Por Karen G. Lloyd
Los orígenes de la vida podrían estar en una misteriosa forma de vida en el fondo del mar. En 2008, me encontré en el fondo del océano, en el Mar de Cortés, México, a más de una milla de profundidad, en el sumergible Alvin. Es el mismo vehículo que se utilizó para descubrir la primera fuente hidrotermal, el Alvin; el único vehículo de inmersión profunda ocupado por humanos de la flota científica estadounidense (también se utilizó para descubrir los restos del Titanic) y soporta presiones extremas.
En el momento de mi inmersión, el Alvin podría haberse sumergido al doble de la profundidad de nuestra misión sin problema. Gracias a recientes mejoras, ahora puede sumergirse incluso una milla más.
Tras revisar un montón de listas de verificación y cerrar la escotilla, nos sacaron de la cubierta del barco por la estructura en forma de A y nos acomodaron en el agua. Me senté con las piernas cruzadas, pero felizmente erguido, en una esfera con paredes de titanio de cinco centímetros de grosor, a escasos centímetros del piloto, Sean Kelley, y de mi asesor, Andreas Teske, cada uno con su propio ojo de buey.
Las luces bioluminiscentes eran impresionantes mientras caíamos como una piedra a través de una milla de agua de mar. Cuando soltamos el lastre y el fondo marino apareció a la vista, sentí como si hubiera ido a otro mundo. El agua brillaba a nuestro alrededor mientras el calor de las fuentes hidrotermales ascendía desde el fondo marino. Apreté la cara contra la portilla de acrílico, pero intenté no tocarla. El piloto a cargo de mantener las portillas impecables, Dave Walter, me había advertido que no la trajera a la superficie manchada. Al otro lado de la portilla había una masa hirviente de gusanos gigantes. Cada gusano era aproximadamente tan alto como yo, con un cuerpo blanco del diámetro de una manguera de jardín y una cabeza roja brillante como un plumero. Los gusanos irradiaban de cada superficie dura en gruesos ramos. Sabía que era una de las pocas personas que habían visto gusanos como estos de cerca, así que acerqué mi grasienta nariz a la preciada ventana de acrílico de Dave.
Mi trabajo era asegurarme de que completáramos nuestros objetivos científicos, documentando nuestro trabajo con notas escritas y videos de las cámaras externas de Alvin . En mis ratos libres, filmé a los fantásticos gusanos mientras sorbían los químicos de los fluidos hirvientes. Pero estos animales no usan los químicos directamente. Los canalizan a las bacterias que viven dentro de sus cuerpos y estas bacterias convierten los químicos en alimento para el gusano. Nosotros, los humanos, a menudo tomamos suplementos probióticos para mantener nuestros microbios intestinales saludables. Estos gusanos gigantes, conocidos como Riftia, llevan esta noción al extremo. En el curso de la evolución, dejaron de lado sus bocas, estómagos y traseros para poder depender de los microbios para todo. Ahora solo tienen un órgano especial llamado trofosoma lleno de microbios oxidantes de azufre.
Sin embargo, no estaba en el fondo del mar para estudiar los gusanos, por muy interesantes que fueran. No, esperaba capturar algo mucho más antiguo, algo que se remontara al origen de la vida multicelular. Cuando terminé la inmersión y regresé al laboratorio en Chapel Hill, Carolina del Norte, con las muestras de las fuentes hidrotermales en la mano, me quedé atónito con lo que finalmente encontré en ellas. Extraje ADN, lo secuencié y de inmediato me encontré con un dilema. Mientras trabajaba a fondo en mi computadora, intentando identificar estas secuencias basándome en su similitud con secuencias de ADN conocidas, un conjunto de secuencias se negaba a encajar en ninguna categoría.
Por mucho que lo intenté, no pude crear un árbol filogenético que ubicara estas secuencias de ADN de forma fiable en una de las arqueas (tipo de microorganismos), bacterias o eucariotas (células que tienen el ácido desoxirribonucleico en un núcleo diferenciado, envuelto por una membrana). En la época en que realizaba este trabajo, toda la vida conocida en la Tierra se clasificaba en uno de estos tres grupos, así que mi primer pensamiento fue que era un pésimo científico y que estaba arruinando el algoritmo de alguna manera. En cambio, resultó que me había topado con un organismo mucho más extraño de lo que esperaba.
