¿Cómo se desarrollaron las células complejas a partir de las simples?

Ya respondí una pregunta similar hace un tiempo (la respuesta de Leo Mauro a ¿Cómo evolucionaron las mitocondrias para poder vivir dentro de las células eucarióticas?).

Pero antes de leer esa respuesta (a una pregunta algo diferente), permítanme escribir algunos compendios de pequeños fragmentos de Cliff-Notes para que la respuesta a esta pregunta más difícil sea más comprensible:

• Las células vienen en 3 “sabores”: arqueas, procariotas y eucariotas

1. Las arqueas son células simples, incluso con respecto a los procariotas. Se parecen tanto a las bacterias que inicialmente se clasificaron como Archaebacteria (es decir, bacterias antiguas ). Ahora sabemos que están en su propio reino en el Árbol de la vida debido a sus muchas diferencias de la bioquímica bacteriana, la composición de la pared celular, la variedad en fuentes de energía y entornos viables, y la genética detallada. De lo contrario, se parecen a los procariotas.
2. Los procariotas son células simples, generalmente pequeñas, generalmente más grandes que las arqueas pero más pequeñas que las eucariotas. Todos sus componentes moleculares y maquinaria están todos juntos dentro de su membrana celular (el citoplasma) y no están separados en compartimentos diferentes. Carecen de organelos distintos. Su ADN está organizado como bucles (uno o muchos, por lo general distintos) y los más grandes tienden a “agruparse” en un Nucleoide, pero también es libre, en forma de Plásmidos más pequeños.
3. Los eucariotas son células más grandes y más complejas. También tienen una membrana celular (con una composición detallada diferente de la de Prokaryotes) que encierra un citoplasma, que contiene los componentes moleculares y la maquinaria de la célula, y un extenso citoesqueleto. La principal diferencia con Prokaryotes es la presencia de muchos orgánulos unidos a la membrana donde tienen lugar procesos particulares. Uno en particular, comúnmente el más grande, es el núcleo que encierra, protege y estabiliza la mayoría del ADN de la célula, que se organiza en forma de hebras lineales múltiples llamadas cromosomas. Otra diferencia muy importante de Prokaryotes es la presencia de Mitochondria, un tipo particular de orgánulo.

• Las bacterias y formas de vida similares son arqueas o procariotas, todo lo demás (en particular organismos multicelulares como nosotros) son eucariotas.
• Los fósiles bacterianos más antiguos (esencialmente imposibles de decir si eran Archaea o Procariotas – fosilizados se ven iguales) datan de hace unos 3.500 millones de años (aproximadamente mil millones de años después de la formación de la corteza terrestre). Los fósiles más antiguos evidentemente eucarióticos datan de hace unos 1.700 millones de años, pero algunas evidencias genéticas sugieren que se originaron hace unos 3.000 millones de años.
• Cómo se originaron las formas de vida iniciales y cuándo aún no está claro, pero sin duda fue antes de hace 3.5 billones de años. Las capas sedimentarias más antiguas conocidas tienen unos 3.800 millones de años (la corteza se había solidificado unos 700 millones de años antes) y, aparte de algunos residuos bioquímicos muy tentadores, no muestran células fosilizadas reconocibles.

No hay una respuesta universalmente aceptada para esta pregunta tan importante. No hay ni una sola respuesta al más particular ” ¿Cómo se desarrolló el Eukaryota? ” En el que centraré mi atención.

Hay muchas observaciones y sugerencias (léase: experimentos y análisis bioquímicos) que dan lugar a algunas hipótesis. Aquí están las principales observaciones:

