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Mi nombre es LUCA - El último Ancestro Universal Común

Anthony Poole

June 2009

1. Presentación de LUCA

LUCA es la abreviación del nombre en inglés Last Universal Common Ancestor (Último Ancestro Universal Común), y es de este organismo de donde provienen todas las células vivas del planeta. LUCA no representa el estadio más temprano de la evolución de la vida - la idea de que antes de la evolución de las proteínas y del DNA (los cuales son comunes a toda vida celular) hubo un periodo en el cual el RNA cumplió la función que ahora cumplen las proteínas y el ADN, es ampliamente aceptada [Jeffares & Poole 2000]. Cuando nos remontamos tanto en la escala de tiempo evolutivo, hay cantidades de incertidumbres, y tal vez de lo único de lo que podemos estar seguros es de que en un momento dado en la historia de la Tierra (probablemente hace 3 mil millones de años), emergieron células que almacenaron fórmulas para hacer tanto proteínas como ARN en una tercera molécula, el ADN.

Sin embargo, el estudio de LUCA no es ciencia ficción. De la misma forma que los humanos y los chimpancés compartieron una historia común hasta hace menos de 10 millones de años, todas las formas modernas de vida comparten una historia común que se remonta a la división que dio lugar a los tres “dominios” de la vida, los cuales conocemos hoy como las archaea, las bacterias y los eucarya (o eucariontes); esto se remonta a LUCA. El hecho de que existen tres dominios fue establecido por primera vez por Carl Woese y sus colegas, quienes hallaron que el grupo llamado procariontes era en realidad dos grupos, las archaea y las bacterias [Woese & Fox 1977; Woese et al. 1990]. Increíblemente, este trabajo ha aguantado la prueba del tiempo, y aunque se discute que ha habido amplio intercambio de genes entre estos dos grupos [Pennisi 1998, 1999; Doolittle 1999; Eisen 2000], análisis recientes que utilizan genomas completos, apoyan la decisión de Woese y sus colegas de separar los procariontes en archaea y bacterias [Snel et al. 1999; Sicheritz-Pontén & Andersson 2001; Brown et al. 2001].

El descubrimiento de Woese y sus colegas se basaba en otro aún más sorprendente - toda vida almacena su información genética en el ADN, utilizando un código común al cual llamamos código genético. La información es almacenada como paquetes llamados genes -recetas para hacer ARN y proteínas [véase Apéndice A: Fabricación de Proteínas]. Los lenguajes del ADN y el ARN son tan similares que se deberían llamar más bien dialectos, pero ambos se diferencian considerablemente del lenguaje de las proteínas. En cuanto al ARN y el ADN, la parte de estas moléculas que lleva la información está hecha de cuatro bases (análogas a las letras de un alfabeto) las cuales son leídas en forma linear, tal como en los lenguajes humanos escritos. En el ARN las cuatro bases son A, G, C y U. En el ADN también se usa A, G y C, pero se usa T en vez de U. Establecer la base evolutiva para este cambio de U a T es un ejercicio complicado, y es en sí mismo un problema interesante [Poole et al. 2001]; pero en términos del lenguaje en sí, la diferencia es tan mínima como el deletreo variado de palabras en inglés, por ejemplo “civilisation y civilization”.

El descubrimiento del código genético, y la demostración posterior de que es común a toda vida (un gen de un humano puede ser leído por la maquinaria de traducción de una bacteria) es sin duda alguna una pieza clave de evidencia para establecer que hubo un LUCA. ¿Pero qué más podemos averiguar acerca de LUCA? El conocimiento de que el código genético había aparecido nos indica que probablemente hubo un LUCA, pero nos da muy poca información acerca de la naturaleza de LUCA.

En breve, el estudio de LUCA gira en términos generales alrededor de dos preguntas:

  • ¿Qué rasgos son comunes a toda la vida celular?
  • ¿Qué separa a los tres dominios - archaea, bacterias y eucariontes - los unos de los otros?

A primera vista, crear una lista de los rasgos de LUCA puede parecer ser un proceso relativamente sencillo, especialmente en la actualidad donde los avances en tecnología nos permiten identificar todos los genes que posee un organismo a través de la secuenciación de su genoma. Un enfoque razonable tal vez sería comparar todos los genes de genomas representativos de archaea, bacterias y eucariontes. Aquellos genes que sean comunes a los tres dominios, estuvieron en LUCA, y aquellos que no lo son, han debido ser agregados mas tarde. Desafortunadamente, no es tan sencillo, por dos razones principales:

  • Parece que algunos genes se han movido de un organismo a otro, cual gitanos genéticos, confundiendo así nuestra habilidad para distinguir entre rasgos que son universales y datan de la época de LUCA, y aquellos rasgos que son universales debido a que los genes se mueven de un lado a otro.

  • Algunos genes que se encontraban en LUCA pueden ya no ser universales. Esto significa que podría ser imposible distinguir entre algunos rasgos LUCA y genes que surgieron más tarde, por ejemplo, en la evolución de los eucariontes.

Pídale a cualquier par de investigadores que le den una visión general de cómo creen que era LUCA, y sin duda obtendrá diferentes respuestas. Esto no es nada sorprendente cuando uno se enfrenta con una tarea científica tan complicada como lo es esta de tratar de descifrar cómo era un organismo que vivió hace miles de millones de años. Algunos de mis propios puntos de vista sobre un aspecto del asunto LUCA, se encuentran en un artículo que fue publicado anteriormente en Actionbioscience.org, del cual fui co-autor con Dan Jeffares [Jeffares & Poole 2000], pero lo que sigue a continuación es una visión general del campo de rápido crecimiento de la “biología LUCA”.

