ARQUEAS: UN ENSAYO SOBRE TRES TEORÍAS DE SUS ORÍGENES

Introducción

Desde ya hace 4000 millones de años existía en la Tierra diversa cantidad de material orgánico teniendo su punto crítico cuando se empezaron a formar polímeros replicativos y partiendo de eso, la selección natural. Sin embargo, la clave para el origen de la vida fue el ensamblaje mutuo que hubo entre, vesículas membranosas, polímeros y redes metabólicas, a pesar de que actualmente se desconocen los detalles, los procesos bioquímicos para entender la vida son comprensibles y se pueden reproducir de manera experimental (Peretó 2013). Las formas de vida antepasadas con todos sus accesorios empaquetados y material genético compuesto de DNA, muchos creen que existió un periodo donde la vida dependía de moléculas parecidas al ARN que conocemos actualmente. Como consecuencia de la evolución surgió algo parecido a las células que conocemos actualmente. (Martínez y Argibay, 2006).

El desarrollo en el pensamiento y estudio evolutivo, ha podido prescindir desde Darwin, ofreciendo una visión donde se puede apreciar organismos actuales y cómo se van relacionando con otros de épocas pasadas; estas relaciones que se marcan entre sí, se representan de una manera gráfica, conocidas como árbol filogenético. En un principio se habían agrupado dos dominios principales de la vida: las células que contenían núcleo (Eucariotas) y las que no (Procariotas), hasta que se descubrió tiempo después otro tipo de microorganismo que no tiene relación con ninguna de estas, las arqueas (Flores, 2018).

Al momento de descubrir las arqueas, se dieron cuenta que todas carecían de un núcleo y su forma era Igual a la de las bacterias, pero su composición molecular es diferente, al igual que la de las eucariotas. En este punto es cuando se definen los tres dominios que conocemos: Bacteria, Archea y Eukarya (Martínez y Argibay, 2006; Boto, 2018). Pero ¿Cuál es el origen de las arqueas?, actualmente no se sabe con exactitud, pero existen tres hipótesis sobre ello: La hipótesis de Neomura, la del Eocito y la del Hidrógeno. En este ensayo, se describirán los tres dominios y se justificará porqué la hipótesis del Eocito podría ser la mejor explicación, o la más cercana para entender el origen y evolución de las arqueas.

Según Martínez y Argibay (2006 )la biología evolutiva nos ha ayudado a analizar a través del genoma que todas las células del planeta se crearon a partir de un ancestro en común, a este se le bautizó con el nombre de Last Universal Common Ancestor, de siglas LUCA, ¿pero qué sabemos de este ancestro? Para eso, quienes se dedican a la filogenética molecular, se están centrando en poder desarrollar métodos experimentales que, puedan inferir su naturaleza y el sitio de un árbol filogenético universal, pero ¿y cuál es el objetivo principal de esto?, claramente es buscar ese pasado biológico partiendo de diversas características en los organismos de hoy en día, basándose principalmente en secuencias de ADN y ARN de diferentes genes, que se encuentran en distintos organismos. Pero ¿ha dado resultados? El resultado más notable con respecto a esta secuenciación dio un giro en la historia cuando en 1977 Woese compara fragmentos de ARN de la menor subunidad de los ribosomas, proponiendo así en 1990 los tres dominios que se conocen actualmente Bacteria, Archea y Eukarya, si bien estos grandes linajes están cada uno caracterizados por un tipo diferente de ribosoma, y una gran distancia evolutiva, estos provienen de un ancestro común. Dado esto ¿Qué es lo que sugiere de que vengan de un ancestro común? Pues bien desde que surgieron estos tres grandes dominios se empezaron a hacer arduos análisis y comparación entre sus genomas, se dieron cuenta que a pesar de que cada dominio tiene proteínas que las caracterizan, contienen mosaicos, que si está presente en uno de los linajes, los otros dos lo tienen también. Esto lleva a los científicos a tener dos alternativas: uno donde las proteínas en cada uno de los dominios sean rezagos de un ancestro común o bien que haya más de un ancestro común que pudieron haber tenido una transferencia de genes entre descendientes. En lo que respecta a estas hipótesis tienen relevancia en lo siguiente: se descubrió una similitud de genes informativos entre arqueas y eucariotas, mientras que las eucariotas y bacterias comparten genes operaciones. Recordemos que según la función de los genes se dividen en informativos y operacionales; los primeros son los que su función principal es regulación, almacenamiento y copia de la información genética, mientras que los segundos participan en la formación de proteínas para la degradación.