• Las mitocondrias en células eucarióticas tienen una estructura muy similar (y en muchos detalles idéntica) a las procariotas. En particular, tienen su propio ADN (organizado como un bucle), maquinaria interna de síntesis de proteínas (como la bacteriana, pero bastante diferente de la eucariota), y tienen sus propios mecanismos de transcripción ADN-ARN (de nuevo, como el bacteriano uno, pero no exactamente el mismo que el eucariótico). Y tienen paredes, como las bacterianas en composición, pero diferentes de la pared celular eucariótica y su sistema de endomembrana que envuelve a todos sus orgánulos, excepto las mitocondrias (y los cloroplastos similares a los plástidos, que también tienen una estructura similar a las mitocondrias).
• Las mitocondrias son capaces de realizar la ruta metabólica de la Fosforilación Oxidativa. La mayoría de las bacterias pueden realizar esa vía, aunque en una forma ligeramente diferente o algo menos eficiente. La fosforilación oxidativa mitocondrial es muy eficiente en la producción del ATP requerido para la función celular.
• Las mitocondrias se reproducen por sí mismas, como las bacterias, y no son “fabricadas” por la maquinaria molecular del eucariota (como otros orgánulos). Su reproducción está estrechamente regulada, incluso hasta el punto de requerir la activación y transcripción de los genes presentes en el ADN del eucariota, pero no utilizados para el metabolismo del eucariota. Como tal, las mitocondrias no pueden funcionar bien o reproducirse por sí mismas fuera del eucarionte. Y no cualquier Eukaryote: debe ser la misma especie o una estrechamente relacionada.
• No todas las mitocondrias son idénticas. Diferentes especies de eucariotas tienen diferentes mitocondrias en diferentes números: algunas tienen una sola, algunas tienen miles de ellas en una sola célula; algunos tienen pocos o muy pocos genes requeridos por las mitocondrias en su ADN, algunos tienen una gran cantidad del genoma mitocondrial intercalado en su ADN.
• Un reciente análisis de ADN ha demostrado que con muy alta probabilidad, las mitocondrias son en realidad un antiguo género de Prokariotes (bacterias) estrechamente relacionado con la familia de Rickettsia (para más detalles, ver mi otra respuesta vinculada más arriba). Las rickettsias son endoparásitos celulares bien conocidos en muchas especies animales: viven dentro de una célula huésped, se reproducen allí y aprovechan la capacidad de la célula para mantener un entorno interno estable y producir muchos tipos de materiales necesarios. Las rickettsias algunas veces viven dentro de las células del huésped por largos períodos de tiempo sin daño significativo al organismo.

Teniendo en cuenta estos indicios, la hipótesis más aceptada es que las mitocondrias son endosimbiontes que evolucionaron gradualmente a partir de una infección bacteriana de la familia Rickettsia que produjo “proto-Eukariotes” menos mitocondrias suficiente impulso de energía para competir (obtener alimentos y reproducirse más y más rápido) que otros proto-Eukariotes; eso a su vez benefició a los endosimbiontes, dándoles un “paseo gratis” en un ambiente más estable y más protegido donde vivir y reproducirse. La evolución entonces se ocuparía de mejorar la relación: los anfitriones evolucionarían para controlar mejor los “parásitos” y evitar sus repentinos estallidos reproductivos que destruirían la célula; las proto-mitocondrias evolucionarían para aprovechar el entorno estable y optimizar su producción de energía (mientras más energía tenga el anfitrión, más se reproducirá y, por lo tanto, habrá más (proto-) mitocondrias, una situación segura de ganar-ganar).

La reproducción bacteriana es muy buena, pero no tan buena y precisa como la reproducción eucariota. El genoma bacteriano, al estar flotando libremente en su citoplasma, se encuentra bajo el bombardeo constante de muchas especies moleculares muy reactivas producidas durante el metabolismo bacteriano (piense en radicales libres ), y también sujeto a muchas enzimas cuyo propósito es digerir trozos engullidos de otras formas de vida, incluido el ADN. El resultado: gran cantidad de daño en el ADN (en comparación con la innovación Eukaryotic de mantener su ADN precioso instalado de forma segura en un núcleo). Al ser mucho más pequeñas que las eucariotas y por lo tanto con un metabolismo más rápido (debido a la relación superficie / volumen aumentada) y un ciclo reproductivo más rápido (menos moléculas nuevas para sintetizar para una nueva copia), las bacterias son “reproductoras” muy rápidas y por lo tanto no se extinguen por ese “defecto de diseño”, muchos mueren, pero muchos más siguen viviendo y reproduciéndose.

