El desconcertante misterio de las arqueas
Hasta ahora, los científicos creían que los primeros pobladores de la Tierra se dividían en tres ramas: los eucariotas, que forman la vida compleja; las más sencillas bacterias; y un tipo de microbios, también elementales y poco conocidos, llamados arqueas. Nuevos hallazgos han situado a estas últimas en el centro del escenario: ¿y si descendiéramos en realidad de ellas?
Hasta los dioses tenían problemas en sus relaciones con Loki, el dios del engaño en la mitología nórdica; habría sido temerario atraer al legendario intrigante al mundo de la ciencia moderna. Pero esto es lo que hizo un grupo de investigadores en 2008. Les había costado lo suyo encontrar un grupo de fuentes hidrotermales situadas en el fondo del mar de Noruega, porque la huella de calor que emitía aparentemente no paraba de moverse. Cuando por fin dieron con las escurridizas agujas rocosas, pensaron que sería apropiado bautizarlas con el nombre de Castillo de Loki, en referencia a la habilidad de este personaje para cambiar de forma.
Pronto, los habitantes más diminutos del castillo empezaron también a crear problemas. Los extraños microbios que viven allí –bautizados por los investigadores, inevitablemente, como lokis– están arrojando luz sobre uno de los mayores misterios de la evolución: el origen de la vida compleja. Más aún, han reabierto el debate sobre la estructura del árbol de la vida, una de las principales maneras en que la biología describe el surgimiento de los seres vivos en la Tierra, con implicaciones para todos nosotros. El descubrimiento de los lokis puede dejar a la humanidad estrechamente ligada a un peculiar grupo de organismos unicelulares llamados arqueas (Archaea), lo que redefiniría radicalmente a nuestra especie.
LOS LIBROS DE TEXTO AFIRMAN QUE, TRAS LA APARICIÓN DE LAS CÉLULAS BIOLÓGICAS
en la Tierra hace más de 3500 millones de años, la vida se escindió en tres ramas diferenciadas. Una de ellas lleva a las bacterias, organismos unicelulares visibles solo a través del microscopio. Otra conduce a unos microbios igualmente simples, pero biológicamente distintos, llamados arqueas. Y la última ramificación desemboca en seres más complejos llamados eucariotas, un grupo donde se incluyen los humanos, los árboles y los hongos, y cuyos integrantes se diferencian de sus elementales primos porque tienen células con intrincadas estructuras internas, incluido un núcleo.
Mucho antes de que se encontraran los lokis, ya habían surgido dudas sobre esta descripción de la vida. Empezaron con el descubrimiento de un nuevo tipo de ar
queas identificado por primera vez en unas aguas termales sulfurosas de Italia, en los años ochenta. Estos organismos, llamados crenarqueotas, sulfobacterias o eocitos, parecían compartir rasgos celulares con los eucariotas, lo cual resultaba extraño. Hasta entonces, ambos tipos de seres vivos habían sido considerados distintos.
Dichas similitudes sugirieron una conexión evolutiva entre las arqueas y los eucariotas. James Lake, de la Universidad de California en Los Ángeles (EE. UU.), propuso a partir de esta idea una versión alternativa del árbol de la vida. Lake argumentaba que la biología celular comenzó en realidad como una simple bifurcación, y que solo existirían dos grandes dominios: las bacterias y las arqueas.
OTRA DE LAS IMPLICACIONES DE LA IDEA DE LAKE ES QUE LOS EUCARIOTAS
serían entonces una rama evolutiva dentro de las arqueas, de modo muy parecido a cómo los biólogos aceptan ahora que las aves son una rama evolutiva dentro de los dinosaurios. Un gorrión no se parece mucho a un braquiosaurio, pero técnicamente es un dino. Del mismo modo, William Shakespeare o Albert Einstein pueden tener aparentemente poco en común con unos microbios productores de metano que viven en ciénagas y lodazales, pero en el escenario propuesto por Lake todos son –somos–, técnicamente, arqueas.
Conocida como la hipótesis del eocito, es difícil encontrar la mención a esta idea en libros de texto y manuales. “Ha sido en gran medida ignorada. Nunca he entendido realmente por qué”, dice Martin Embley, de la Universidad de Newcastle (Inglaterra).