2. El proyecto del genoma mínimo

Uno de los enfoques prácticos para intentar descubrir la biología del LUCA ha sido buscar genes que sean universales — es decir, genes que todas las formas de vida poseen. Una vez que se haya hecho una lista de estos genes, ellos también llevan a otra posibilidad: tal vez esta lista encierre la esencia de la vida celular - el número mínimo de genes que se requieren para hacer una célula. En 1996, con las secuencias de los dos primeros genomas bacterianos (Mycoplasma genitalium & Haemophilus influenzae) a mano, Arcady Mushegian & Eugene Koonin [Mushegian & Koonin 1996] intentaron hacer exactamente esto. Los aspectos más destacados de su genoma mínimo fueron:

  • Solamente 256 genes
  • La ausencia de maquinaria biosintética para fabricar los componentes básicos del ADN.

A partir de esto concluyeron tentativamente que LUCA almacenaba su información genética en el ARN, no en el ADN, e hicieron sugerencias sobre cómo reducir aún más el número de genes en su genoma mínimo. El trabajo anunció la llegada de los estudios comparativos de genomas, y no hay duda de que un buen número de los genes en su lista de 256 o más, datan de tiempo anterior al LUCA. Sin embargo, el trabajo fue duramente criticado debido a la omisión de ADN [Becerra et al. 1997]. Ambas bacterias son parásitos de humanos y parece muy probable que se deshicieron de partes de la maquinaria para hacer su propio ADN porque se lo pueden robar al huésped (i.e., el organismo infectado con estos patógenos). En efecto, ¿Por qué esforzarse en hacer el (ADN) propio cuando se encuentra disponible para ser tomado?

Ya sea que el ADN sea o no parte del LUCA (creo que fue [Poole et al. 2000], pero hay cantidades de investigadores que están en desacuerdo [por ejemplo, Leipe et al. 1999]), esta omisión realzó un problema más amplio del genoma mínimo. A saber, los genomas con los que uno empieza probablemente afectan el conjunto final de genes. Esto es un problema por las siguientes razones:

  • ¿Cuántos genomas deben ser comparados antes de que estemos confiados de que no estamos dejando nada por fuera?

  • El “estilo de vida” puede afectar la lista final (en el trabajo de Mushegian y Koonin, el conjunto mínimo de genes puede de hecho ser un conjunto genérico requerido para el parasitismo en humanos, y tiene poco en común con lo que se requería para que una célula de vida independiente se desempeñara hace millones de millones de años).

  • Pérdida de genes: si un gen se encontraba en el LUCA, pero ahora tan solo se encuentra en uno de los tres dominios, este método lo dejaría consistentemente fuera de la lista de genes LUCA.

Pese a sus limitaciones, el concepto del genoma mínimo es probablemente el mejor intento respaldar con acciones lo que se ha venido predicando y producir una lista sólida de genes que hubieran podido ser parte del LUCA. Es también el único marco sensato que tenemos en el momento. Dicho esto, si la transferencia de genes es extrema, los genes se habrían movido con tanta frecuencia que este método, y otros relacionados, se volverían inútiles [Doolittle 1999].

Koonin ha publicado recientemente un conjunto mínimo de genes actualizado, utilizando 21 genomas completos [Koonin 2000]. Sorprendentemente, de los 256 genes en el conjunto original solo permanecen 81, y esta lista es claramente insuficiente para describir ya sea el número mínimo de genes requeridos para que una célula funciones, o la composición genética de LUCA.

Pese a que descifrar cuáles genes eran parte de LUCA no es tarea fácil, los varios intentos [Koonin 2000], son un buen punto de partida, y han servido para resaltar problemas importantes con los que se debe lidiar en el campo de la “biología LUCA.”

3. Genómica de LUCAS

Como lo demuestra el trabajo sobre genoma mínimo, los problemas principales son:

  • ¿Qué tanto subestima la composición genética de LUCA la dependencia en rasgos universales?
  • ¿Qué tanto intercambio de genes ha venido ocurriendo durante la evolución de la vida desde LUCA hasta el presente?

Es probable que el número mágico de rasgos universales cambie, y han habido cantidad de críticas sobre todos los intentos de reconstruir a LUCA. Sin embargo, los rasgos universales son importantes porque describen un límite inferior a partir del cual se puede empezar a construir; y lo que es importante, todos estos intentos convergen en la conclusión de que LUCA era bastante complejo, sobre lo cual todos parecen estar de acuerdo hasta ahora. Será relativamente fácil llenar algunas de los vacíos, pero será casi imposible llenar otros.

Los biólogos de LUCA están conscientes de que, hasta cierto punto, pueda que los rasgos universales subestimen la complejidad de LUCA, pero está surgiendo otra preocupación que podría causar aún mas dolores de cabeza - el espectro de la “transferencia horizontal de genes” (también llamada transferencia lateral de genes):

  • Si hay mucho intercambio de genes entre los organismos, el árbol de la vida se convierte en una telaraña, y puede que no sea posible desenmarañar las ramas.
  • Si los genes son extremadamente nómadas, los rasgos realmente universales no se pueden distinguir de los genes que se han esparcido exitosamente a través de la transferencia de genes.