Pero una consecuencia muy real del daño genómico bacteriano es que están en una gran presión para mantener sus genomas lo más pequeños y densos posible. El costo metabólico de mantener grandes genomas es múltiple:

• cuanto mayor es el genoma, más tiempo lleva producir una copia de él y mayor es el gasto de energía requerido para sintetizar las moléculas requeridas y unirlas de la manera correcta;
• cuanto más grande es el genoma, más fácil es que las especies y enzimas reactivas lo dañen;
• Los “genomas de asa”, como los de las bacterias, son muy fáciles de dañar cortando una cadena doble (tienen enzimas para hacerlo): se desenredan y se convierten en “blancos deliciosos” para sus enzimas de digestión de ADN (que prefieren eliminar nucleótidos de extremos colgantes); genomas más pequeños tienen menos volumen y, por lo tanto, presentan un objetivo menor para las enzimas de corte de ADN;
• la reproducción de ADN bacteriano no tiene el nivel de “lectura de prueba” que tienen los eucariotas en su repertorio; por lo tanto, más errores de copia.

Para resumir: ataque de nucleótidos de cadena simple (por moléculas reactivas), cortes de doble cadena (por enzimas de restricción), mayor gasto de energía y peor lectura de prueba de ADN. Resultados: es mejor tener genomas pequeños y reproducirse rápidamente que genomas grandes y el riesgo de no reproducirse en absoluto.

Probar este hecho es una gran experiencia de aprendizaje que es (o al menos fue en mi tiempo) un experimento requerido (y en mi opinión, divertido) en Microbiología:

• Usted elige un aminoácido que una bacteria puede sintetizar.
• Cultivas esa bacteria (la mayoría de las veces E. coli) en un medio adecuado que no incluye ese aminoácido (no esencial), pero específicamente incluyes cantidades conocidas de él.
• Deje que las bacterias se reproduzcan a voluntad durante muchas generaciones, tantas como quiera, teniendo cuidado de mantener su aminoácido seleccionado siempre disponible en la concentración deseada.
• Cada cierto número de generaciones toma una pequeña muestra de las bacterias cultivadas y las prueba en medio de cultivo normal, no modificado con aminoácidos extra solidificado con Agar (o un espesante no proteico similar) en una placa de Petri para ver cuántas bacterias logran formar colonias.
• Repita el muestreo y el recuento de colonias, trazando los resultados en función de una base de recuentos de colonias producidos por el cultivo bacteriano original con el que comenzó (el control).

Después de un tiempo, empiezas a ver que el recuento de colonias (un sustituto del éxito reproductivo y próspero de las bacterias) comienza a disminuir. Finalmente, la viabilidad bacteriana en el medio base disminuye hasta un punto en que es tan baja que pequeñas cantidades de contaminantes (virus bacterianos, químicos extraños, etc.) simplemente matan a todas las colonias. En un experimento que realicé logré que E. coli requiriera tirosina para su supervivencia y reproducción en 29 días: el ciclo reproductivo de E. coli es de aproximadamente 3-4 generaciones por hora, lo que significa que “solo” tomó alrededor de 2700 generaciones (No sé el recuento exacto de generación, ya que la tasa de reproducción no está controlada por un “reloj atómico” preciso dentro de la bacteria y la célula no mantiene un buen contador de generación. La tasa de reproducción fluctúa debido a muchas causas difíciles de controlar ; todo lo que puede hacer es tomar muestras y cultivarlas una o dos veces al día durante semanas a la vez). Tenga en cuenta que a la velocidad de reproducción humana convencional 27000 generaciones habrían tomado alrededor de 67 mil años … Sobre el par para el curso de este tipo de mutación deletérea, diría … 🙂

