Hace más de 1.500 millones de años ocurrió algo importante: dos pequeñas células primitivas se convirtieron en una. Quizás más que cualquier evento –con excepción del origen de la vida misma– esta fusión cambió radicalmente el curso de la evolución en nuestro planeta.
Una célula terminó dentro de otra y evolucionó hasta convertirse en una estructura que los estudiantes aprenden a llamar la “central eléctrica de la célula”: las mitocondrias. Esta nueva estructura proporcionó una tremenda ventaja energética a su anfitrión, una condición previa para la evolución posterior de la vida multicelular compleja.
Pero eso es sólo una parte de la historia. oh mitocondrias no es la única estructura importante dentro de las células eucariotas complejas. Está el núcleo rodeado de membrana, guardián de la genoma. Existe todo un sistema de membranas internas: el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi, lisosomas, peroxisomas y vacuolas, esenciales para producir, transportar y reciclar proteínas y otras cargas dentro y alrededor de la célula.
¿De dónde vinieron todas estas estructuras? Con acontecimientos perdidos en el pasado remoto y pocos restos que sirvan como pistas evolutivas, es una cuestión muy difícil de resolver. Los investigadores han propuesto varias hipótesis, pero sólo recientemente, con algunas herramientas y técnicas nuevas, los biólogos celulares han podido investigar los inicios de esta intrincada arquitectura y arrojar algo de luz sobre sus posibles orígenes.
Una fusión microbiana
La idea de que los eucariotas se originaron a partir de la fusión de dos células se remonta a más de 100 años, pero no fue aceptada ni conocida hasta la década de 1960, cuando la fallecida bióloga evolutiva Lynn Margulis articuló su teoría de la endosimbiosis. Las mitocondrias, dijo Margulis, probablemente se originaron a partir de una clase de microbios conocidos como alfaproteobacterias, un grupo diverso que hoy incluye las bacterias responsables del tifus y otra importante para la ingeniería genética de plantas, entre muchas otras.
No se sabía nada sobre la naturaleza de la célula huésped original. Los científicos propusieron que ya era bastante complicado, con una variedad de estructuras de membrana en su interior. Una célula así habría sido capaz de tragar e ingerir cosas, un rasgo eucariota complicado y energéticamente costoso llamado fagocitosis. Esta puede ser la forma en que las mitocondrias ingresaron por primera vez al huésped.
Pero esta idea, llamada hipótesis de las “mitocondrias tardías”, no explica cómo o por qué la célula huésped se volvió compleja en primer lugar.
En 2016, el biólogo evolutivo Bill Martínbiólogo celular Sven Gould y bioinformática Sriram Garg, de la Universidad de Dusseldorf (Alemania), propuso un modelo muy diferente, conocido como hipótesis de las “mitocondrias tempranas”. Argumentaron que, dado que hoy en día ninguna célula primitiva tiene estructuras de membrana interna, parece muy poco probable que una célula las hubiera tenido hace más de 1.500 millones de años.
En cambio, razonaron los científicos, el sistema de endomembrana (toda la mezcolanza de partes que se encuentran hoy dentro de células complejas) podría haber evolucionado poco después de que la alfaproteobacteria estableciera su residencia dentro de una célula huésped relativamente simple de un tipo llamado arquea. Habrían surgido estructuras de membrana de burbujas o vesículas liberadas por el ancestro mitocondrial.
Las bacterias de vida libre liberan vesículas todo el tiempo por diversas razones, señalan Gould, Garg y Martin, por lo que parece razonable pensar que continuarían haciéndolo cuando estuvieran encerradas dentro de un huésped.
Con el tiempo, estas vesículas se habrían especializado en las funciones que las estructuras de membrana desempeñan hoy en día dentro de las células eucariotas. Incluso se fusionarían con la membrana de la célula huésped, lo que ayudaría a explicar por qué la membrana plasmática de los eucariotas contiene lípidos con características bacterianas.
Las vesículas podrían haber desempeñado un papel importante desde el principio, dice un bioquímico David Speijer de la Universidad de Ámsterdam. El nuevo endosimbionte habría generado muchas sustancias químicas venenosas llamadas especies reactivas de oxígeno al oxidar ácidos grasos y quemarlos para obtener energía. “Destruyen todo, son tóxicos, especialmente dentro de la célula”, afirma Speijer. Secuestrarlos dentro de vesículas habría ayudado a mantener la célula a salvo de daños, él dice.
Otro problema creado por el nuevo huésped también podría haberse solucionado fabricando barreras de membrana, añaden Gould, Garg y Martin. Después de la llegada de las alfaproteobacterias, fragmentos de su ADN se habrían mezclado con el genoma del huésped arqueal, alterando genes importantes. Solucionar esto significaría desarrollar máquinas para separar estas piezas extrañas (hoy se las conoce como intrones) del copias de ARN mensajero de genespara que estas instrucciones de producción de proteínas no se distorsionen.
Pero esto creó otro problema más. La maquinaria de producción de proteínas, el ribosoma, funciona extremadamente rápido, uniendo varios aminoácidos por segundo. Por el contrario, el sistema de eliminación de intrones de la célula es lento y elimina aproximadamente un intrón por minuto. Por lo tanto, a menos que la célula pudiera mantener el ARNm alejado de los ribosomas hasta que el ARNm se procesara adecuadamente, la célula produciría mucha información inútil y sin sentido. proteínas.
La membrana que rodea el núcleo proporcionó una respuesta. Al actuar como barrera espacial, permite que el empalme del ARNm termine en el núcleo antes de que el ARNm libre de intrones se traduzca en el líquido interno de la célula, el citosol. «Esta es la presión selectiva detrás del origen del núcleo», dice Martin. Para formarlo, las vesículas secretadas por el endosimbionte se habrían aplanado y envuelto alrededor del genoma, creando una barrera para mantener alejados a los ribosomas pero aún permitiendo que las moléculas pequeñas pasaran libremente.