El problema de la transferencia de genes se hizo aparente a través de un estudio de dos genomas bacterianos, Escherichia coli y Salmonella. Jeffery Lawrence & Howard Ochman [Lawrence & Ochman 1998] concluyeron que, desde su divergencia de un ancestro compartido, hace 100 millones de años, por lo menos un 10% del genoma de E. coli ha sido adquirido a través de más de 200 eventos de transferencia horizontal de genes.

A través de un comentario igualmente perspicaz, William Martin [Martin 1999] ha discutido las implicaciones de este trabajo sobre nuestra habilidad para reconstruir árboles filogenéticos:

  • Entre más se remonte en el tiempo una divergencia evolutiva, mayor es la probabilidad de que un gen determinado en un genoma haya sido transferido.
  • Efectivamente, puede ser el caso de que todos los genes bacterianos han sido sujetos a la transferencia horizontal de genes en algún momento dado en su historia evolutiva.
  • Esto podría menoscabar la utilidad de la reconstrucción del árbol filogenético en el caso de divergencias profundas.

En la actualidad hay mucho debate cuestionando si la transferencia de genes es tan prevalente que los arboles evolutivos no pueden ser construidos, o si por lo contrario, los niveles de transferencia de genes son insignificantes. La literatura actual tiene autores que respaldan ambos extremos, e irónicamente, en cuanto al LUCA se refiere, el trabajo de Carl Woese es central para ambos casos - muchos de aquellos que opinan que los tres dominios de Woese son correctos, han estado argumentando que hay niveles de transferencia pequeños o insignificantes, mientras que Woese ha sugerido recientemente que muy temprano en la evolución, la transferencia de genes entre organismos era más importante que la herencia de generación a generación [Woese 1998].

Aunque parece que Woese estuviera siendo inconsistente, su más reciente afirmación se limita a los periodos más tempranos de la evolución de la vida, y surgió de la preocupación de que LUCA estaba empezando a verse como totipotente , una noción loca que propondría a LUCA como fuente de toda la diversidad de la vida:

  • Un huevo fertilizado es totipotente — de una sola célula se desarrollarán todas las diferentes células y tejidos que integran a un adulto humano.
  • Si los genes se mueven entre organismos, LUCA puede parecer totipotente incorrectamente, porque muchos rasgos serían contados como universales en forma incorrecta.

Extrapolar los resultados de Lawrence & Ochman miles de millones de años hacia atrás, puede no ser realista. ¿Pero y que si la transferencia horizontal era el estado estándar? Esta es la idea que Woese ha desarrollado. Su argumento es que los genes eran tan libres de intercambiarse que no había linajes definidos -los genes se movían mas por transferencia horizontal que por herencia vertical. A medida que el sistema genético se vuelve más preciso y a medida que aumenta la complejidad, más genes se vuelven interdependientes, y la transferencia le da paso a la herencia vertical. Woese sostiene que la traslación (y por lo tanto el código genético) fue la primera cosa que se arregló, o que se cristalizó, y otras funciones celulares le siguieron más tarde. De este sistema dominado por la transferencia horizontal, emergieron los tres dominios (archaea, bacterias y eucariontes) como linajes, cada uno en forma independiente.

Esto ciertamente merece reflexión, pero hay varios problemas:

  • Juntar evidencia para apoyar ésto no es exactamente fácil dado que no hay forma real de establecer que la transferencia horizontal era el estado inicia.

  • El conjunto mínimo de genes de Koonin (Koonin 2000), el cual continua encogiéndose, muestra que el enfoque de genoma mínimo no está creando un LUCA totipotente. En cambio, el número de genes que se pueden atribuir a LUCA se está volviendo más pequeño a medida que se añaden más genomas.

  • Otro problema tiene que ver con el cambio de transferencia horizontal a herencia vertical. ¿Qué tantos genes hubieran podido participar en transferencias globales antes de cristalizarse, y por lo tanto ser incapaces de transferirse? ¿Hubiera sido esto lo suficientemente complejo como para que los ancestros de los tres dominios de la vida emergieran independientemente como linajes diferentes?

La transferencia de genes va a ser un tema altamente debatido por algún tiempo, y continuará frustrando la reconstrucción del LUCA. El problema es complejo:

  • La transferencia horizontal de genes ha sido demostrada - por ejemplo, la propagación de la resistencia a los antibióticos.

  • Las limitaciones de los métodos para construir los arboles evolutivos pueden dar falsa evidencia para la transferencia de genes.

  • Se están usando métodos que no utilizan información evolutiva para examinar relaciones genéticas y, en muchos casos, los datos que han sido usados para defender la transferencia horizontal de genes son pocos sólidos.

  • Hay muy poco consenso sobre la fiabilidad de los métodos para detectar la transferencia horizontal de genes.

  • ¿Qué datos se requieren para demonstrar eventos antiguos de transferencia de genes?

  • Si se tiene en cuenta la selección natural, la mayoría de las transferencias horizontales de genes probablemente resultarían en la pérdida del gen - por analogía, el organismo necesita un nuevo gen tanto como un pez necesita una bicicleta! Por ejemplo, los genes de resistencia a los antibióticos no se van a propagar y mantener por selección, a menos que los organismos con los genes sean asaltados con el antibiótico.

Este último punto ha sido ignorado con demasiada frecuencia, y ha habido muy pocos intentos para establecer patrones (por ejemplo, ¿son todos los genes igualmente nómadas?). Entonces, ¿Cómo deberían lidiar con la transferencia horizontal de genes los biólogos de LUCA?