Esta es Evolution in Action en una placa de Petri, en un lapso de tiempo fácilmente comprensible incluso para los estudiantes de primer año. En mis tiempos de estudiante, los secuenciadores de ADN baratos y fáciles de usar eran desconocidos: la secuenciación del ADN era un proceso manual lento e intrincado que podría tomar años para un genoma pequeño como el de E. coli. Me encantaría repetir ese experimento hoy, al alcance de un secuenciador, y ser capaz de ver exactamente lo que sucedió en el genoma de la población. Ese tipo de cambio en los requisitos dietéticos puede provenir de varias fuentes posibles, y en las bacterias una que siempre “se avecina en el horizonte” es la pérdida de piezas de ADN: un par de enzimas de restricción, una fusión apresurada del ADN antes de que todo se deshaga y fuera de ti ir. Con tantas generaciones pasando en mi experimento, esto es más que probable: se vuelve casi inevitable. Me encantaría verlo suceder con mis propios ojos con gafas. Como dije, fue divertido entonces; sería aún más divertido ahora.

¿Qué tiene que ver esta historia con Eukaryotes y sus mitocondrias? ¡Todo! La evolución eucariota y mitocondrial es, de hecho, un caso de coevolución. Es decir: evolucionaron juntos, en una forma co-dependiente, hasta que ninguno pudo sobrevivir sin el otro.

• El entorno citoplasmático del (proto) eucariota, mantenido según los requisitos de la célula por sus propias presiones y necesidades evolutivas, proporcionó un entorno estable (r) y rico (er) a las mitocondrias (proto) endoparasitarias; al menos más estable y más rico que el ambiente disfrutado por sus variantes bacterianas de libre rango. Y, como en la configuración experimental que describí, la bacteria endoparasitaria fue capaz de prosperar y reproducirse incluso con algo de daño en el ADN, siempre y cuando el huésped siguiera fabricando las moléculas requeridas. Finalmente, el endoparásito dejó de ser capaz de vivir por sí mismo y se convirtió en un endosimbionte.
• Por otro lado, el Eukaryote (ya completamente presente) se benefició enormemente del metabolismo y la energía extra proporcionados por el endosimbionte (por ahora completamente). Más energía significa mayor supervivencia y más reproducción para el huésped, lo que también beneficia a las mitocondrias. Pero más energía para el huésped también significa más alimento disponible para el endosimbionte, cuyo código genético aún mayormente no modificado lo forzaría a reproducirse, como lo hacen las bacterias de rango libre cuando hay abundancia de alimento. Y eso es malo para el endosimbionte, porque al comportarse como un parásito mataría al huésped y, por lo tanto, se mataría a sí mismo. Así que una nueva presión evolutiva entra en juego: los mejores endosimbiontes son aquellos que intentan tanto como no pueden matar a sus anfitriones con una juerga reproductiva “egoísta”. Lentamente, los endosimbiontes se volvieron más y más capaces de reducir su reproducción a niveles apropiados para su huésped.
• Y, por último, en tercer lugar , los constantes intentos de endosimbiontes (aún no muy autorreguladores) de desbordar la capacidad del Eukaryote para manejarlos ejercerían una presión evolutiva sobre la propia célula para encontrar formas de controlar sus “activos energéticos” antes de que convertirse en “responsabilidades existenciales”.

El ciclo co-evolutivo está cerrado y listo para funcionar. Muchos ( muchos) ciclos de coevolución posteriores obtenemos eucariotas que controlan cuidadosamente el número de sus mitocondrias y les decimos que se reproduzcan solo cuando sea necesario (como durante el ciclo reproductivo de la célula). Y obtenemos las mitocondrias con la menor cantidad de ADN posible (porque obtienen todo lo que necesitan de su “medio de cultivo” -el citoplasma) y básicamente no pueden reproducirse a menos que así se lo digan y con la ayuda de su Eukaryote envolvente.

Esto es, en pocas palabras (bueno … una gran cáscara) la teoría endosimbiótica del origen mitocondrial.

