Las células primitivas de Asgard muestran la vida al borde de la complejidad

Un roble. El hongo simbiótico entrelazado con sus raíces. Un cardenal cantando desde una de sus ramas. Nuestra mejor pista hasta ahora sobre su ancestro compartido podría haber llegado en imágenes de microscopio electrónico que se dieron a conocer en diciembre.

"¡Mirar!" dijo el microbiólogo christa schleper, radiante mientras sostenía una imagen impresa de alta resolución frente a su cámara web en la Universidad de Viena. "¿No es hermoso?" Las células en la micrografía eran orbes de 500 nanómetros de ancho rodeadas por un halo de zarcillos similar a Medusa. Su equipo no solo aisló y cultivó el organismo por primera vez, sino que demostró que sus filamentos agitados estaban hechos de actina, la proteína que forma un andamio esquelético en casi todas las células complejas o eucariotas.

Pero esta no era una célula compleja. Parecía más ancestral, primordial. El organismo, primero publicado en Naturaleza, es solo el segundo representante de un grupo de microbios llamado Asgard archaea que se cultiva y estudia en detalle. Lograr que creciera a partir de una pequeña cucharada de lodo del fondo marino, lo que tomó seis años, fue como preparar un vestidor para una celebridad temperamental. El organismo no podía ser centrifugado, agitado, expuesto al oxígeno, separado de algunos otros microbios con los que se relaciona, o apresurado a crecer más rápido que un paso glacial.

Durante meses, ni siquiera creció en absoluto. “También me preocupaba mi propio futuro en la ciencia”, dijo Thiago Rodrigues-Oliveira, quien lideró el esfuerzo de cultivar la nueva especie como postdoctorado en el laboratorio de Schleper, apostando su propia carrera a los caprichos de un solo organismo recalcitrante.

A pesar de lo terriblemente difícil que es tratar con ellas, las arqueas de Asgard se encuentran ahora entre los organismos más codiciados en la ciencia, y por una buena razón. Para muchos biólogos evolutivos, su descubrimiento y los estudios posteriores justifican la revisión de las imágenes de los libros de texto del árbol de la vida para situarnos a nosotros, y a todas las demás criaturas construidas a partir de células eucariotas, como meros retoños del grupo Asgard.

Mientras tanto, los estudios de los genomas de Asgard han aportado datos muy necesarios para la cuestión de cómo evolucionaron los eucariotas, un evento trascendental en la historia de la Tierra que inspira debates polémicos. La mayoría de los estudios hasta la fecha han tenido que depender de sondas genéticas indirectas del grupo Asgard, que no ofrecen las mismas oportunidades que estimular microbios vivos en un laboratorio, el estándar de oro en microbiología desde los días de Louis Pasteur.

Ahora, una carrera a cámara lenta de alto riesgo está en marcha mientras los laboratorios de todo el mundo intentan hacer crecer sus propias culturas Asgard. Las muestras no se comparten; Las estrategias de crecimiento son secretos muy bien guardados. “Honestamente, nos sorprendió” cuando salieron los resultados del equipo de Schleper, escribió hiroyuki imachi, el microbiólogo de la Agencia Japonesa para la Ciencia y Tecnología de la Tierra y el Mar que, después de un extenuante esfuerzo de 12 años, aisló la primera y actualmente la única muestra de arqueas de Asgard.

No son los únicos. Thijs Ettema, un microbiólogo evolutivo de la Universidad de Wageningen en los Países Bajos, insinuó que su laboratorio también había progresado en el enriquecimiento de las culturas Asgard, y supuso que al menos otros 10 laboratorios tenían proyectos similares en marcha. “No me lo dirían”, dijo.

Juntando un organismo

El rastro que condujo a las arqueas de Asgard se calentó por primera vez hace una década. Fue entonces cuando un equipo que incluía a Ettema, Schleper y anja spang, que ahora es microbiólogo evolutivo en la Universidad de Amsterdam, se dispuso a encontrar lo que esperaban que fuera un eslabón perdido evolutivo.

