Descubren un ancestro amante del oxígeno de toda la vida compleja

Investigadores de la Universidad de Texas en Austin encontraron evidencia que podría resolver un antiguo enigma sobre el origen de la vida compleja en la Tierra. Durante décadas, se ha creído que esta vida surgió a partir de la fusión de dos microbios muy diferentes, dando lugar a plantas, animales y hongos, conocidos colectivamente como eucariotas. Sin embargo, persistía una pregunta crucial: ¿cómo pudieron encontrarse estos organismos si uno dependía del oxígeno y el otro supuestamente sobrevivía sin él?

La nueva investigación, publicada en la revista Nature, se centró en un grupo de microbios denominados Asgard archaea, que son considerados parientes cercanos de los ancestros de la vida compleja. Aunque la mayoría de los Asgard conocidos habitan en ambientes marinos profundos o en condiciones de escaso oxígeno, el estudio reveló que algunos miembros de este grupo pueden tolerar e incluso utilizar oxígeno. Este hallazgo refuerza la teoría de que la vida compleja evolucionó en un entorno donde el oxígeno estaba presente.

El profesor Brett Baker, asociado a la investigación, explicó: "La mayoría de los Asgards vivos hoy en día han sido encontrados en ambientes sin oxígeno. Pero los que están más estrechamente relacionados con los eucariotas viven en lugares con oxígeno, como sedimentos costeros poco profundos y en la columna de agua, y tienen múltiples vías metabólicas que utilizan oxígeno. Esto sugiere que nuestro ancestro eucariota probablemente también poseía estos procesos".

El Gran Evento de Oxidación y los Primeros Eucariotas

El equipo de Baker estudió los genomas de los Asgard archaea para identificar nuevas ramas del grupo y comprender mejor cómo estos microbios generan energía. Los hallazgos recientes coinciden con lo que geólogos y paleontólogos han reconstruido sobre la atmósfera primitiva de la Tierra. Hace más de 1.7 mil millones de años, los niveles de oxígeno en la atmósfera eran extremadamente bajos. Luego, durante lo que los científicos llaman el Gran Evento de Oxidación, las concentraciones de oxígeno aumentaron drásticamente, alcanzando niveles similares a los actuales. Dentro de unos cientos de miles de años tras este aumento, aparecieron los microfósiles más antiguos de eucariotas en el registro fósil. Este estrecho margen de tiempo sugiere que el oxígeno pudo haber jugado un papel crucial en la aparición de la vida compleja.

"El hecho de que algunos de los Asgards, que son nuestros ancestros, hayan podido usar oxígeno encaja perfectamente con esto", afirmó Baker. "El oxígeno apareció en el entorno, y los Asgards se adaptaron a ello. Encontraron una ventaja energética al usar oxígeno y luego evolucionaron hacia los eucariotas".

Simbiosis y el Nacimiento de las Mitocondrias

El modelo predominante sostiene que los eucariotas surgieron cuando un arqueón Asgard formó una relación simbiótica con una alphaproteobacteria. Con el tiempo, los dos organismos se integraron en una sola célula. La alphaproteobacteria eventualmente evolucionó 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 los Asgard archaea, identificando grupos específicos, incluyendo Heimdallarchaeia, que están especialmente relacionados con los eucariotas pero son relativamente raros en la actualidad.

La investigadora Kathryn Appler, coautora del estudio, comentó: "Estos Asgard archaea a menudo son pasados por alto en secuencias de baja cobertura. El esfuerzo masivo de secuenciación y la combinación de métodos secuenciales y estructurales nos permitieron ver patrones que no eran visibles antes de esta expansión genómica".

Esfuerzo Masivo de Secuenciación Genómica

El trabajo comenzó con la investigación de doctorado de Appler en el Instituto de Ciencias Marinas de la Universidad de Texas en 2019, cuando extrajo ADN de sedimentos marinos. El equipo de UT y colaboradores finalmente ensamblaron más de 13,000 nuevos genomas microbianos, combinando muestras de múltiples expediciones marinas y analizando aproximadamente 15 terabytes de ADN ambiental.

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 la vida expandido de los Asgard archaea. Los genomas recién 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

El equipo examinó más de cerca a los Heimdallarchaeia, comparando sus proteínas con las encontradas en eucariotas involucradas en la producción de energía y metabolismo del oxígeno. Para esto, utilizaron un sistema de inteligencia artificial llamado AlphaFold2 para predecir las formas tridimensionales de las proteínas. Dado que la estructura de una proteína determina su funcionamiento, este análisis proporcionó pistas importantes.

Los resultados mostraron que varias proteínas de Heimdallarchaeia se asemejan a las utilizadas por las células eucariotas para un metabolismo energético eficiente basado en oxígeno. Esta similitud estructural ofrece un apoyo adicional a la idea de que los ancestros de la vida compleja ya estaban adaptados al uso de oxígeno.

Otros colaboradores del estudio incluyeron a antiguos investigadores de UT como Xianzhe Gong, actualmente en la Universidad de Shandong en China; Pedro Leão, ahora en la Universidad de Radboud en los Países Bajos; Marguerite Langwig, actualmente 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.

El financiamiento fue proporcionado 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 en Salud y Medicina de Australia.