¿Por dónde empezar sobre el origen de las arqueas? Como se había mencionado anteriormente existen muchas diferencias entre las arqueas y bacterias, pero estas no pueden ser observadas a simple vista. Pues bien, han sido muchas las preguntas y se han establecido tres teorías que tratan de explicar su origen y de qué manera fue desarrollándose. La primera la hipótesis de Neomura donde Calvier-Smith (2002) establece que tanto arqueas como eucariotas son grupos hermanos que vienen un antepasado común que bautizó como Neomura; propone que hubo 19 antecesores clave donde se obtuvo un reemplazo de la pared celular de peptidoglicano por pseudopeptidoglicano , y la adaptación a las altas temperaturas por parte de las arqueas. Se recuerda que las arqueas no tienen histonas las cuales ordenan y empaquetan el DNA, y carecen de DNA girasa que es un tipo de topoisomerasa que controla el enrollamiento de DNA durante su transcripción. Para esto Calvier-Smith (2002) sugiere que la Neomura debió haber perdido ADN bacteriano, actividad en el DNA girasa y de una forma evolucionar a un tipo de topoisomerasas de ADN tipo II. Recordemos que las topoisomerasas son aquellas enzimas que pueden alterar la estructura del DNA, las cuales inhiben los superhelicoidales, esto es algo importante en la transcripción y traducción del DNA, después de esto se introduce otra hipótesis “la fagotrófica”, que dice que aquellas células bacterianas con peptidoglucano ingirieron otra presa, y así asociarse a una endocitosis, para desarrollar histonas, mejorar su citoesqueleto, endomembranas y finalmente el núcleo para formar así las eucariotas. Pues bien, Según Luque et al.(2009) y Martínez Argibay (2006) sugieren que LUCA vivía bajo altas temperaturas , así como las bacterias hipertermófilas y las arqueas, comenta Fernández (2014) que para soportar estas altas temperaturas y evitar que su DNA se desnaturalice contienen una enzima llamada ADN girasa inversa, puesto que si la descendencia de Neomura son las Actinobacterias, que según Ventosa (2017) y Pelaz (2014) pueden crecer en temperaturas de hasta 60°C,y aunque algunas crezcan en 25°C pueden adaptarse fácilmente a temperaturas mayores, ya que en su composición contienen girasa inversa, dicho esto ¿Neomura a que temperatura surgió?, puesto que al dividirse en estos “grupos hermanos” y dar origen a las arqueas (las cuales igual contienen girasa inversa), no se menciona en su hipótesis si esa enzima girasa inversa se perdió en Neomura y las arqueas “volvieron a evolucionar” como las bacterias antecesoras de carácter termófilo e hipertermófilo para volver a obtener la enzima o si se perdió en las eucariotas al momento de “evolucionar” con histonas. De igual forma únicamente se defiende el hecho de que provienen de las Actinobacterias (Pelaz, 2014) por el hecho que es considerada por algunos, el grupo más evolucionado de las bacterias, debido a sus conidioesporas que son esporas asexuales, que aparte de este grupo de bacterias únicamente se encuentra en hongos y son las que más de adaptan a diversas temperaturas, sin hacer un análisis ribosomal que indique su relación, como se hizo en estudios que apoyan la teoría del Eocito que se mencionará más adelante.

Pues bien la otra teoría es la del Hidrógeno, la cual William y Müller (1998) sugieren que, una arquea metanógena al engluir una bacteria facultativa anaerobia, esta no pudo ser degrada completamente dando origen a las mitocondrias en eucariotas, puesto que la bacteria facultativa al hacer el proceso de fermentación, desprendía H2 la cual era utilizado por la arquea (Ferrer y Pérez 2010). De ser esto cierto, la hipótesis de neomura quedaría rechazada, pues sugeriría que tanto las eucariotas y arqueas no son grupos hermanos, y que arquea fue antes. De esta hipótesis no se puede obtener mucha información de orígenes en arqueas, ya que proporciona mucha información sobre el origen de las arqueas metanógenas que se propone como huésped.

La hipótesis del Eocito propuesta por Lake (2004) afirma que células eucariotas provienen de arqueas específicamente de Crenarchaeota conocidas de igual manera como Eocito, estas suelen vivir en lugares termófilos y ácidos. Estas arqueas estuvieron en simbiosis con alfaproteobacterias, (se cree que fueron del orden Rickettsiales, Peligabacter ubique puesto estas bacterias pueden vivir únicamente en endosimbiósis), pues la secuencia de ARNr mitocondrial es intimamtente ligado con estas bacterias. Según Miranda-Astudillo(20012) las Crenarchaetas, es el grupo más importante de arqueas, debido a que contienen la mayor parte de microorganismos hipertermófilos, por lo tanto se cree que fueron una de las primeras descendientes de las bacterias, pues Woese al hacer secuencias de ARNr, en arqueas y bacterias encuentra que ambas alcanzaron un periodo de evolución similar de 4000 millones de años, cosa que no se encontró en eucariotas (Janet-Casique, 2007). Esto da a entender que a pesar de no compartir misma composición molecular, ambas comparten morfología y periodo evolutivo similar, y al ser células más complejas, tuvieron que haber partido de algo más simple, en este caso las bacterias representarían el grupo simple. Esto Nrechaza la hipótesis de Neomura, puesto que en la del Eocito sugiere que arqueas fue antes que bacterias y no provengan ambas de un mismo periodo de evolución como grupos hermanos. Recientemente se ha descubierto un tipo de Arqueas llamadas Asgard, ha sido hasta el momento ha sido la arquea con más similitud con las Eucariotas. Para este proyecto Zaremba-Niedzwieedzka et al. (2017) hicieron un análisis de taxones y marcadores genéticos usando enfoques filogenéticos que capturan la heterogeneidad del proceso evolutivo. Los análisis filogenéticos constituían genes de RNAr 16S y 23S, genes marcadores y proteínas r (las cuales son exclusivas de eucariotas y arqueas). Posteriormente evaluaron las variaciones de os conjuntos de datos de genes y los artefactos potenciales que resultaban del entrelazamiento de grupos distantes, se eliminaron las posiciones sesgadas, se ajustó la alineación y se recodificaron aminoácidos. A partir de esto pudieron determinar que existía una afiliación filogenética entre linajes Asgard y las eucariotas. Pues si bien la afiliación filogenética entre estas arqueas y eucariotas fue bastante fuerte, no pudieron determinar la posición exacta entre eucariotas y el supergrupo Asgard. Al final esta hipótesis son las que tienen más respaldo científico, puesto que en la del hidrógeno y neomura no se han realizado hasta el momento análisis tan arduos, u otro tipo de estudios que reafirmen esas hipótesis. Las arqueas Asgard se ha puesto dentro del grupo de las TACK según William et. Al (2012), que constituyen un grupo grande de arqueas incluyendo las Crenarcheotas, pero aún no se decide si será incluida dentro de esta. De ser así la hipótesis del Eocito sería aún más confirmada, pues las Asgard provendrían de Crenarcheotas, grupo del cual se propone que vienen las eucariotas.