Los biólogos habían utilizado durante mucho tiempo datos genéticos para clasificar todos los organismos conocidos en tres contenedores taxonómicos: bacterias, arqueas y eucariotas. Pero discreparon a gritos sobre cómo dibujar el árbol genealógico que debería unir a estos grupos.

carl woese, el influyente microbiólogo estadounidense que descubrió las arqueas a fines de la década de 1970, sostuvo que los tres grupos se mantenían solos, cada uno con la misma dignidad, representando distintos "dominios" de la vida. En opinión de Woese y sus aliados, las arqueas y los eucariotas eran grupos hermanos descendientes de un progenitor mayor. Sus oponentes abogaron por un árbol de "dos dominios" de solo bacterias y arqueas, alegando que los eucariotas habían evolucionado directamente de las arqueas.

Se formaron campamentos; posiciones se afianzaron. “Cualquier cosa que tenga que ver con nuestro origen, independientemente de cuán atrás en el tiempo, es algo que preocupa profundamente a los humanos”, dijo Spang.

Años antes de que se aislaran los nuevos organismos, los estudios microbianos detectaron indicios de un grupo desconocido de arqueas con genomas sospechosamente parecidos a los de los eucariotas en los sedimentos marinos de todo el mundo. Un estudio, dirigido por Steffen Jorgensen, el estudiante de doctorado de Schleper, demostró que estos misteriosos microbios prosperaban en el lodo del fondo marino recogido cerca de un respiradero hidrotermal en el Océano Atlántico en 2008. Trabajando con 7.5 gramos de lodo de estas mismas muestras, el equipo comenzó a pescar secuencias más largas de ADN extraviado.

Su objetivo intermedio era utilizar una técnica de 20 años llamada metagenómica para obtener secuencias genéticas de cada organismo presente. Imagina que tienes un montón de piezas mezcladas de miles de rompecabezas, explicó Spang. Primero averiguas qué piezas pertenecen a cada rompecabezas. Luego arma cada rompecabezas. La metagenómica puede ensamblar genomas de esta manera, trabajando solo a partir del ADN de los microbios que acechan en el lodo.

ese analisis, publicado en 2015, descubrió un genoma particularmente provocativo. El organismo al que pertenecía parecía ser el arqueón más parecido a un eucariota jamás descubierto, con genes para al menos 175 proteínas que se parecían mucho a las proteínas eucariotas. Los investigadores argumentaron que todos los eucariotas podrían haber surgido de un pariente cercano de ese mismo archaeon, una visión que respalda firmemente la versión de dos dominios del árbol de la vida.

Ettema nombró al organismo Lokiarcheota. El nombre era un guiño al Castillo de Loki, la formación de ventilación hidrotermal cerca de donde se habían recolectado las muestras. Pero el documento de 2015 dio una razón adicional. "Loki ha sido descrito como 'una figura asombrosamente compleja, confusa y ambivalente que ha sido el catalizador de innumerables controversias académicas sin resolver'", escribieron, citando a un estudioso de la literatura escandinava. La alusión parecía encajar con la controversia que rodea a la eucariogénesis, el origen de las células complejas.

Su descubrimiento pronto fue criticado por los defensores del modelo de tres dominios. ¿Existieron realmente los organismos Loki? ¿O Spang había resuelto mal el rompecabezas metagenómico y había mezclado los genomas de varios microbios diferentes en una criatura quimérica e imaginaria?

Pero pronto Ettema, Spang y muchos otros colaboradores descubrieron secuencias genéticas similares a las del organismo Loki en fuentes termales, acuíferos y sedimentos de agua dulce y salada de todo el mundo. Los organismos no eran raros en absoluto. Simplemente habían sido pasados ​​por alto.

Los científicos dieron a los grupos emergentes nuevos nombres que se apegaban al tema de la mitología nórdica (Odin, Thor, Hel, Heimdall) y se refirieron a todo el reino como las arqueas de Asgard, en honor al hogar de los dioses nórdicos. Los genomas adicionales también parecían incluir muchas proteínas similares a las eucariotas, lo que respaldaba aún más la versión de dos dominios del árbol de la vida en el que nuestra rama eucariota brotó de un ancestro Asgard.