Hace una década, Embley y sus colegas reconsideraron el argumento de Lake. Uno de los problemas a los que se enfrentan las investigaciones sobre los orígenes de la vida es que los organismos existentes hace miles de millones de años hace mucho que desaparecieron. Eso obliga a que los avances se sustenten en la biología de seres vivos actuales, como han hecho Embley y su equipo, que analizaron decenas de genes de bacterias, arqueas y eucariotas actuales. Para su sorpresa, el resultado era claramente favorable a la hipótesis del eocito, con un árbol de solo dos dominios.
No todo el mundo estaba preparado para semejante revolución. “Nunca he sufrido un proceso de revisión tan duro como el de ese artículo. Lo que me resultó extraño fue que no se argumentaba que estuviéramos equivocados por alguna razón específica; simplemente, no se creyeron nuestros resultados”, recuerda Embley.
Para ser justos, dice el experto británico, reconstruir acontecimientos evolutivos que pudieron tener lugar hace más de 3500 millones de años no resulta sencillo. Y la tarea se vuelve aún más difícil porque organismos de distintos dominios habitualmente inter
cambian fragmentos de ADN en horizontal –es decir, se absorben, en lugar de heredarse–.
Según Embley, podemos comprender mejor la forma del árbol de la vida si nos fijamos en un subconjunto de genes que parezcan especialmente difíciles de intercambiar de ese modo. Algunas enzimas, por ejemplo, interactúan dentro de la célula con una variedad tan grande de otras moléculas que los microbios no pueden intercambiar fácilmente su versión por una que se encuentre en un microorganismo no relacionado. El resultado es que los genes que fabrican dichas enzimas oponen resistencia a la transferencia horizontal. Embley explica que, a medida que los investigadores han empezado a adoptar este enfoque más matizado, el árbol de dos dominios ha ido cosechando una mayor aceptación. “Ahora se está empezando a pensar que el árbol de dos dominios es el escenario más plausible”, dice.
PERO, PARA RESULTAR DE VERDAD CONVINCENTES, LOS PARTIDARIOS DE LA HIPÓTESIS DEL EOCITO
necesitaban esgrimir un descubrimiento simbólico: algo equivalente a los fósiles de dinosaurios con plumas descubiertos en los noventa, que consiguieron por fin convencer a muchos indecisos de la existencia de un eslabón entre aves y dinosaurios. Y es aquí donde los lokis entran en escena.
Thijs Ettema, actualmente en la Wageningen University & Research (Países Bajos), secuenció junto a otros investigadores el ADN recogido en los lodos del fondo marino cercano al Castillo de Loki. Parte de él pertenecía a microbios que parecían ser arqueas, pero que también contenían decenas de genes previamente considerados como exclusivos de los eucariotas. Podían considerarse el equivalente arquea–eucariota de los dinosaurios con plumas. En otras palabras, los lokis eran el eslabón perdido que mostraba cómo algunas arqueas habían evolucionado hasta ser mucho más complejas y convertirse en los primeros seres eucariotas. “La verdad es que preveíamos hacer semejante descubrimiento. Es apasionante”, confiesa Ettema.
LOS ‘LOKIS’, OFICIALMENTE AGRUPADOS EN EL FILO LOKIARCHAEOTA,
tienen sus propias versiones de los genes que ayudan a los eucariotas a construir compartimentos delimitados por membranas dentro de las células. Sin esos habitáculos, las células eucariotas carecerían de su rasgo más determinante: el citado núcleo.
Dentro del típico genoma loki, hay también versiones del ADN que permiten a las células eucariotas a tragar microbios más pequeños. Y este puede ser otro descubrimiento importante. Muchos biólogos piensan que los organismos eucariotas crecieron y se hicieron más complejos porque sus células incluyen orgánulos productores de energía llamados mitocondrias, y una idea fundamental es que dichos componentes eran originalmente bacterias más pequeñas ingeridas por las eucariotas primitivas.
Todos estos descubrimientos están en consonancia con la idea de los dos dominios. “Quizá tenemos que acostumbrarnos a la idea de que somos un peculiar grupo de arqueas”, resume Ettema.
Desde 2015, se han encontrado microbios similares a los lokis por todo el mundo: en lagos de Rumanía, en tapetes microbianos de Australia, en fuentes hidrotermales neozelandesas y en el Parque Nacional de Yellowstone, en Estados Unidos. Cada grupo lleva el nombre de un personaje de la mitología nórdica, que, colectivamente, han dado lugar a la denominación de arqueas de Asgard.