Empecé a revisar la literatura científica para ver si otras personas también habían encontrado estas extrañas secuencias de ADN. Se habían encontrado en otras fuentes hidrotermales de aguas profundas y en otros lugares subterráneos, pero como este grupo microbiano no se había cultivado, no tenía un nombre propio. Costantino Vetriani, de la Universidad de Rutgers, lo denominó Grupo Bentónico Marino B (MGB-B). Fumio Inagaki, de JAMSTEC, lo denominó Grupo Arqueal de Aguas Profundas. Ken Takai, de JAMSTEC, lo denominó Grupo de Fuentes Hidrotermales Marinas. Katrin Knittel, del Instituto Max Planck de Microbiología Marina (Alemania), decidió intentar fotografiarlo.
Fotografiar un microbio es más difícil de lo que parece. Claro, si tienes un cultivo que crece bien, puedes extenderlo sobre un portaobjetos, teñirlo, colocarlo bajo el microscopio y tomar una foto. Pero si intentas descubrir un nuevo y misterioso grupo de microbios en el fondo del océano que se niegan a crecer en una placa de Petri, la tarea es más difícil. Al extender lodo fresco sobre un portaobjetos, la tinción celular no distingue un tipo de microbio de otro, un problema importante, ya que hay miles de millones de tipos diferentes de microbios en cada gramo de sedimento.
Para superar este obstáculo, Katrin recurrió a una computadora y comparó las secuencias del gen ARNr 16S de este extraño MBG-B/DSAG/MHVG con las de todas las demás bacterias y arqueas conocidas en ese momento, seleccionando una sección de 18 nucleótidos que coincidía únicamente con este grupo. Luego, adhirió una sonda fluorescente a estos pequeños fragmentos de ADN de 18 nucleótidos y los dispersó en el lodo del fondo marino. De alguna manera, estos fragmentos de sonda de ADN encontraron sus objetivos: se adhirieron a las células MBG-B/DSAG/MHVG y las hicieron brillar, lo que permitió a Katrin y a sus colegas vislumbrar a estos misteriosos seres.
Cuando los científicos observaron por el microscopio, lo primero que notaron fue que estas células eran extremadamente pequeñas; su ancho era aproximadamente igual a la longitud de onda de la luz azul (550 nanómetros). Pero lo más importante, y quizás crucial para nuestra propia existencia, es que formaban agregados globulares con otras células. En cualquier otro tipo de microbio, la tendencia a formar agregados no es sorprendente. Pero estos no eran microbios normales. No eran bacterias, ni arqueas, ni eucariotas. Estaban en el límite del árbol de la vida conocido. Para comprender la importancia de esto —por qué la agrupación de estas células específicas aceleraba los pulsos— es necesario conocer un poco la profunda historia de nuestra rama en el árbol de la vida: los eucariotas. Estos son células que tienen el ácido desoxirribonucleico en un núcleo diferenciado, envuelto por una membrana.
Una de las características que definen a los eucariotas es que tenemos orgánulos microscópicos dentro de nuestras células llamados mitocondrias. Estas mitocondrias toman moléculas de alimento ricas en electrones (recolectadas por nuestros intestinos y transmitidas a través de nuestra sangre) y las hacen reaccionar con oxígeno (traído por nuestra sangre desde nuestros pulmones) para generar ATP, la principal fuente de energía para todas las células vivas. Pero nuestras mitocondrias no son realmente «nosotros»: son bacterias antiguas que, por razones misteriosas, terminaron dentro de una célula eucariota primitiva. Luego permanecieron tanto tiempo que se convirtieron en residentes permanentes. No podríamos hacer nada de lo que nos gusta sin nuestras pequeñas intrusas mitocondriales. Escuchar música, formar un pensamiento, leer un libro o producir calor corporal: nos ayudan a hacerlo todo. Y lo mismo ocurre con todos los animales del planeta.
¿Cómo se originó esta asociación entre los primeros eucariotas y las bacterias que posteriormente se transformaron en mitocondrias? Afortunadamente, disponemos de abundante información sobre las antiguas alfa-proteobacterias que se transformaron en mitocondrias. Desafortunadamente, sabemos casi nada sobre la célula que las alojó originalmente.
