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Anthony Poole recibió su doctorado del Instituto de Ciencias Biológicas Moleculares (Institute...

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¿Cuál es el Último Ancestro Universal Común(LUCA)?

Anthony M. Poole

Un artículo original de ActionBioscience.org

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puntos principales del artículo

LUCA (por sus siglas en inglés), el último ancestro universal común, es todavía un enigma, pero los científicos han podido:

  • encontrar más respuestas en el código genético
  • modificar y reconstruir árboles evolutivos
  • comprender más acerca del rol del intercambio de genes en la evolución.

Abril 2009

Nota del Editor: Este sitio web también provee como suplemento un artículo exhaustivo original sobre LUCA por A.M. Poole.

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Las células son tan pequeñas que incluso un grupo de éstas células provenientes de un raton, tan solo miden 50 micrones. Imagen de wikibook, libro de texto Cell Biology, John Schmidt.

En el campo de estudio sobre la vida temprana en la Tierra, un nombre sobresale por encima de todos los demás: LUCA. LUCA no es el nombre de un científico famoso en este campo; es la abreviatura de la frase en inglés Last Universal Common Ancestor, traducido al español como Último Ancestro Universal Común, una célula que vivió hace 3 o 4 millones de millones de años, y de la cual ha evolucionado toda la vida en la tierra. Increíblemente, todos los organismos vivos que vemos hoy en día (y muchos más que tan solo podemos ver con la ayuda de un microscopio) están relacionados. Por lo que sabemos, la vida en la tierra surgió tan solo una vez.

Respuestas en el código genético

La vida existe en toda clase de formas y tamaños, desde nosotros los humanos hasta las bacterias. Por lo tanto ¿cómo sabemos que toda vida ha evolucionado desde una sola célula? La respuesta se encuentra escrita en el lenguaje del código genético (imagen A).

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Imagen A: La respuesta se encuentra escrita en el lenguaje del código genético. Imagen de NIH.gov.

  • El código genético es el lenguaje en el que la mayoría de los genes son escritos en el ADN.
  • Tales genes constituyen recetas para hacer proteínas.
  • Las proteínas son las que hacen que la célula funcione, haciéndolo todo, desde fabricar ADN hasta digerir la comida que ingerimos y extraer sus nutrientes.
  • Increíblemente, exactamente el mismo código es usado en humanos y bacterias, de tal manera que un gen de un ser humano puede ser colocado en una bacteria, y la bacteria fabrica la proteína humana –así es como se hace la insulina.

El hecho de que el código genético sea universal para todas las formas de vida nos indica que todo está relacionado. Toda vida se regenera produciendo prole, y a través del tiempo pequeños cambios en la prole da como resultado pequeños cambios en las recetas de las proteínas. Pero puesto que las recetas están escritas en el mismo lenguaje (el código genético), es posible comparar estas recetas (y otros genes) para así construir el equivalente de un árbol genealógico.

Árboles genealógicos

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Imagen B: Archaea - organismos simples. Imagen de Halobacterium sp. strain NRC-1, NASA

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Imagen C: Escherichia coli bacilli bacteria. Pero pese a las apariencias, los archaea y las bacterias son tan diferentes el uno del otro. Imagen de: NIH.

De esta forma, los biólogos han logrado crear “la madre” de todos los árboles genealógicos: el árbol de la vida. El árbol espera establecer las relaciones entre todas las cosas vivientes, y ya ha revelado algunas sorpresas. La más impactante es el descubrimiento de archaea (imagen B). Estos son organismos simples que al ser observados no se pueden distinguir de las bacterias (imagen C). Antes de que fuera construido el prototipo del árbol de la vida en 1977, se creía que la vida tenía dos ramas principales, los eucariontes (por ejemplo plantas, animales y hongos) y los procariontes (bacterias, y lo que ahora se conoce como archaea). La decisión de dividir la vida en dos ramas se basó en gran parte, en las diferencias visuales entre las células. Los eucariontes todos poseen un núcleo celular (imagen D) mientras que los procariontes (imagen E) no. Pero pese a las apariencias, los archaea y las bacterias son tan diferentes el uno del otro como cada uno de ellos lo es de los eucariontes. Por lo tanto, ahora se sabe que el árbol de la vida consiste en:

  • Archaea
  • Bacterias
  • Eucariontes

Es increíble que hasta hace solo 25 años ni siquiera se nos pasaba por la mente que nosotros y las bacterias compartíamos el planeta con una tercera forma de vida!

La Reconstrucción de LUCA

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Imagen F: Un árbol de vida filogenético. El puro centro representa a LUCA. Rosado representa eucariontes; morado-azuloso, bacterias; verde,archaea. Fuente: Wikimedia Commons.