Conclusión

En todas las teorías podemos observar que tratan de dar explicación al origen de los eucariotes partiendo de arqueas, pero algunos tienen más preguntas que otros. En la hipótesis de Eocito, dice que venimos de arqueas, y como sabemos las arqueas y eucariotas comparten casi los mismas bases moleculares, pero recientemente se ha descubierto con Asgard que son el supergrupo más cercano que se ha encontrado hasta el momento, por lo que esto podría estar afirmando esta hipótesis, si es que la incluyesen en Crenarcheotas y rechazando la idea de Neomura que arqueas y eucariotas fueron desde un principio grupos separados.. Por otro lado, el modelo filogenético de Eocito, dice que de bacterias, surgieron Arqueas, pues bien, esto con los análisis de periodo evolutivo, afirman que provienen de períodos de tiempo similares. Esto afirma que bacterias y arqueas fueron antes, y no los grupos hermanos de arquea y eucaria que sugiere neomura, aparte que no se ha encontrado evidencia de algún ancestro como neomura. Por otra parte Eocito ha encontrado más similitud en Alfaproteobacterias para explicar el origen de las mitocondrias, que la hipótesis del hidrógeno que afirma fueron arqueas metanógenas, sin explicar mucho el origen de aquellas arqueas. Con esta evidencia me queda irme por el lado de Eocito, y ya que es la que más tienen más estudios que se acercan a esta hipótesis, hasta que más adelante se confirme de donde proviene Asgard.

Fuentes:

Boto,L. (2018) ¿Qué sabemos del origen de los eucariotas?. Sociedad Española de Biología Evolutiva. Evolución 13(1): 5-10.

Casisque-Almazán,J. (2007) Archaebacterias. La vida en la Tierra.

Cavalier-Smith,T. (2002) The neomuran origin of archaebacteria, the negibacterial root of the universal tree and bacterial megaclassification. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology vol.52: 7-76.

Flores,J. (2018) El origen de la ciencia, una antología de la ciencia para todos. (1ra Ed) Editoriales eFe , México.

Martínez,E. y Argibay,P. (2006) Acerca del origen de la vida: hacia una teoría unificada. Segunda parte. Hospital Italiano de Buenos Aires. 26(4) 163-168.

Martínez,E. y Argibay,P. (2006) Acerca del origen de la vida: hacia una teoría unificada. Primera parte. Hospital Italiano de Buenos Aires. 26(3) 119-122

Miranda-Astudillo, H.(2012) Estructura y función de la ATP sintasa de las arqueas aeróbicas. Revista especializada en Ciencias Químico-Biológicas 15(10): 104-115.

Pelaz,G. (2014) Aislamiento y estudio de la diversidad de las poblaciones de Actinobacterias presentes en muestras de compost. Facultad de Ciencias agrarias y ambientales, Salamanca.

Pinto. N. (2017) Filogenia de los seres vivos, dominio archea. Universidad de

Sevilla, Facultad de ciencias.

Pretó.J.     (2013)     Perspectivas    poco    exploradas    del    origen    de    la    vida.

AMBIOCIENCIAS. Revista de divulgación científica.

Ventosa,A. (2017) Vida microbiana a temperaturas elevadas. Diversidad, Aislamiento, termoestabilidad molecular y genómica. Universidad de Sevilla.

William,M. y Müller,M. (1998) The hydrogen hypotesis for the first eucaryote. Nature vol.392.

Williams,T. et al (2012) A congruent phylogenomic signal places eukaryotes within the Archaea. Royal Society, vol.279, Issue 1749.

Zaremba-Niedzwieedzka et. al (2017) Asgard archaea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity. Nature 541: 353-358.