Aun así, resolver dónde ocurrió la eucariogénesis en el árbol genealógico de la vida hizo poco para resolver los debates sobre cómo se desarrolló ese proceso. Los biólogos sospecharon que estudiar ejemplos vivos de arqueas de Asgard podría arrojar más información de la que podrían obtener al observar fragmentos de ADN. En 2015, poco después de que se descubriera el grupo Asgard, Schleper comenzó a intentar hacer crecer un Loki en Austria.

Sin embargo, sin que todos ellos lo supieran, uno ya se estaba multiplicando, muy lentamente, en el cultivo en Japón.

Un microbio que se hace el difícil de conseguir

“Mi primer nombre, Hiro, significa 'tolerante'”, dijo Imachi. ¿Cuánto en una entrevista de 2020. “Creo que [ser] tolerante y paciente es, cómo decirlo, importante en mi vida”.

En 2006, frente a la costa de Japón, un sumergible tripulado llamado Shinkai 6500 perforó un núcleo de sedimento sulfuroso negro del suelo de una zanja bajo 2.5 kilómetros de océano. Más tarde ese año, Imachi colocó parte de este sedimento en biorreactores que podrían simular un entorno de aguas profundas; había adaptado el equipo de los sistemas de tratamiento de aguas residuales para los países en desarrollo. Luego se acomodó para ver qué podría crecer en este extraño jardín.

La metagenómica ya había revelado que la totalidad de los organismos cultivables conocidos representaba solo una fracción de la verdadera diversidad microbiana de la naturaleza. Imachi, que entonces había terminado la escuela de posgrado unos años, había dedicado su carrera al objetivo quijotesco de cultivar todos los microbios. Sin embargo, para hacer crecer algo como un Loki para el estudio de laboratorio, sería necesario superar varios obstáculos de enormes proporciones a la vez.

En primer lugar, cualquier pequeña pieza de lodo del fondo marino alberga cientos de especies microbianas. Para eliminar las bacterias no deseadas, puede agregar antibióticos, que son letales para las bacterias pero tolerados por las arqueas. Pero los antibióticos también podrían matar especies bacterianas simbióticas sin las cuales su arquea objetivo no puede vivir. Por lo tanto, es necesario experimentar con varios antibióticos en diferentes concentraciones para encontrar un tratamiento que solo sea apropiadamente letal.

En segundo lugar, debe encontrar la combinación correcta de nutrientes, medio y sedimentos para que prospere su organismo objetivo. Finalmente, debe esperar y esperar a que el objetivo crezca a concentraciones lo suficientemente altas como para encontrarlas bajo un microscopio electrónico o para experimentar en ellas. . Cuando está feliz, el organismo que Imachi estaba nutriendo se divide aproximadamente una vez cada dos o tres semanas. En comparación, Escherichia coli, el caballo de batalla bacteriano en muchos laboratorios de microbiología, amablemente se duplica en solo 20 minutos.

Cinco años y medio después de que sus muestras entraran en el biorreactor de Imachi, el equipo japonés inoculó todo lo que crecía en su interior en pequeños tubos de vidrio. Después de aproximadamente un año, notaron signos débiles de vida dentro de un tubo dosificado con antibióticos. Luego comenzaron a tratar de empujar su objetivo, que vieron que tenía secuencias que coincidían con las del grupo Lokiarcheota que Spang había publicado en 2015, a concentraciones más altas.

En el verano de 2019, poco antes de cargar su manuscrito en un servidor de preimpresión, Imachi envió a Ettema un borrador anunciando su éxito. Ettema recordó la primera vez que vio a la criatura que había estado estudiando a través de secuencias genéticas durante años. “Parecía un organismo de un planeta diferente”, dijo. “Nunca había visto algo así”.

Las imágenes del microscopio electrónico del grupo japonés pusieron fin al debate sobre si el organismo Loki era real o un artefacto de la metagenómica. Pero su trabajo también estableció dos nuevos descubrimientos cruciales sobre las arqueas de Loki: que el organismo se rodeaba de pequeños brazos y que parecía prosperar en grupos codependientes con una bacteria reductora de sulfato y otra especie de arquea que producía metano.