  • Si aceptamos que hay, o ha habido, transferencia horizontal desenfrenada de genes entre los tres dominios [por ejemplo, Doolittle 1999], debemos concluir que todas nuestras herramientas para examinar el pasado evolutivo han sido invalidadas, lo cual significa que igual deberíamos renunciar del todo al asunto de LUCA. Sabemos que hay casos demostrados de transferencia horizontal de genes, pero esta postura extrema es como descartar el grano con la paja.

  • Si tomamos como punto de partida el extremo opuesto, que el efecto de la transferencia horizontal de genes ha sido insignificante, estamos en una mucho mejor posición - todavía tenemos nuestras herramientas a mano, y cualquier sugerencia de transferencia horizontal de genes deberá ser respaldada por evidencia válida.

No hay duda de que se puede encontrar una postura intermedia, pero en medio del furor sobre transferencia horizontal de genes, un número de investigadores que están usando secuencias enteras de genomas, han reportado resultados que sugieren que las transferencias de genes tienen un efecto mínimo sobre la capacidad de recuperar árboles evolutivos [e.g., Snel et al. 1999; Sicheritz-Pontén & Andersson 2001]. Estos resultados sugieren que es posible reconstruir el árbol de la vida, y más aún, concluir que la estructura de tres dominios del árbol, tal como fue reportada primero por Woese y sus colegas, está respaldada por genomas enteros.

En un artículo oportuno, Chuch Kurland ha criticado enfáticamente el afán de muchos de atribuir transferencia horizontal de genes [Kurland 2000]. Un aspecto particularmente interesante de su exposición es que sugiere una serie de factores no científicos que han contribuido a la exaltación respecto a la transferencia horizontal de genes, y este es tanto un comentario sobre cómo la ciencia opera en la actualidad, como lo es sobre la transferencia de genes.

Es difícil determinar la raíz del árbol de la vida [Pennisi 1999], y las transferencias horizontales incontroladas en la evolución temprana de la vida, no pueden ser distinguidas fácilmente de los límites de la sensibilidad de nuestras herramientas filogenéticas -el hecho de que los investigadores hayan fallado en llegar a un consenso sobre la forma del árbol no quiere decir que por la tanto haya debido haber transferencia horizontal.

De hecho, aquí hay otro problema — la confiabilidad de los métodos usados para construir árboles evolutivos. Muchos investigadores sienten mucha confianza sobre la fiabilidad de estos métodos, sin embargo, es bien conocido que están basados en algoritmos matemáticos que son convenientes, pero no necesariamente modelan en forma confiable la evolución real de la secuencia biológica. Es probable que estos métodos sean sólidos en lo que se refiere a eventos evolutivos recientes, y son definitivamente los más sólidos de los métodos para detectar transferencia de genes. El problema es que cerca a la raíz del árbol de la vida, pueden ser simplemente demasiado imprecisos para ser útiles en el escrutinio de los eventos más antiguos de la evolución. En el peor de los casos, la situación puede ser similar a cronometrar la carrera de los 100 metros en los Juegos Olímpicos con un reloj de sol!

Recientemente, David Penny, Bennet McComish y sus colegas han tratado de abordar esta cuestión investigando qué tan hacia atrás en el tiempo pueden ir los modelos estándares usados en la construcción de arboles evolutivos, antes de que empiecen a no funcionar. Su conclusión general es que los modelos utilizados parecen portarse mejor de lo que se esperaría basado en la teoría, pero que los modelos no son muy buenos para los eventos evolutivos muy antiguos. Penny y sus colegas también critican la reciente tendencia a reportar árboles contradictorios como evidencia de transferencia horizontal de genes — dado el hecho de que es muy difícil reconstruir en forma confiable el árbol de la vida, es difícil decir si respuestas contradictorias son evidencia de transferencia de genes, o si simplemente reflejan las limitaciones de los métodos para construir los árboles. Sus pruebas de los modelos sugieren que no es razonable decir que hay transferencia horizontal de genes simplemente porque dos árboles hechos de dos genes diferentes no arrojan la misma relación entre organismos. Ellos hacen el siguiente comentario, el cual resume el problema en forma sucinta:

“… hay dificultades mayores entre conjuntos de datos para divergencias antiguas. Es difícil ver porqué los investigadores están tan confiados en sus resultados, cuando las divergencias relativamente recientes entre mamíferos, aves, o plantas que florecen, están hasta ahora siendo resueltas.”

Este trabajo de Penny et al. [2001] y el panorama que proviene de los árboles evolutivos de genomas enteros [Snel et al. 1999; Sicheritz-Pontén & Andersson 2001] parece reforzar la afirmación provocadora de Kurland de que la transferencia horizontal es “una ideología que esta implorando ser deconstruida. ” Sin embargo, la transferencia horizontal de genes ocurre en cierto grado - el artículo de Lawrence & Ochman de 1998 es uno de muchos que demuestran esto. Más aún, muchas de las tecnologías que los biólogos usan para insertar genes son simplemente explotación humana de lo que ha sido descrito como ingeniería genética natural. Los siguientes mecanismos de ingeniería genética que ocurren en forma natural, son usados en forma rutinaria en los laboratorios de biología molecular:

  • Plásmidos: pequeños pedazos de ADN, generalmente circulares, que a menudo llevan genes que los dejan moverse de una bacteria a otra.
  • Virus: muchos se insertan naturalmente en el ADN del organismo que están infectando, y pueden ser diseñados para cargar pedazos extras de ADN.
  • Absorción natural o ayudada de ADN por células bacterianas.
  • Endonucleasas de restricción: tijeras moleculares que permiten “cortes” precisos del ADN.

