
Las preguntas segunda y tercera, persistencia y escalabilidad, miden qué tan bien la endosimbiosis puede competir con sus ancestros directos en un entorno cambiante. Los resultados muestran que la mayoría de las parejas estaban menos en forma y menos escalables que sus antepasados, pero no siempre.
«En cierto modo, es sorprendente cómo más de la mitad de las posibles endosimbiosis entre procariotas podrían sobrevivir», dice Libby. «También fue sorprendente que, dados dos genomas en endosimbiosis, fueran menos capaces de adaptarse que sus ancestros de un solo genoma. Ambos resultados fueron en contra de nuestras expectativas originales.
Okie agrega: «Esto significa que tienen un menor potencial de diversificación y radiación en todo el planeta, y puede ayudar a explicar por qué, con la excepción de los eucariotas, hay relativamente pocas endosimbiosis procariotas en la actualidad». «
Sin embargo, uno de los hallazgos intrigantes fue que muchos de los pares modelados tenían una ventaja cuando los recursos en el entorno escaseaban, dice Okie. «Este hallazgo podría ayudar a guiar la exploración de los microbiomas de la Tierra para descubrir más endosimbiosis procarióticas que viven entre nosotros».
El estudio sugiere que la compatibilidad de la red metabólica probablemente no sea el factor limitante para la endosimbiosis procariótica. Sin embargo, existe una amplia variedad de otras teorías y afirmaciones.
“Necesitamos comenzar a cuantificar estos reclamos”, dice Kempes. «¿Qué tan difícil es la eucariogénesis? Necesitamos una escala común, tanto para entender el pasado como de referencia para los biólogos sintéticos que quieran construir nuevos orgánulos o aumentar la eficiencia celular. Cuantificar la dificultad de este desafío es fundamental para comprender cómo podría haber evolucionado la vida». en la Tierra, las posibilidades de que exista en otro lugar del Universo y la posibilidad de crearlo en el laboratorio.
Leer el periodico «Compatibilidad metabólica y rareza de las endosimbiosis procarióticasen PNAS (21 de abril de 2023)