Mientras tanto, en el laboratorio de Schleper en Austria, la subvención inicial de seis años estaba disminuyendo y no había nuevos fondos a la vista. Un posdoctorado asignado a la tarea de hacer crecer el organismo terminó dejando la ciencia. Otro miembro del equipo, un técnico, había pipeteado tanto que necesitaba cirugía para el síndrome del túnel carpiano.

Sin embargo, en el otoño de 2019, un cultivo de un organismo Loki iniciado por Rodrigues-Oliveira comenzó a avanzar poco a poco. Se dividió en aproximadamente la mitad del tiempo que la cepa japonesa y alcanzó densidades de 50 a 100 veces más altas. Aun así, trabajar con él podría ser como hojear un ¿Dónde está Waldo? libro: En 36 horas de escaneo de muestras a través de un microscopio electrónico, dijo Schleper, el equipo detectó solo 17 especímenes individuales.

El pasado mes de diciembre debutaron sus resultados en Naturaleza. Este Loki también tenía filamentos similares a tentáculos que el grupo de Schleper especula que podrían enredar a otros organismos e interactuar con ellos. Recogiendo al equipo japonés, demostraron que los tentáculos estaban hechos de una proteína, Lokiactin, que se parece mucho a la actina con la que las células eucariotas construyen citoesqueletos de apoyo. Entonces, el gen Lokiactin no solo es como un gen eucariota, sino que realiza una función similar a la de un eucariota.

El gen Lokiactin también aparece en cada uno de los aproximadamente 172 genomas de Asgard que los científicos han encontrado. Eso implica que el antepasado de todo el grupo, y tal vez el antepasado de todos los eucariotas, podría haber tenido un protoesqueleto similar.

Entonces, ¿qué está tratando de hacer el laboratorio de Schleper con el organismo ahora? "¡Todo!" dijo ella, riendo.

Estirando la mano para formar células complejas

Dentro de la imagen de dos dominios ahora dominante a la que contribuyen las arqueas de Asgard, la gran historia de la vida en este planeta es más o menos así. Hace unos 4 mil millones de años, la vida se bifurcó en dos ramas unicelulares, las arqueas y las bacterias.

La evidencia genética implica que las dos ramas se cruzaron de nuevo 2 millones de años después cuando un arqueón, probablemente del grupo Asgard, de alguna manera ingirió una bacteria. El proceso domesticó lo que una vez fue una célula distinta y de vida libre y la convirtió en orgánulos llamados mitocondrias que persisten dentro de las células eucariotas. Los descendientes de esa fatídica unión se ramificaron en otros organismos unicelulares como los dinoflagelados, y luego en criaturas multicelulares que crecieron hasta alcanzar tamaños macroscópicos, dejaron fósiles y colonizaron tanto el mar como la tierra.

Pero incluso los teóricos que respaldan esta narrativa pertenecen a campos divididos. Algunos argumentan que ganar mitocondrias fue el evento definitorio en la eucariogénesis. Otros insisten en que las mitocondrias llegaron tarde en una transición en curso. "Es posible que haya tenido arqueas de Asgard que ya eran bastante complejas y bastante parecidas a eucariotas", dijo tom Williams, un microbiólogo computacional de la Universidad de Bristol. "Luego adquirieron las mitocondrias, en una forma extrema de esta vista, como una especie de guinda del pastel".

Hasta ahora, dijo, la complejidad de los Asgard, a pesar de su falta de mitocondrias, ha inclinado la discusión hacia el último punto de vista. Pero los datos de la investigación sobre los Asgard también han limitado el debate sobre la eucariogénesis de otras formas.

Por un lado, los dos Asgard cultivados hasta ahora han resultado difíciles de separar de un séquito de otros microbios. Al igual que el Loki japonés, los organismos austriacos parecen preferir, incluso depender de, tener una especie extra de archaeon y otra bacteria reductora de sulfato en cultivo con ellos. Académicos que trabajan en eucariogénesis, como Purificación López García en el Centro Nacional Francés para la Investigación Científica, han promovido durante mucho tiempo la idea de que las mitocondrias fueron capturadas por primera vez desde dentro de este tipo de sociedad “sintrópica”, donde múltiples especies viven interdependientes.