El árbol de la vida es uno de los grandes logros de la biología (imagen F). Pero para algunos investigadores representa simplemente la el medio para alcanzar una meta. Estos investigadores están tratando de reconstruir a LUCA, la célula de la cual toda vida evolucionó. La pregunta que plantean es, “qué rasgos de los archea, las bacterias y los eucariontes pueden ser rastreados hasta su ancestro común, LUCA?” Esta debería ser una tarea sencilla – simplemente comparar los tres grupos y escoger los rasgos que son comunes a todos. En principio, la reconstrucción de LUCA debería ser una cosa simple de hacer, dado que ya han sido descifrados más o menos 70 genomas completos a través de todo el árbol. (Un genoma alberga todos los genes en un organismo, y un “catálogo” de esos genes se obtiene al hacer la secuencia del ADN del organismo.) Desafortunadamente no es tan sencillo, por dos razones:

  • Los genes se pierden
  • Los genes se intercambian

¿Cómo podemos decir si un gen es antiguo?

  • La implicación del hecho de que los genes se pierden es que cuando uno compara los genomas para ver cuales genes son comunes a todas las formas de vida (es decir, cuales son “universales”), subestimamos el número de genes que LUCA tenia originalmente. Algunos de los genes que no son universales pueden ser añadidos a LUCA, puesto que al observar lo que hacen, se pueden encontrar pistas sobre sus orígenes. A pesar de que podemos hacer conjeturas con cierta base, de si un gen no-universal se encontraba en LUCA, la mayoría de los genes que no son universales son probablemente “invenciones nuevas”, específicos de una de las tres ramas mayores del árbol. De hecho, muchos pueden ser específicos de un solo grupo pequeño de, por ejemplo, archae.

  • Otra forma de chequear si un gen es antiguo, es ver si es una receta de proteína o de ARN. Esta es una pista importante puesto que algunos ARNs datan de un período aún más antiguo que la época en la que LUCA vivió. La lógica es esta: si un ARN es más antiguo que LUCA, entonces LUCA también lo tenía, aunque ese ARN ya no sea universal.

Pese a que lidiar con la pérdida de genes es problemático, no es un obstáculo insuperable– simplemente significa que la reconstrucción de LUCA estará salpicada de muchas conjeturas, y probablemente de algunas lagunas. Pero el intercambio de genes es cosa totalmente aparte – amenaza con derrumbar el árbol de la vida y enviar a LUCA a la basura.

Transferencia horizontal de genes

Durante décadas se ha sabido del intercambio de genes (o “transferencia horizontal de genes” como los biólogos la llaman a menudo). Lo que los biólogos hasta ahora empiezan a investigar es qué punto los genes son transferidos entre organismos. La comparación de dos bacterias de la misma especie revela diferencias mayores. Por ejemplo, la Escherichia coli es una bacteria común del intestino, la cual forma parte de nuestra flora intestinal natural. Pero la cepa O157:H7 causa dolencias gastrointestinales severas. Los genomas, tanto de una variante inofensiva (K-12), como los de las cepas de O157:H7, han sido descifrados y comparados, y el resultado es asombroso.

  • 1387 de los 5416 genes (26%) de O157:H7 no se encuentran en K-12
  • 528 de los 4405 genes (12%) de K-12 no se encuentran en O157:H7

Podría decirse que muchos de los genes de O157:H7 son genes “extranjeros” que han sido prestados de otra parte. Si comparamos dos personas, o incluso una persona con un chimpancé, este tipo de variación no se encuentra ni remotamente – los humanos todos comparten los mismos genes, y los humanos y los chimpancés puede que solo tengan unos cuantos genes diferentes entre nuestras dos especies.

A un nivel más amplio, una comparación ahora famosa entre Escherichia coli K-12 y Salmonella entérica (otra especie de bacteria a menudo responsable del envenenamiento con comida) concluyó que:

  • Como mínimo, un 17% del genoma de k-12 ha sido prestado desde que estas dos bacterias se separaron de un ancestro común, hace alrededor de 100 millones de años.
  • LUCA habría recorrido la tierra hace 3 o 4 billones de años, por lo tanto, si todos los genes se intercambian tan fácilmente, cualquier evidencia de LUCA se hubiera mezclado, puesto que los genomas son revueltos en forma tan severa.

¿Dónde va a parar LUCA en todo esto? Un pesimista diría que LUCA esta fuera de alcance. Sin embargo, no es obvio de forma alguna que todos los genes sean igualmente intercambiables. Algunos, tales como los genes de resistencia a los antibióticos, son el equivalente de gitanos, en términos de genes:

  • cuando hay un antibiótico presente, ellos le proporcionan resistencia a una bacteria
  • una vez que el antibiótico desaparece, a menudo ellos también se pierden

Otros genes producen proteínas que se enganchan con otras proteínas formando así complejos grandes de proteínas, algo así como un rompecabezas tridimensional. La posibilidad de que una de las piezas del rompecabezas se pueda intercambiar con la pieza equivalente del rompecabezas de otro organismo, dependerá de qué tan similares sean los rompecabezas. La Escherichia coli K-12 y el O157:H7 probablemente podrían intercambiar dichos genes con relativa facilidad, pero una bacteria y un archaeon probablemente no tendrían ninguna posibilidad de hacerlo, pese a que dichos rompecabezas juegan el mismo papel biológico. ¿Es el intercambio de genes tan común a través de otras ramas del árbol? Nosotros los animales no tenemos tendencia de intercambiar recetas de proteínas tal como lo hacen las bacterias, sin embargo, lo hemos hecho en el pasado. Actualmente existe evidencia abrumadora de que somos en parte bacteria.