La teoría endosimbiótica aún no es aceptada por todos los biólogos, es un consenso de la mayoría, y en general hay pocas dudas de que es fundamentalmente correcta, pero hay algunos críticos vocales. Las dos principales críticas (en realidad, las solicitudes de explicación) son:

• El hecho de que las mitocondrias no son idénticas entre todos los eucariotas. Son esencialmente los mismos en una especie dada, pero son bastante diferentes entre las especies, en particular las separadas por grandes distancias evolutivas. Parecen estar genéticamente relacionados, pero la variabilidad es más grande de lo esperado por muchos críticos.
• La presencia en el genoma nuclear de genes que son reconociblemente muy similares a los genes internos en otros tipos de mitocondrias en otras especies. Estos genes nucleares expresan ARNm y proteínas requeridas por la población de mitocondrias particular en la célula, pero por lo demás no parecen tener otro propósito en la función de la célula. Esos genes de ADN mitocondrial (llamados ADNmt) son diferentes entre especies, pero siguen una “relación” genética reconocible entre especies eucarióticas relacionadas.

Estas críticas pueden explicarse bajo la teoría del origen endosimbiótico, pero los “huesos de la discordia” radican en la demostración de los detalles del mecanismo propuesto, o la falta de ellos.

Por el momento, solo ofreceré una explicación simplificada:

• Las mitocondrias no son idénticas entre las muchas especies eucariotas porque las muchas especies eucariotas no son idénticas entre sí; en particular, el medio interno de su citoplasma celular (y de su cuerpo, cuando es multicelular) es diferente. Las mitocondrias, como endosimbiontes que son, evolucionan debido a su necesidad de adaptarse a su entorno, como todas las demás formas de vida (sí, son formas de vida, pero simplificadas, simplificadas). Pero el entorno del endosimbionte es su célula huésped, por lo que cuando esa célula cambia, el endosimbionte debe evolucionar para adaptarse a ese cambio. Las diferencias mitocondriales entre especies no requieren la invocación de múltiples orígenes endosimbióticos independientes, pero no lo descartan. Continuar … Nada nuevo aquí … ¡De verdad!

• Cuando los endoparásitos mueren dentro de la célula, dejan pedazos de sí mismos para que la célula los recicle. Algunas de esas piezas son ADN, y de vez en cuando algunas piezas logran entrar en el núcleo y fusionarse con los cromosomas. Claramente sucede con virus, y ocurre con endoparásitos (sí, sucede , lo hemos visto suceder). Y nuestros endosimbiontes mitocondriales no son tan diferentes; simplificado, sí, pero no realmente diferente. En particular: a veces mueren , se rompen en pedazos y se reciclan en bloques básicos como cualquier otra cosa dentro de la celda. Y algunas de sus piezas de ADN pueden encontrar su camino en el ADN nuclear. La mayoría de las mitocondrias “modernas” -las de los eucariotas modernos, como los mamíferos- tienen ADN simplificado (alrededor de 16 kilobases), por lo que no queda mucho para “infectar” el núcleo. (O tal vez algunos núcleos se “infectan”, pero como casi todas las células del cuerpo no son gaméticas, esto no pasará a las nuevas generaciones. Se requiere un estudio más detallado). Pero las mitocondrias son mucho más complejas y tienen genomas más grandes “. “eucariotas” más antiguos: cuanto más viejos, más grandes y más complejos. De hecho, puedes construir un árbol evolutivo (filogenético) de las mitocondrias, que en su mayoría es paralelo al conocido árbol evolutivo de sus Eukaryotes anfitriones. La idea es que los Eukaryotes antiguos y antiguos recibieron muchas más “infecciones” de sus mitocondrias debido a que no estaban tan “domesticados” y simplificados como las mitocondrias de las especies más modernas. Y lo que es más, el hecho de tener algo de ADN mitocondrial en el genoma y no en las propias mitocondrias se convertiría más adelante en una parte importante de la regulación mitocondrial.

Tal como están las cosas, esta respuesta podría convertirse en un capítulo completo de un libro … 🙂

Espero que esto ayude. De otra manera:

TL; DR
Todavía no sabemos con suficiente detalle, pero tenemos muy buenas pistas sobre cómo comenzó la complejidad eucariótica. En particular con respecto a las mitocondrias. En cuanto a los núcleos y otros orgánulos, el jurado aún está fuera …