También sabemos que es posible identificar antiguas transferencias de genes que pueden haber ocurrido hace hasta dos mil millones de años. Los biólogos pueden fácilmente identificar genes que han llegado al repertorio eucarionte por vía de la mitocondria, un compartimento en la célula eucarionte, el cual es de origen bacteriano. De hecho, se ha demostrado que el puñado de genes que permanecen en este compartimento son de origen bacteriano, como también lo son algunos que desde ese entonces han tomado residencia en el núcleo eucarionte [Lang et al. 1999].

Para retornar un momento a la biología de los genes nómadas, el consenso que ha emergido de los estudios de bacterias, es que ciertamente deberíamos empezar a pensar en genomas bacterianos (y tal vez archaeales)como una colección siempre cambiante de genes, pero solo hasta cierto punto [Hacker & Carniel 2001]:

  • Los genes que son claves para el funcionamiento de cualquier célula -a estos se les refiere con frecuencia como genes de mantenimiento- constituyen el genoma central (o “core genome).
  • Los genes que van y vienen constituyen el genoma flexible.

El genoma flexible podría ser una ventana al banco de genes nómadas de las bacterias - Lan & Reeves [2000] señalan que variedades de bacterias relacionadas en forma cercana, difieren hasta en un 20% en los genes que transportan, y esto requiere que re-evaluemos la forma en que categorizamos las especies de bacterias. La esperanza es que el genoma flexible nos pueda decir cómo se gana la vida un bicho en particular. Para organismos que están compitiendo para reproducirse tan rápido como pueden, perder genes no es en sí mismo particularmente sorprendente [Jeffares & Poole 2000] — los genes que no están siendo usados no son guardados. La máxima de la selección natural es “úselo o piérdalo”, y hay cantidades de ejemplos de esto en biología, dondequiera que uno busque (por ejemplo, nuestro apéndice y nuestro coxis ambos parecen haberse dirigido en esa dirección).

Si este cuadro de genomas centrales y genomas flexibles es correcto, esto constituye buenas noticias para la investigación sobre LUCA porque muchos rasgos universales pueden en teoría ser recobrados. Esto también es válido para las antiguas transferencias horizontales observadas en las mitocondrias. Deberíamos sentirnos optimistas de que algunos patrones de transferencia horizontal de genes puedan ser analizados, aunque debemos continuar teniendo cuidado cuando investigamos un pasado tan lejano.

4. Fusión

En cuando a la transferencia horizontal de genes se trata, se podría decir que la exaltación existente acerca de las archaea y las bacterias es un caso de reñirse por migajas cuando se le compara con lo que parece haber ocurrido en la evolución temprana de la célula eucariota. La idea popular ahora es que los eucariontes emergieron de un evento de fusión masiva (la transferencia de genes máxima) entre una bacteria y una archaea, y esto está creando también problemas para la biología de LUCA.

Mientras que la fusión se refiere completamente al origen de los eucariontes, también tiene que ver con LUCA:

  • Los escenarios de fusión son un reto para la división del la vida en tres dominios, como lo propone Woese.
  • En vez de un árbol con tres ramas, todas remontándose a LUCA, la fusión tiene dos linajes, y los eucariontes surgen por fusión.
  • La fusión está en conflicto directo con el cuadro emergente del vínculo entre la biología de los eucariontes y el mundo del ARN.

Varios investigadores han argüido que los genes en un eucarionte promedio parecen ser una mezcla de genes que se parecen a una bacteria, y genes que se parecen a una arquea. Es decir que a nivel genético, parece que los eucariontes son una forma de fusión genética entre archaea y bacterias [Ribeiro & Golding 1998; Rivera et al. 1998; Horiike et al. 2001].

Para entender esto ha sido útil dividir los genes en dos categorías: informativos y operacionales [Rivera et al. 1998]. Los genes informativos son aquellos que están involucrados en la copia, almacenamiento y regulación de la información genética, mientras que los genes operacionales son las recetas para hacer proteínas para la síntesis y degradación de moléculas en la célula, y están involucrados en gran parte en el metabolismo de energía.

En forma consistente con investigaciones anteriores [ver Gupta & Golding 1996], Rivera y sus colegas encontraron que había lógica para la mezcla de genes de bacteria y archaea en los eucariontes:

  • En el caso de los genes informativos - archaea y eucariontes comparten más en común
  • En el caso de los genes operacionales - bacterias y eucariontes comparten más en común

Mark Ridley [2000] ha sugerido una buena analogía para lo que muchos opinan que ha sucedido - una fusión de negocios. En vez de duplicar y tener dos departamentos para cada aspecto de la nueva compañía (Eucariontes Inc.), sólo se guardó uno de cada uno, y el resultado fue que el departamento informativo vino de Archaea Inc. y el departamento operacional de Bacteria Inc.

Junto con el debate en curso, acerca de qué tanta transferencia horizontal de genes hay entre los organismos, la contribución más interesante a este cuadro examina no a los genes, sino a las redes de genes. Tomando como ejemplo el estudio de redes complejas tales como Internet, Eors Szathmáry y sus colegas [Podani et al. 2001] han demostrado recientemente que mientras que los genes operacionales eucariontes parecen tener origen bacteriano, la estructura de la red metabólica que estos genes conforman es de hecho muchísimo más parecida a aquella que se observa en archaea. Continuando con la analogía de la fusión de negocios, esto es tal vez equivalente a mantener en su lugar las estructuras administrativas de Archaea Inc.

