Un ancestro microscópico para todos

¿Sería posible que las múltiples rutas que tomó la vida en su desarrollo tuvieran un mismo punto de partida? ¿Cuál pudo haber sido esa primera forma de vida microscópica de donde evolucionaron todas las demás? Gracias a los progresos de la microbiología, el material genético se ha vuelto un libro abierto para la reconstrucción de la evolución de la vida. En este artículo, Arturo Becerra nos cuenta cuáles son los avances, los debates y las dificultades con que se ha enfrentado la microbiología en la búsqueda del ancestro microscópico de todos los organismos vivos.

Arturo Becerra Bracho

El reconocimiento de que los genomas son documentos históricos de los cuales se puede extraer información evolutiva ha incrementado el margen de los estudios filogenéticos. El surgimiento de las técnicas de análisis de los ácidos nucleicos, que ha permitido la secuenciación de genomas completos (varios miles al momento de escribir esto), combinado con el rápido desarrollo de la informática, ha llevado a un crecimiento explosivo de información en los bancos de datos y a la elaboración de nuevas herramientas para su análisis, lo que demuestra que las moléculas son una ventana al pasado y nos permite conocer etapas muy tempranas en la evolución de la vida.

Un ejemplo destacado de esto ha sido la comparación evolutiva de las subunidades pequeñas del ARN ribosomal (ARNr), que permitió la construcción de un árbol sin raíz en el que todos los organismos conocidos quedaron agrupados en uno de los tres linajes celulares: Bacteria, Archaea y Eucarya. El ARN ribosomal es una molécula de información que conservan todos los organismos vivos del planeta. Es por esto que analizando las secuencias de esta molécula podemos llegar a entender en cierta medida el árbol de la vida y sus relaciones filogenéticas. De los linajes celulares antes mencionados, Bacteria y Archaea están conformados sólo por organismos microscópicos procariontes, o sin estructuras celulares definidas en su interior; de los organismos pertenecientes a Eucarya, gran parte no son visibles a simple vista (protistas, algunas algas, hongos, e incluso animales). Aunque los tres linajes celulares están separados por una enorme distancia evolutiva, es evidente que todos ellos provienen de un ancestro común. Sin embargo, tanto la distancia filogenética que hay entre los tres linajes como las diferencias moleculares que los separan llevaron a Woese y Fox (1977) a sugerir que el ancestro común era una entidad mucho más simple que cualquier procarionte en la que operaba una versión aún rudimentaria de la expresión de la información genética. Es decir, Woese y Fox supusieron que en el punto de la trifurcación de los tres linajes celulares hubo una entidad biológica –llamada por ellos progenote– en la cual, a diferencia de lo que ocurre con los organismos contemporáneos, la separación entre genotipo y fenotipo aún no se había completado del todo, es decir, un organismo mucho más simple que una bacteria sencilla actual.

Es evidente que los organismos contemporáneos debieron haber sido precedidos por sistemas mucho más simples, pero la probabilidad de que el último ancestro común de las bacterias, las arqueobacterias y los eucariontes fuera un organismo como el progenote propuesto por ellos resultaba difícil de conciliar con la similitud y la complejidad de los procesos moleculares básicos de cada uno de los linajes

La comparación de las diferencias y similitudes que existen entre los tres linajes permite, en principio, conocer no sólo la relación evolutiva que guardan entre ellos, sino también las características de su ancestro. Aunque hace años las bases de datos no poseían la riqueza de nuestros días, sí disponían de la información suficiente para intentar perfilar los rasgos del último ancestro. A pesar de las limitaciones de esta metodología (que incluye, de manera destacada, el problema del transporte horizontal de genes), los resultados fueron notables: todo indicaba que el cenancestro¹ poseía, entre otros, a) un sistema de transcripción y traducción de tipo moderno, que incluía ribosomas con proteínas, factores de transcripción y una polimerasa de ARN, ADN dependiente de varias subunidades; b) un metabolismo energético dependiente de ATPasas asociadas a membranas; c) biosíntesis de aminoácidos, nucleótidos y coenzimas; y d) la presencia de un genoma de ADN. Así, todo indica que el último ancestro común de los tres linajes celulares (y por tanto de todos los seres vivos) tenía la complejidad equivalente a la de cualquier procarionte contemporáneo, y no era un progenote, pero eso sí, sin duda era un microorganismo.