Mientras estudiaba en mi habitación sin ventanas, recién llegado del Mar de Cortés, intentando sin éxito que algoritmos informáticos me explicaran qué eran estos microbios, quizá estaba observando a algunos de los primeros descendientes directos conocidos de ese huésped que finalmente evolucionó hasta convertirse en humano. Por eso la gente quedó tan atónita con estos microbios de nombre aburrido MBG-B/DSAG/MHVG. ¿Y si conservaran algunas de las propiedades de ese primer paso hacia la vida eucariota en la Tierra?
Por eso también fue tan atractivo cuando Katrin Knittel nos mostró que estos microbios forman pequeños grupos con otras células. Quizás la tendencia de estos microbios a agruparse llevó a algunos a formar una relación con las alfaproteobacterias y a iniciar el camino hacia lo que somos hoy. Pero es difícil identificar a nuestra «bisabuela» con solo un gen y unas pocas imágenes. Desafortunadamente, eso fue literalmente todo lo que tuvimos durante casi dos décadas.
En 2015, Anja Spang y Thijs Ettema, de la Universidad de Uppsala (Suecia), crearon los primeros genomas completos de estos misteriosos organismos. Para agradecimiento de científicos como yo, les dieron un nombre que no era un acrónimo: Lokiarchaeota, en honor a la fuente hidrotermal llamada Castillo de Loki (un guiño al dios nórdico Loki) donde fueron encontrados. Al comparar el genoma de Lokiarchaeota con el de otros organismos, descubrieron que eran sorprendentemente similares a nuestro linaje, los eucariotas. El hecho de que estén tan estrechamente relacionados con nosotros sugiere que podrían ser descendientes directos de nuestras antiguas células progenitoras.
Estos investigadores también encontraron características en el genoma nunca antes vistas en un procariota. Una de las características clave que distingue a los eucariotas (humanos, plantas, hongos, etc.) de los procariotas (bacterias y arqueas) es que los eucariotas podemos transportar elementos en pequeñas cintas transportadoras dentro de nuestras células mediante proteínas especiales. Los lokiarchaeota tienen genes que codifican estas proteínas, lo cual es otra pista de que pertenecen a nuestro equipo. Los investigadores también encontraron genes que sugieren que podrían haber intercambiado hidrógeno con un endosimbionte (quizás una proto-mitocondria), así como estructuras externas que les ayudarían a aferrarse a su amiga alfaproteobacteriana.
Para aprender más sobre estas prometedoras criaturas y sus estructuras internas, los científicos necesitaban imágenes más precisas. Pero la única manera de lograrlo era cultivar Lokiarchaeota en un cultivo. A pesar de todos los cultivos que se habían creado a partir de fuentes hidrotermales, Lokiarchaeota nunca había estado entre ellos.
El esfuerzo por cultivar Lokiarchaeota comenzó allá por 2006. Hiroyuki Imachi y sus colegas del JAMSTEC decidieron probar un nuevo método. Construyeron una cámara especial del tamaño de un armario, con pequeños trozos de esponjas de cocina esterilizadas colgando de una cuerda de nailon. Empaparon estas esponjas en fluidos provenientes de una fuente hidrotermal de aguas profundas frente a la costa de Japón. Luego, vertieron lentamente el medio de cultivo sobre la esponja superior. Una vez saturada la primera esponja, el líquido goteó con una lentitud insoportable hacia la siguiente, y así sucesivamente. Esperaron pacientemente. Catorce años después, en 2020, Hiroyuki y sus coautores informaron sobre el primer cultivo de Lokiarchaeota, que pudieron fotografiar en alta resolución.
Los resultados ofrecieron el final de cuento de hadas con el que sueñan los científicos: resulta que hay grandes apéndices que sobresalen de cada pequeña célula de Lokiarchaeota. Si usas la imaginación, puedes imaginar a estas células usando sus brazos para enredar una célula de Alphaproteobacteria, engullirla y, finalmente, evolucionar en un ser humano o una jirafa.
El equipo bautizó al nuevo organismo Prometheoarchaeum syntrophicum, en honor a Prometeo, el dios griego que forjó a los humanos a partir del barro y les dio el fuego, un nombre apropiado si acertamos al considerarlo el progenitor de toda la vida eucariota y el que nos dio las mitocondrias, el poder de fuego de la vida en la Tierra.
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