Este es un cuadro emocionante, y no hay duda de que los eucariontes modernos son producto de algún tipo de fusión [Ribeiro & Golding 1998; Horiike et al. 2001]. Sin embargo, lo difícil es descifrar qué significa todo esto en cuanto al origen de la célula eucarionte. Estas son algunas de las preguntas que persisten:

  • ¿Por qué tal fusión aparentemente no ha ocurrido sino una sola vez?
  • Nadie ha observado fusionar a las bacterias y las archaea modernas.
  • ¿Por qué es que no vemos “anti-eucariontes” (es decir, organismos que tienen los genes operacionales de las archaea y los genes informativos de las bacterias)?
  • Un cierto número de rasgos presentes exclusivamente en los eucariontes son difíciles de explicar por medio de un evento de fusión.

De hecho, hay varias formas de explicar los datos sobre fusión, y por consiguiente, hay varias opiniones diferentes acerca de como se originaron los eucariontes [Minkel 2001].

Si los eucariontes son el resultado de una fusión entre una bacteria y una archaea, entonces el cuadro de los 3 dominios, que el trabajo de Carl Woese respalda, estaría equivocado. La fusión implicaría que todo en la biología de los eucariontes o es una innovación reciente, específica de este dominio, o una rama de la biología de las archaeas y las bacterias. En otras palabras, si uno quiere saber acerca de LUCA, los únicos dominios que vale la pena explorar son los de las bacterias y las archaeas. Esta es una suposición que se hace a menudo, independientemente de la fusión, y un punto en contra del cual muchos investigadores, incluyéndome a mí, han argumentado [véase Jeffares & Poole 2000; tambien Forterre & Philippe 1999; Poole et al. 1999].

Parar entender tanto la motivación tras la cantidad de escenarios de fusión que están surgiendo para explicar el origen de las células eucariontes, como el impacto de estos escenarios sobre la biología de LUCA, ayuda el enfocarse en la visión global, en vez de vadear a través de los detalles de los varios escenarios. Laura Katz [1998] ha escrito una buena sinopsis de los varios escenarios de fusión, aunque desde ese entonces varios escenarios nuevos han sido publicados [por ejemplo, Margulis, et al., 2000; Horiike et al. 2001; Bell 2001; Hartman & Fedorov 2002]. Las teorías sobre fusión han sido desarrolladas a partir de la teoría endosimbiótica del origen de las mitocondrias:

  • La teoría endosimbiótica fue formulada por Mereschkowsky al principio del siglo XX, pero re-introducida y actualizada por Lynn Margulis en los 70s [Martin et al. 2001]. Esta teoría propone que la mitocondria, a veces llamada la central eléctrica de la célula, fue originalmente una célula bacteriana la cual estableció residencia en el ancestro de los eucariontes modernos.
  • Tanto las similitudes genéticas como las estructurales han demostrado sin ninguna duda que la teoría endosimbiótica es correcta - el ADN en la mitocondria está relacionado más cercanamente a las bacterias que al ADN almacenado en el núcleo de la célula eucarionte.
  • Actualmente es ampliamente aceptado que este evento ocurrió solo una vez. Pese a que existe un gran acuerdo, hay discusiones en curso alrededor de la teoría endosimbiótica:
  1. ¿Cómo se fundó esta sociedad (por ejemplo, metabolismo basado en oxígeno o hidrógeno)?
  2. ¿El hospedador que acabó por tragarse la bacteria fue un eucarionte o una archaea?

La primera pregunta abre una caja de pandora (lo cual evitaremos hacer aquí), y es una fuente de debate en la actualidad [Andersson & Kurland 1999; Rotte et al. 2000]. La segunda pregunta es la que tiene el mayor impacto sobre la biología de LUCA, pero estas dos preguntas han sido revueltas innecesariamente. Lo fundamental es que fácilmente puede hacerse que los datos genómicos y de red de genes que apoyan la fusión entre una archaea y una bacteria, apoyen una fusión entre un eucarionte y una bacteria.

El estado del campo es como sigue:

  • Todos están de acuerdo en que la mitocondria evolucionó a partir de un ancestro bacteriano (aunque en la actualidad hay un debate sobre cómo sería el ancestro bacteriano, y cómo interactuaría con su huésped).
  • Hay desacuerdo sobre si el huésped era un eucarionte o una archaea.
  • La hipótesis sobre la fusión archaeas-bacterias requiere que todos los genes que se encuentran solamente en eucariontes hayan surgido después de LUCA, después de la fusión - es decir que descienden en forma indirecta de LUCA.

¿Entonces cómo distinguimos entre un huésped archaeal y uno eucarióntico? La clave viene en dos partes - una es histórica y la otra requiere cuidadosa consideración sobre cómo podrían estar relacionados las archaea y los eucariontes:

  1. El aspecto histórico se centra en entender el cambio de pensamiento que ha habido, de la imagen original de un eucarionte antiguo que servía de hospedero, a la imagen actual, sobre el cual la mayoría está de acuerdo, de una archaea que juega el papel de anfitrión. Este cambio en gran parte gira alrededor de ramas cambiantes en el árbol evolutivo eucarionte [Dacks 2002].
  2. La relación entre archaea y eucariontes va al meollo del asunto sobre cómo los investigadores ven la evolución de las células.

