Los científicos coinciden ampliamente en que la vida compleja surgió después de que dos microbios muy diferentes formaran una estrecha asociación. Esa fusión finalmente dio lugar a plantas, animales y hongos, conocidos colectivamente como eucariotas. Sin embargo, una pregunta clave ha persistido durante años. ¿Cómo se encontraron estos dos organismos si uno necesitaba oxígeno para sobrevivir mientras que se creía que el otro prosperaba sólo en ambientes libres de oxígeno?
Investigadores de la Universidad de Texas en Austin ahora presentan evidencia que puede resolver ese enigma. Escribiendo en el diario Naturalezael equipo se centró en un grupo de microbios llamados Asgard archaea, que se consideran parientes cercanos de los ancestros de la vida compleja. Aunque la mayoría de los Asgard conocidos viven en aguas profundas u otros ambientes pobres en oxígeno, el nuevo estudio muestra que algunos miembros de este grupo pueden tolerar o incluso usar oxígeno. El descubrimiento refuerza la antigua teoría de que la vida compleja evolucionó según lo previsto, probablemente en un entorno donde había oxígeno.
«La mayoría de los Asgard vivos hoy en día se han encontrado en ambientes sin oxígeno», explicó Brett Baker, profesor asociado de ciencias marinas y biología integrativa en la UT. «Pero resulta que los más estrechamente relacionados con los eucariotas viven en lugares con oxígeno, como sedimentos costeros poco profundos y flotando en la columna de agua, y tienen muchas vías metabólicas que utilizan oxígeno. Eso sugiere que nuestro ancestro eucariota probablemente también tuvo estos procesos».
El gran evento de oxidación y los primeros eucariotas
El equipo de Baker estudia los genomas de las arqueas de Asgard para identificar nuevas ramas del grupo y comprender mejor cómo estos microbios generan energía. Sus últimos hallazgos se alinean con lo que los geólogos y paleontólogos han reconstruido sobre la atmósfera primitiva de la Tierra.
Hace más de 1.700 millones de años, los niveles de oxígeno en la atmósfera eran extremadamente bajos. Luego, las concentraciones de oxígeno aumentaron bruscamente durante lo que los científicos llaman el Gran Evento de Oxidación, acercándose finalmente a niveles similares a los actuales. Unos pocos cientos de miles de años después de este dramático aumento, los primeros microfósiles conocidos de eucariotas aparecen en el registro fósil. Esta cercanía sugiere que el oxígeno puede haber desempeñado un papel crucial en el surgimiento de vida compleja.
«El hecho de que algunos de los Asgard, que son nuestros antepasados, fueran capaces de utilizar oxígeno encaja muy bien con esto», dijo Baker. «El oxígeno apareció en el medio ambiente y los Asgard se adaptaron a eso. Encontraron una ventaja energética en el uso de oxígeno y luego evolucionaron hasta convertirse en eucariotas».
Simbiosis y nacimiento de las mitocondrias
El modelo predominante sostiene que los eucariotas surgieron cuando un arqueón de Asgard formó una relación simbiótica con una alfaproteobacteria. Con el tiempo, los dos organismos se integraron en una sola célula. La alfaproteobacteria finalmente evolucionó hasta convertirse en las mitocondrias, la estructura dentro de las células eucariotas que produce energía.
En este estudio, los investigadores ampliaron significativamente la diversidad genética conocida de las arqueas de Asgard. Identificaron grupos específicos, incluido Heimdallarchaeia, que están especialmente relacionados con los eucariotas pero que son relativamente poco comunes en la actualidad.
«Estas arqueas de Asgard a menudo pasan desapercibidas en una secuenciación de baja cobertura», dijo la coautora Kathryn Appler, investigadora postdoctoral en el Instituto Pasteur de París, Francia. «El esfuerzo masivo de secuenciación y la superposición de métodos secuenciales y estructurales nos permitieron ver patrones que no eran visibles antes de esta expansión genómica».
Esfuerzo masivo de secuenciación del genoma
El trabajo comenzó con el doctorado de Appler. investigación en el Instituto de Ciencias Marinas de la Universidad de Texas en 2019, cuando extrajo ADN de sedimentos marinos. El equipo de UT y sus colaboradores finalmente ensamblaron más de 13.000 nuevos genomas microbianos. El proyecto combinó muestras de múltiples expediciones marinas y requirió analizar aproximadamente 15 terabytes de ADN ambiental.
A partir de este extenso conjunto de datos, los investigadores recuperaron cientos de nuevos genomas de Asgard, casi duplicando la diversidad genómica conocida del grupo. Al comparar similitudes y diferencias genéticas, construyeron un árbol de vida de arqueas de Asgard ampliado. Los genomas recientemente identificados también revelaron grupos de proteínas previamente desconocidos, duplicando el número de clases enzimáticas reconocidas dentro de estos microbios.
Análisis de IA de proteínas del metabolismo del oxígeno
Luego, el equipo examinó más de cerca a Heimdallarchaeia, comparando sus proteínas con las que se encuentran en eucariotas que participan en la producción de energía y el metabolismo del oxígeno. Para ello, utilizaron un sistema de inteligencia artificial llamado AlphaFold2 para predecir las formas tridimensionales de las proteínas. Dado que la estructura de una proteína determina cómo funciona, este análisis proporcionó pistas importantes.
Los resultados mostraron que varias proteínas de Heimdallarchaeia se parecen mucho a las utilizadas por las células eucariotas para un metabolismo energéticamente eficiente basado en oxígeno. Esta similitud estructural ofrece apoyo adicional a la idea de que los antepasados de la vida compleja ya estaban adaptados al uso de oxígeno.
Otros contribuyentes al estudio incluyeron a los ex investigadores de UT Xianzhe Gong (actualmente en la Universidad de Shandong en China), Pedro Leão (ahora en la Universidad Radboud en los Países Bajos), Marguerite Langwig (ahora en la Universidad de Wisconsin-Madison) y Valerie De Anda (actualmente en la Universidad de Viena). James Lingford y Chris Greening de la Universidad de Monash en Australia, junto con Kassiani Panagiotou y Thijs Ettema de la Universidad de Wageningen en los Países Bajos, también participaron en la investigación.
La financiación fue proporcionada en parte por las Fundaciones Gordon y Betty Moore y Simons, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y el Consejo Nacional de Investigación Médica y de Salud de Australia.
