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Una extraña alga está evolucionando
para aprovechar el nitrógeno del ambiente
Las células complejas que constituyen la base de los animales y las
plantas tienen una gran colección de lo que se denominan orgánulos:
compartimentos rodeados de membranas que realizan funciones
especializadas. Dos de ellos se formaron mediante un proceso llamado
endosimbiosis, en el que un organismo que antes vivía libre se
incorpora a una célula. Se trata de la mitocondria, donde una
antigua bacteria se encarga ahora de convertir la energía química en
formas útiles, y el cloroplasto, donde tiene lugar la fotosíntesis.
El hecho de que únicamente existan unos pocos casos de orgánulos que
evolucionaron mediante endosimbiosis sugiere que se trata de un
acontecimiento extremadamente raro. Sin embargo, los investigadores
quizá hayan encontrado un nuevo caso en el que un orgánulo dedicado
a fijar el nitrógeno de la atmósfera está en proceso de evolución.
El orgánulo resultante, denominado nitroplasto, aún está en etapa de
especialización.
Obtener el nitrógeno
El nitrógeno es uno de los elementos centrales de la vida. Cada base
de ADN, cada aminoácido de una proteína contiene al menos uno, y a
menudo varios, átomos de nitrógeno. Pero a la vida le resulta
extraordinariamente complejo conseguirlo. Las moléculas de gas
nitrógeno (N2) tal vez sean bastante abundantes en nuestra
atmósfera, pero son extremadamente difíciles de desintegrar. Las
enzimas que lo hacen, llamadas nitrogenasas, solo se encuentran en
las bacterias y no actúan en presencia del oxígeno. Otros organismos
tienen que obtener el nitrógeno de su entorno, que es una de las
razones por las que empleamos tanta energía para abastecer de
fertilizantes nitrogenados a muchos cultivos.
Sin embargo, algunas plantas, sobre todo las leguminosas, son
capaces de conseguir nitrógeno mediante una relación simbiótica con
las bacterias. Estas plantas forman nódulos especializados que
ofrecen un hábitat a las bacterias productoras de nitrógeno. Esta
interacción es una forma de endosimbiosis, en la que los microbios
se instalan en el interior del cuerpo o las células de un organismo,
y cada organismo suele aportar las sustancias químicas que el otro
necesita.
En casos más extremos, la endosimbiosis
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llega a ser obligatoria, sin que ninguno de los dos organismos
logre sobrevivir sin el otro.
En muchos insectos, los endosimbiontes (organismos que viven
dentro del cuerpo o las células de otros organismos) se transmiten a la
descendencia durante la producción de huevos, y los propios microbios suelen
carecer de genes clave que les permitirían vivir de forma independiente.
Pero incluso estados como este se quedan cortos respecto a la situación de las
mitocondrias y los cloroplastos. Estos orgánulos están completamente integrados
en la célula, replicándose y distribuyéndose cuando las células se dividen.
También tienen genomas mínimos, ya que la mayoría de sus proteínas son
fabricadas por la célula e importadas a los orgánulos. Este nivel de integración
es producto de más de mil millones de años de evolución desde que se inició la
relación endosimbiótica.
También parece un proceso complicado, debido a su aparente rareza. Además de las
mitocondrias y los cloroplastos, solo existe un ejemplo confirmado de
endosimbiosis más reciente entre células eucariotas y una especie bacteriana.
Hay varios casos en los que algas eucariotas fueron incorporadas por otras
células eucariotas. Como estas células tienen una genética compatible, esto
ocurre con mayor frecuencia.
Por eso hallar otro caso es un planteamiento tan emocionante.
Eso no es un endosimbionte
El alga marina Braarudosphaera bigelowii parecía un caso interesante. Está claro
que tiene una cianobacteria endosimbiótica viviendo en sus células, y había
indicios de que la bacteria poseía un genoma compacto, lo que sugería que había
perdido algunos genes. Pero, como no era posible cultivar el B. bigelowii,
resultaba difícil evaluar el grado de integración de la bacteria con su huésped.
Pero actualmente un extenso equipo internacional logró hacerla crecer en el
laboratorio, lo que permite una descripción más detallada.
Descubrieron que una sola bacteria internalizada ocupa una zona específica
dentro de la estructura de la célula, cerca de su parte posterior. Mediante el
uso de isótopos como marcadores, comprobaron que el dióxido de carbono absorbido
por el B. bigelowii se transfería a la bacteria. Al mismo tiempo, la célula
también fijaba el nitrógeno. Dado que algunas especies de cianobacterias son
capaces de fijar nitrógeno, es casi seguro que esto se debía al simbionte
bacteriano. La fijación de nitrógeno únicamente se producía durante el día, lo
que sugiere que la actividad estaba integrada en el metabolismo de la célula.
Otro indicio de la integración de la bacteria surgió cuando los investigadores
examinaron la división celular. La bacteria se duplica al mismo tiempo que las
mitocondrias de la
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célula, y una copia se deposita en
cada una de las dos células hijas.
Los investigadores separaron las dos células y purificaron las proteínas de cada
una. Descubrieron que cientos de proteínas fabricadas por las células de las
algas acababan dentro de las bacterias, y que sus niveles variaban a lo largo
del ciclo día/noche; había más durante las horas diurnas. Al comprobar los genes
que codifican estas proteínas, los investigadores hallaron que todos compartían
una secuencia común que los dirige a las bacterias y después se corta cuando la
proteína es transportada al interior. Las mitocondrias y los cloroplastos
recurren a sistemas similares.
La lista de proteínas detectadas en el interior de la bacteria demostró que
contiene todo lo necesario para fijar el nitrógeno. Al mismo tiempo, carece de
lo imprescindible para aprovechar el CO2 de la atmósfera como fuente de carbono,
por lo que tiene que obtenerlo de la célula circundante.
Un orgánulo, no un simbionte
Todas estas propiedades, como la replicación coordinada, la especialización
bioquímica y la existencia de un sistema de importación de proteínas, son
características de los orgánulos, no de la endosimbiosis. Así pues, los
investigadores concluyen que lo que antes era un endosimbionte ha evolucionado
hasta convertirse en un orgánulo especializado en la fijación del nitrógeno y lo
denominan nitroplasto. El hallazgo se publicó en la revista Science y se trata
del único cuarto ejemplo de la evolución de un orgánulo, lo que lo convierte en
un descubrimiento impresionante.
Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre con las mitocondrias y cloroplastos,
el nitroplasto se limita a un único linaje de algas. Es probable que ello se
deba a su origen relativamente reciente; se calcula que la relación entre el
nitroplasto y su célula huésped apenas se remonta a unos 100 millones de años,
frente a los miles de millones de años de los demás orgánulos. Aun así, su
evolución sería extremadamente valiosa para especies como las algas, que viven
en entornos donde las fuentes de nitrógeno son escasas.
¿Cambiaría con el tiempo? La evolución de la pluricelularidad también es
bastante rara, y el B. bigelowii se encontraría compitiendo con una enorme
variedad de especies pluricelulares existentes, por lo que parece poco probable.
Pero una serie de células depredadoras se han vuelto fotosintéticas al ingerir
antiguas algas de vida silvestre, y existe la posibilidad de que el nitroplasto
se extienda de esta forma, permitiendo finalmente que una gama de algas
unicelulares fijen el nitrógeno.
Por tanto, es poco probable que esto tenga un impacto importante para la vida en
la Tierra a corto plazo, salvo en un futuro de ciencia ficción en el que
comprendamos el sistema lo suficientemente bien como para diseñar células
vegetales que alberguen nitroplastos. |