Archaezoa - Eslabones perdidos que no se pueden recuperar

¿Por qué es que las hipótesis de fusión se han vuelto tan populares? De hecho, esto va en contra de la interpretación clásica, propugnada en su forma más completa por Tom Cavalier-Smith [1987], quien identificó un grupo dispar de eucariontes que le parecieron ser eslabones perdidos - los así llamados Archaezoa, los cuales se parecen a los eucariontes pero carecen de mitocondrias. Su hipótesis de que los Archaezoa evolucionaron antes de la introducción de las mitocondrias en el linaje eucarionte, dominó durante muchos años, aunque en la actualidad ha sido abandonada a favor de la fusión:

  • Hay evidencia creciente de que todos los eucariontes alguna vez albergaron mitocondrias.
  • Por lo tanto, todos los Archaezoa han perdido probablemente sus mitocondrias, en vez de nunca haberlas tenido [Embley & Hirt 1998].
  • Por ejemplo, ahora es ampliamente aceptado que un grupo de los Archaezoa llamado los microsporidios fueron incorrectamente puestos muy adentro del árbol eucarionte. De hecho, probablemente la mayoría de los Archaezoa, si no todos, están puestos en el árbol en forma incorrecta. En vez de ser eslabones perdidos que llevan hacia atrás, al origen de los eucariontes, probablemente surgieron más recientemente [véase Dacks & Doolittle 2001; Keeling 1998; Dacks 2002].
  • Si los Archaezoa no son una serie de eslabones perdidos, el origen de los eucariontes puede haber sido simultáneo con la endosimbiósis que dio origen a las mitocondrias.

La conclusión sobre lo anterior es que todos los eucariontes probablemente tuvieron una mitocondria, y sin los Archaezoa, el único ancestro de los eucariontes es archaea. Voilà! Tenemos fusión.

Un caso de descartar el grano con la paja

El punto importante que es clave tener en cuenta con respecto al cuadro de la fusión, es que este es parcial; está basado en gran parte en datos genéticos. Hay un gran número de diferencias en la estructura general de los eucariontes y los procariontes (archaea y bacterias) que no se pueden explicar por medio de la fusión [Poole & Penny 2001]. Sin embargo, la mayor inconsistencia es que el cuadro que proveen los árboles no es el mismo para la relación entre las archaea y los eucariontes, que para la de las bacterias y los eucariontes [Poole & Penny 2002]:

  • Los árboles son evidencia de la hipótesis de Margulis. En la actualidad existe un acuerdo abrumador en cuanto a que la rama de las mitocondrias está dentro del árbol de las bacterias, específicamente dentro de un subgrupo llamado alfa roteobacterias [Lang et al. 1999]; y, también se observa un origen bacteriano para los cloroplastos (donde la fotosíntesis ocurre en plantas y otros eucariontes fotosintéticos).

  • Las comparaciones de genes relevantes de eucariontes y archaea, debería producir también este mismo cuadro, sin embargo la evidencia indica que las archaea y los eucariontes son dominios bien diferenciados.

  • Esto tiene fuertes paralelos con la forma en que se viene tratando el caso de los Archaezoa - ¿si no hay grupos modernos de archaea que parezcan haberse separado del tronco del árbol de la vida antes de la aparición de los eucariontes, deberíamos entonces aceptar la fusión? Ciertamente se requirió evidencia más contundente para verificar el origen de la mitocondria!

  • Otro problema tiene que ver con los eslabones perdidos. Si se usa la desaparición de los eslabones perdidos (los Archaezoa) para sugerir fusión, es igualmente razonable argumentar en contra de la fusión, basándose en los mismos fundamentos - no hay nada intermedio entre los eucariontes con mitocondrias y las archaea. Por ejemplo, no vemos ejemplos de archaea con mitocondrias, o archaea con estructuras parecidas a núcleos.

Dado el hecho de que existe tal vez un par de mil de millones de años de separación entre las archaea y los eucariontes, sería incorrecto requerir que la archaea en la fusión hubiese tenido que ser justo como las archaea modernas. Esto nos conduce directamente al meollo del problema - no existe ningún requerimiento inherente para que la evolución deje a su paso una serie de formas intermedias a fin de que nosotros armemos las diferentes trayectorias evolutivas de las archaea y los eucariontes. Tal como ocurre con el juego del “teléfono roto”, el producto final puede ser muy diferente de la frase con la que se empieza, y en el caso de la evolución, lo único que podemos ver es una serie de productos finales diferentes, a partir de los cuales tan solo podemos adivinar la frase inicial!

Pese a que los aspectos específicos de la hipótesis de los Archaezoas están muy probablemente equivocados, la hipótesis no debería ser eliminada completamente. Las explicaciones sobre los orígenes de los eucariontes por medio de fusión, o a través del escenario original de Margulis, adolecen de la desaparición de las formas intermedias, pero esto es de esperarse. Como lo ha dicho a menudo Stephen Jay Gould, la evolución tiene como producto arbustos, no escaleras.

Un cierto número de investigadores [Forterre & Philippe 1999; Anderson & Kurland 1999; Penny & Poole 1999] sostienen que los datos sobre la fusión pueden conciliarse con la teoría endosimbiótica de Lynn Margulis y con el árbol de tres dominios de Carl Woese. De hecho, David Penny y yo hemos argüido que lo que peor explica los datos disponibles hoy en día es la fusión [Penny & Poole 1999; Poole & Penny 2001]. Por ejemplo, la fusión no encaja con la hipótesis de que algunos rasgos de los eucariontes, los cuales desde ese entonces se han perdido en las archaea y las bacterias, realmente datan de LUCA (véase Jeffares & Poole 2000).