La reconstrucción de etapas ancestrales ha adquirido una perspectiva totalmente novedosa gracias a la disponibilidad, a partir de 1995, de un número creciente de genomas celulares secuenciados por completo. Como habían afirmado desde 1965 Zuckerkandl y Pauling, la historia evolutiva de un organismo está contenida en su genoma; sin embargo, a menudo esta información es difícil de interpretar, debido a una serie de fenómenos biológicos que van desde la rápida divergencia de la estructura primaria de los genes hasta la existencia de niveles de redundancia de las secuencias cuya naturaleza no entendemos del todo, pasando por el transporte horizontal², una de las peores pesadillas que tienen que enfrentar los biólogos evolutivos. Esto llevó a reconstrucciones prematuras que generaron una fuerte polémica que no ha sido superada del todo. Siempre partiremos de una muestra incompleta y en ocasiones errónea cuando tratemos de conocer la naturaleza de las etapas ancestrales, por lo que se debe tener mucho cuidado en la extrapolación de nuestros resultados a lo ocurrido en el pasado, en especial cuando se habla del último ancestro común de los seres vivos.

En principio sería fácil detectar el conjunto de genes del cenancestro, ya que éste estaría definido por el conjunto de secuencias presentes en la intersección de los conjuntos que representan los genomas de Archaea, Bacteria y Eucarya. Sin embargo, en la práctica esta reconstrucción ha sido limitada por a) el hecho de que los genomas secuenciados no reflejan la diversidad biológica real; b) los distintos niveles de conservación de los genes, que distan mucho de ser los mismos para todas las secuencias; c) los problemas en la anotación e identificación de las secuencias presentes en las bases de datos; d) la presencia de secuencias altamente conservadas cuya función es aún completamente desconocida por no disponer de datos experimentales; e) la pérdida polifilética, es decir, independiente, de secuencias, funciones y vías metabólicas que han sufrido diversos organismos, sobre todo parásitos y simbiontes; y f) el transporte lateral de los genes, que en algunos casos pueden traspasar las fronteras que separan a los grandes dominios.

Ante un inventario de dificultades como éste, parecería imposible definir con precisión los rasgos del último ancestro común; sin embargo, los resultados son alentadores. A pesar de la promiscuidad con la que los seres vivos han intercambiado genes a lo largo de la evolución, la reconstrucción del pasado es posible, y en especial la caracterización de ese microscópico pasado de todos los seres vivos.

NOTAS:

La vida en la Tierra tiene al menos 3 500 millones de años; la vida macroscópica apareció hace unos 700 millones de años. Vivimos en un mundo microscópico donde sólo en el último quinto de la historia de los seres vivos se encuentran organismos visibles a simple vista, los cuales no sobrevivirían sin la interacción con su microbiota.

1)    Un cenancestro es aquel organismo que presenta una ancestría común con todos los organismos actuales, es decir, el organismo que por procesos evolutivos dio lugar a todos los demás.

2)    El transporte horizontal es una transferencia de información genética que se da a través de organismos que no están dentro de una misma línea evolutiva. El transporte vertical, que es el más común, es una transferencia de información genética que se da a través de generaciones por medio de la herencia. El transporte horizontal ocasiona que un organismo adquiera genes ajenos, lo que entorpece el análisis filogenético.

Referencias y Lecturas

Becerra, A., Delaye, L., Islas, S., Lazcano, A, «The very early stages of biological evolution and the nature of the last common ancestor of the three major cell domains», en Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics, n°38, 2007 pp. 361-379.

Delaye L, Becerra A, and Lazcano A, «The last common ancestor: What’s in a name?», en Origins of Life and Evolution of Biospheres, n°35, 2005, pp.537-554.

Doolittle, W.F., «Phylogenetic classification and the universal tree», en Science, n°28, 1999, pp. 2124-2128.

Doolittle W.F., Brown J.R., «Tempo, mode, the progenote and the universal root», Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, n°91, 1994, pp. 6721-6728.

Fitch, W.M., Upper, K., «The phylogeny of tRNA sequences provides evidence of ambiguity reduction in the origin of the genetic code», en Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology, n°52, 1987, pp. 759-767.

Fitz, G.S.T., House, C.H., «Whole genome-based phylogenetic analysis of free-living microorganisms», en Nucleic Acids Research, n°27, 1999, pp. 4218-4222.

Gogarten, B.M., Gogarten, J.P., «The effects of heavy meteorite bombardment on the early evolution of life. A new look at the molecular record, en Origins of Life and Evolution of Biospheres, n°25, 1994, pp.78-83.

Lazcano, A., Fox, G.E., Oró, J., «Life before DNA, the origin and evolution of early archean cells», en Mortlock, R.P. (ed.), The evolution of metabolic function. Boca Raton. CRC Press, 1992, pp. 237-295.

Woese, C.R., Fox, G.E., «The concept of cellular evolution», en Journal of Molecular Evolution, n°10, 1977, pp.1-6.

Woese, C.R., Kandler, O., Wheelis, M.L., «Towards a natural system of organisms, proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya», en Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, n°87, 1990, pp. 4576-4579.

Zuckerkandl, E., Pauling, L., «Molecules as documents of evolutionary history», en Journal of Theoretical Biology, n°8, 1965, pp. 357-366.