Las arqueas ‘lokis’ tienen genes como los que usan nuestras células eucariotas para tener núcleo y fagocitar otros microorganismos
Incluso algunos investigadores que han mostrado sus reservas sobre la idea de los dos dominios están dispuestos a aceptar que los lokis –y, de forma más amplia, las arqueas de Asgard– están estrechamente relacionados con los eucariotas. Entre ellos se encuentra Gregory Fournier, del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), quien, no obstante, advierte de la importancia de comprender que esa conexión no supone que por fuerza haya que reducir el árbol de la vida de tres a dos ramas.
TRAS MILES DE MILLONES DE AÑOS DE EVOLUCIÓN, LOS EUCARIOTAS SON MUCHÍSIMO MÁS COMPLEJOS
que las arqueas o las bacterias, pero al principio no habría tanta diferencia. Esto significa que quizá los microbios de Asgard tuvieran una apariencia similar a la de las arqueas, cuando en realidad se encontraban en un primer estadio del camino hacia los eucariotas. En este escenario, los microorganismos de Asgard seguirían siendo compatibles con el tradicional árbol de tres dominios.
Un estudio más detallado de ellos podría ayudar a establecer sin lugar a dudas si son realmente arqueas. La identificación de estos microorganismos se realizó por primera vez uniendo fragmentos de su ADN, pero,
en realidad, nunca se había visto todavía un microbio de Asgard vivo. El objetivo era, por tanto, cultivar uno en el laboratorio para poder observar adecuadamente su biología y comportamiento.
Hace dos años, Hiroyuki Imachi, de la Agencia Japonesa para la Ciencia y la Tecnología Marítimo-Terrestres, y su equipo fueron los primeros en conseguir exactamente eso. Anunciaron que habían aislado y cultivado un tipo de microbio de Asgard recogido en el fondo marino cercano a la costa sur de Japón. En contra de la tendencia habitual, le dieron el nombre de Prometheoarchaeum syntrophicum, en referencia a una figura de la mitología griega en lugar de la nórdica.
SE TRATA DE UN MICROBIO MUY DIFÍCIL DE CULTIVAR Y DE CRECIMIENTO ESPECIALMENTE LENTO.
El equipo de Imachi comenzó el experimento hace catorce años, dos antes de que se descubriera el Castillo de Loki y con antelación aún mayor a que Ettema y su equipo conocieran los lokis que allí vivían. A pesar de esta enrevesada cronología, el Prometheoarchaeum syntrophicum es el primer microbio de Asgard cultivado. El artículo de Imachi, publicado en enero de 2020, recibió múltiples elogios ente los microbiólogos. “Es realmente fascinante tener por fin un loki cultivado”, dice Fournier.
Según el estudio, el P. syntrophicum presenta unas protuberancias muy extrañas que adoptan forma de tentáculos. La idea del equipo de Imachi es que esos apéndices pueden haber permitido que antiguos microbios similares a los de Asgard atraparan bacterias y acabaran incorporándolas a sus células como mitocondrias, un proceso del que habrían salido a la luz las primeras células eucariotas. El equipo ha demostrado asimismo que estos microbios tentaculares no viven aislados y que solo pueden crecer unidos a una pequeña comunidad de otros microorganismos de los que dependen para sobrevivir. Esta estrecha colaboración puede haber llevado también a las especies de Asgard a incorporar a los microbios que les prestaban ayuda.
El descubrimiento del P. syntrophicum ayuda a reforzar la idea de que las criaturas de Asgard están estrechamente relacionadas con los eucariotas, pero no sirve para decidir si son realmente arqueas, afirma Fournier. En primer lugar, no se conoce ninguna arquea con protuberancias en forma de tentáculos como los del P. syntrophicum. Y luego está el problema de que se trata de un microbio de Asgard relativamente especializado. Parece evidente que se requiere mucho más trabajo para resolver la cuestión. Fournier dice que es necesario cultivar especies de Asgard que se acerquen más a las primeras etapas de evolución del grupo, porque así será más fácil decidir si estos primitivos asgard son arqueas.
AL FINAL, LOS ‘LOKIS’ Y LOS ‘ASGARD’ PUEDEN ANIMAR A LOS BIÓLOGOS
a rechazar el árbol de tres dominios en favor de una versión de dos. Pero incluso si no conduce a un cambio tan radical, estos organismos recién descubiertos sirven para seres los orígenes de formas de vida compleja, desde las amebas a nosotros mismos. Sin duda, el dios nórdico de las travesuras aprobaría la revolución que los microbios con los que comparte nombre están provocando.
Científicos japoneses han logrado cultivar en laboratorio el posible nexo entre los microorganismos simples y complejos