Lo que esto implica en forma muy tentativa es que puede que las archaea y los eucariontes hayan compartido un ancestro más reciente del que cada uno comparte con las bacterias, como a menudo se muestra en los libros de texto, pero esto también es incierto, dado que las relaciones entre estos tres grupos también son punto de debate [véase Forterre & Philippe 1999; Pennisi 1999]!

5. Conclusiones

Estamos entrando en un periodo muy apasionante en cuanto a la revelación de la historia del LUCA - el campo ha recibido un gran empuje a través de un rango más amplio de ideas que están siendo aplicadas al problema:

  • Al tratar de construir el árbol de la vida, el reconocimiento de los desafíos técnicos es un paso importante en la dirección adecuada. También lo es la idea de usar el periodo del mundo del ARN en el origen de la vida para establecer aspectos de la naturaleza del LUCA (véase Jeffares y Poole 2000).

  • Pese a la avalancha de datos disponibles del genoma, es difícil decir si alguna vez realmente lograremos compilar una lista completa de los genes que LUCA poseía. Puede que identifiquemos ciertas características, pera cada una de ellas debe ser evaluada con extremo cuidado. El estudio del genoma mínimo de Mushegian & Koonin [1996] demostró esto, y debido a su fracaso, sirve de poderosa advertencia. La mayoría de los investigadores han jugado con esta idea, y muchos probablemente se decepcionaron (aunque luego se sintieron aliviados) de que Mushegian & Koonin les hubieran ganado con ella!

  • Es probable que la transferencia horizontal de genes sea un factor desconcertante para tales esfuerzos, pero es mejor pecar por cautela con respecto a qué tan dominante es ésta en la historia de la vida. El cuadro que está surgiendo de la investigación de genomas sugiere que no todos los genes se transfieren con igual facilidad, y que puede que la la transferencia de genes tenga una base de naturaleza ecológica.

  • La hipótesis de fusión tiene consecuencias importantes para el LUCA - si ésta es correcta, el LUCA puede haber sido como loa archaea o las bacterias, porque aquellos rasgos únicos de la biología de los eucariontes no habían evolucionado todavía.

  • El árbol de los tres dominios que surgió del trabajo original de Woese, permite rastrear rasgos de los tres dominios al LUCA, mientras que la hipótesis de fusión, en su forma más estricta, no lo permite. A menos que se pueda plantear un razonamiento que explique la pérdida de un rasgo en todos las archaea modernoa, esto es diametralmente opuesto a la naturaleza de LUCA, como lo sugiere el mundo de los fósiles de ARN [Jeffares & Poole 2000].

En la actualidad, muchos supuestos importantes están siendo cuestionados:

  • ¿Había tres o dos dominios, con el tercero surgiendo a través de fusión?
  • ¿Era LUCA como un procarionte o un eucarionte, o incluso una mezcla de los dos?
  • ¿Es el código genético el único posible?
  • ¿Se basó la evolución temprana más en transferencia horizontal de genes que en herencia?
  • ¿Hubo uno o más LUCAs?

Cada una de estas preguntas podría fácilmente llenar un libro, y se ha vuelto imposible cubrir cada uno de los aspectos de la biología de LUCA en un artículo. Para el observador casual, el campo de la biología de LUCA parece estar desorganizado, cada cual con su propia teoría mascota. Esto puede ser emocionante, frustrante, y a veces, rayar en lo absurdo, pero por encima de todo esto, es un signo de saludable debate! La implicación de tener muchas opiniones y muchos enfoques al problema es que justo a la vuelta de la esquina hay respuestas emocionantes a preguntas fundamentales acerca de los orígenes de la vida.. .

Apéndice A: Cómo Hacer una Proteína

Para hacer una proteína, la información almacenada en el lenguaje del ADN debe ser traducida al lenguaje del las proteínas, en donde, en vez de un alfabeto de cuatro bases, el alfabeto está hecho de 20 amino ácidos. La traducción es predominantemente una tarea del ARN, el ribosoma lee una copia de trabajo del gen de ADN (llamada ARN mensajero, o ARNm), la fábrica de síntesis de proteínas que se encuentra en todas las formas celulares de vida. La traducción real del lenguaje ADN/ARN al lenguaje de las proteínas comprende un ARN que se llama ARN de transferencia, abreviado como ARNt.

El ARNt es la clave para entender la naturaleza del código genético. Al hacer un ARN, cada una de las bases A,G,C,U es un nombre en sí misma, pero para poder pasar de las 4 bases a los 20 aminoácidos que constituyen las proteínas, las bases son agrupadas en “palabras” de tres bases de largo (llamadas codones), las cuales forman un diccionario de 64 palabras posibles. De esta manera, se pueden describir todos los 20 aminoácidos en códigos de tres-letras o códigos trillizos, con espacio de sobra. Se usan 61 combinaciones (las tres restantes son leídas como “PARE DE HACER PROTEINAS”), y un importante rasgo del código es la redundancia - por ejemplo, hay 6 codones que son código del aminoácido leucina. La consecuencia de tal redundancia es que el proceso de traducción es menos susceptible de errores que un código de correspondencia de uno a uno.

La traducción requiere que cada ARNt sea cargado con un aminoácido en una de sus extremos. En el otro extremo, un anticodon se empareja con uno de los codones que corresponde a ese aminoácido(imagen E). La traducción implica atracar los ARNts cargados en el punto apropiado del ARNm, a medida que el ribosoma se mueve leyendo los trillizos. Cuando el ARNt “correcto” está en su lugar, el ribosoma se junta al aminoácido que fue transportado por ese ARNt a la creciente cadena de aminoácidos, los cuales juntos forman una proteína (imagen F).