  • Nuestra ascendencia bacteriana viene en forma de mitocondrias (imagen G, diminutas centrales eléctricas dentro de nuestras células.

  • El ADN de nuestras mitocondrias es minúsculo, y cuenta tan solo con un puñado de genes. Pero en un momento dado en el pasado, las mitocondrias fueron verdaderas bacterias, que se alojaron dentro de uno de nuestros ancestros unicelulares distantes, y entablaron asociación con ellos.

  • Desde ese entonces, la mayoría del ADN de la bacteria original ha sido desechado, pero gran parte de él ha ido a parar al ADN de nuestro núcleo (imagen D).

La buena noticia para los biólogos de LUCA es que parece que somos muy exitosos en identificar qué pedazos de nuestro ADN nuclear provienen de mitocondrias, y cuáles se encontraban ya allí. De tal manera que en cierta medida, puede que sea posible desenmarañar partes del árbol de la vida. ¿Pero es esto suficiente para salvar a LUCA?

¿Uno o muchos LUCAS?

Carl Woese, uno de los personajes claves en el intento de reconstruir el árbol de la vida, le ha agregado otro sesgo al rompecabezas LUCA. El tiene entusiasmados a los investigadores al sugerir que:

  • LUCA también participaba en el intercambio de genes, y a una escala mucho más grande de lo que observamos en las bacterias modernas.
  • el intercambio de genes fue alguna vez mas importante que la herencia de padre a cría, y, los archae tempranos, las bacterias y los eucariontes emergieron en forma independiente de un “mar” de transferencia de genes

No es claro cómo se podrían evaluar sus aseveraciones, pero ellas ciertamente dan en qué pensar –si él está en lo cierto, jamás hubo un solo LUCA sino una comunidad de genes sutilmente asociados con las células.

Todavía no se ha alcanzado ningún consenso sobre cómo reconstruir a LUCA, ni sobre si la transferencia horizontal de genes convertirá esta tarea en un esfuerzo inútil. Sin embargo, si no todos los genes son iguales en el juego de la transferencia horizontal de genes, los biólogos tienen una pequeña oportunidad. De cualquier forma, para aquellos que intentan construir el árbol de la vida y reconstruir nuestros origines, existen cantidades de desafíos emocionantes y muchas incógnitas. Por ejemplo, tan sólo este año, un miembro de un grupo nuevo de archae microscópicos ha sido identificado en una fosa oceánica. Para darles un poco de perspectiva en cuanto a la relevancia de este descubrimiento, es aproximadamente equivalente al descubrimiento de la primera planta! Ya sea que hubiera uno o más LUCAS, esto son definitivamente momentos excitantes.

Anthony Poole recibió su doctorado del Instituto de Ciencias Biológicas Moleculares (Institute of Molecular BioSciences) de la Universidad de Massey, en Nueva Zelanda, donde también fue un becario post-doctoral en el Centro Allan Wilson de Ecología Molecular y Evolución (Allan Wilson Centre for Molecual Ecology and Evolution). En octubre del 2002 se convirtió en profesor asistente en el Departamento de Biología Molecular y Genómica Funcional (Department of Molecular Biology & Functional Genomics) de la Universidad de Estocolmo, en Suecia. Su investigación hasta la fecha se ha centrado alrededor de preguntas sobre la evolución temprana, y su enfoque actual es sobre los orígenes del ADN y los orígenes de la célula eucariota. http://www.molbio.su.se/ (haga “staff”)

Por favor vea el artículo original en inglés para enterarse más sobre el tópico del artículo o para tener acceso a la lección que lo suplementa. (Enlaces y lecciones no han sido traducidas.)

Referencias del artículo

Estas referencias están en inglés. Las referencias no han sido traducidas al español dado que la mayoría de los artículos citan fuentes en el idioma inglés.

Image Links: Accessed 4/10/09.
A. Genetic code chart (updated 12/03 due to original URL no longer available)
http://psyche.uthct.edu/shaun/SBlack/geneticd.html
B. Archaea
http://www.microbe.org/microbes/archaea.asp (URL no longer available)
C. Bacteria
http://www.microbe.org/microbes/bacterium1.asp (URL no longer available)
D. Eukaryotic Cell
http://micro.magnet.fsu.edu/cells/animalcell.html
E. Prokaryotic Cell
http://micro.magnet.fsu.edu/cells/bacteriacell.html
G. Mitochondria
http://micro.magnet.fsu.edu/cells/mitochondria/mitochondria.html


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