El hallazgo de que Lokis tiene tentáculos de actina agrega plausibilidad a un escenario de eucariogénesis llamado el modelo de adentro hacia afuera, dijeron Spang y Schleper. En 2014, el biólogo celular zumbido baum en el University College London y su primo, el biólogo evolutivo david baum de la Universidad de Wisconsin, Madison, propusieron una idea que habían discutido en eventos familiares: que los primeros eucariotas nacieron después de que una simple célula ancestral extendiera protuberancias más allá de sus paredes celulares. Primero estos brazos se extendieron hacia una bacteria simbiótica. Eventualmente se cerraron alrededor de ese compañero, convirtiéndolo en una proto-mitocondria. Tanto la célula arqueal original como el simbionte capturado estaban envueltos dentro de un esqueleto proporcionado por los brazos.

Cuando las arqueas de Asgard todavía se conocían solo a partir de fragmentos de ADN ambiental, Baum había pedido a los asistentes a una conferencia que dibujaran cómo pensaban que se verían los organismos. Su propio dibujo basado en las ideas de adentro hacia afuera, que predecía que lucirían brazos protuberantes, sorprendió a los otros científicos reunidos. En ese momento, dijo Schleper, parecía "muy extraño que hiciera esta sugerencia divertida".

Un ambiente competitivo

Los eventos de la eucariogénesis han sido tan oscurecidos por la intervención del tiempo y el intercambio de genes que es posible que nunca los sepamos con certeza.

Las dos especies de Loki actualmente en cultivo, por ejemplo, son organismos modernos que difieren de las antiguas arqueas de la misma manera que un cardenal cantor vivo difiere del dinosaurio ancestral del que evolucionó. El grupo Loki ni siquiera es el subconjunto de arqueas de Asgard que los análisis genéticos sugieren que está más estrechamente relacionado con los eucariotas. (Basado en genomas Asgard conocidos, una preimpresión publicado por Ettema y sus colegas en marzo argumentó que el antepasado de los eucariotas era un arqueón de Heimdall).

Aún así, los laboratorios de todo el mundo están apostando a que cultivar representantes más diversos del grupo Asgard producirá una bonanza de nuevas pistas sobre su ancestro común y el nuestro. Schleper lo está intentando. Ettema también. También Baum, quien dijo que su laboratorio pronto dará la bienvenida a un nuevo colega que traerá viales de arqueas de grupos como Heimdall y Odin. Lo mismo Imachi, quien se negó a hablar con ¿Cuánto para esta historia

“Si me entrevistaran ahora, lo más probable es que hablara sobre nuevos datos que aún no se han publicado”, explicó en un correo electrónico, y agregó que su grupo aplaudió los esfuerzos del equipo de Schleper. “Es muy competitivo ahora (aunque no me gusta este tipo de competencia)”, agregó.

Otras fuentes también lamentaron la atmósfera demasiado presurizada. “Sería bueno si el campo estuviera más abierto para compartir”, dijo Spang. La presión pesa más sobre los jóvenes científicos que tienden a asumir proyectos de cultivo de alto riesgo y alta recompensa. El éxito puede agregar un brillo Naturaleza papel a su currículum. Pero perder años en un esfuerzo fallido puede atrofiar sus posibilidades de conseguir un trabajo en ciencias. “Es realmente una situación injusta”, dijo Schleper.

Por ahora, sin embargo, la carrera continúa. Cuando los primos Baum publicaron sus ideas sobre la eucariogénesis en 2014, dijo Buzz Baum, asumieron que probablemente nunca sabríamos la verdad. Entonces, de repente, aparecieron los Asgard, ofreciendo nuevos atisbos de las etapas liminales de transición que impulsaron la vida desde la simplicidad unicelular hasta la sobremarcha.

“Antes de que destruyamos este hermoso planeta, deberíamos investigar un poco, porque hay cosas geniales en el planeta Tierra de las que no sabemos nada. Tal vez hay cosas que son una especie de fósiles vivientes, estados intermedios”, dijo. “Tal vez está en la cortina de mi baño”.