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Buscando a Luca

Seis líneas de investigación nos acercan al Último Ancestro Común Universal

Desentrañar el origen de la vida ha sido (y sigue siendo) uno de los grandes retos del ser humano a lo largo de su historia. Saber quiénes somos y de dónde venimos constituye el objetivo fundamental sobre el que se asienta todo nuestro conocimiento. Por eso la ciencia no ha dejado de buscar el “Último Ancestro Común Universal” de todos los seres vivos, conocido por sus siglas en inglés como LUCA. Nos preguntamos cuándo vivió, cómo era, si se desarrolló en ambientes fríos o cálidos y si extraía su energía de las rocas, de la luz solar o de compuestos orgánicos. Pero hay más: en el caso de encontrar vida en Marte o en algún otro cuerpo del sistema solar los científicos querrán saber si es descendiente de LUCA o si fue esa vida la que emigró a la Tierra, por lo que tendríamos un origen extraterrestre. Carlos Briones, investigador del Centro de Astrobiología (CSIC-INTA), analiza esta cuestión e introduce seis líneas de investigación que rastrean la naturaleza de LUCA desde distintos campos científicos.


CARLOS BRIONES | 13/04/2012 |  Edición impresa


Fotografía de Fernando Marcos (Premio World Press Photo 2002) de la exposición "Origen, vida y multiverso".

Adentrarnos en los senderos de un bosque, sumergirnos en las cálidas aguas de un arrecife de coral o analizar al microscopio una gota de agua de una laguna son experiencias muy gratificantes, de las cuales extraemos una misma conclusión: existe una enorme biodiversidad en la naturaleza y son muchas las especies que se relacionan entre sí en cualquier ecosistema.

Fascinado por la diversidad de la vida, en 1859 Charles Darwin recogió en su libro El origen de las especies las evidencias que mostraban la evolución de los seres vivos por selección natural. Además, en el último párrafo de esa iluminadora obra sugirió por primera vez que todas las formas de vida podrían haberse derivado “de un corto número de formas o de una sola”.

Darwin volvió a retomar esta idea revolucionaria en su libro La variación de los animales y plantas domesticados, de 1868. Tres años después, en una misiva al botánico Joseph D. Hooker, planteó que la vida podría haberse originado en “una pequeña charca de agua templada que contuviera todo tipo de sales de fósforo y amonio, luz, calor, electricidad y carbono, en la cual un compuesto proteico se formara químicamente, quedando listo para sufrir cambios aún más complejos”.

Darwin desconocía la naturaleza del material genético, las leyes de la herencia, los mecanismos moleculares que operan en los seres vivos y la complejidad del mundo microbiano. Pero su enorme intuición le llevó a plantear las dos estrategias que en la actualidad utilizamos para investigar sobre el origen de la vida.

La primera de ellas parte de la química más simple -hoy pensamos que estaría activa hace ya unos 4.100 de millones de años (Ma), es decir, unos 450 Ma después de que se formara nuestro planeta- hasta llegar a esa forma especial de la materia que es capaz de auto-reproducirse y evolucionar -tal vez operativa hace 3.800 Ma-. Esta línea de trabajo prosiguió su camino científico con las hipótesis de Alexander Oparin y John Haldane durante la década de 1920, y cobró un impulso fundamental gracias al primer experimento de química prebiótica llevado a cabo por Stanley Miller en 1953.

Un viaje al pasado

Desde entonces, el origen de la vida es un tema de investigación abordable por la ciencia experimental. Así, en muchos laboratorios se trabaja sobre la síntesis de los monómeros biológicos (aminoácidos, azúcares, nucleótidos o lípidos simples) en condiciones abióticas, su polimerización hasta formar macromoléculas biológicas como proteínas y ácidos nucleicos (RNA y DNA), y la auto-organización de estas últimas para originar estructuras progresivamente más complejas.

La segunda aproximación consiste en viajar hacia el pasado por medio de la comparación de los genomas y metabolismos de los seres vivos actuales, asumiendo que las características que más organismos comparten han de ser las más antiguas. Utilizando esta lógica, ¿sería posible llegar hasta un antepasado común de todos los seres vivos que alguna vez se han desarrollado en nuestro planeta?

La respuesta es afirmativa, y de hecho su existencia fue demostrada por Carl Woese y colaboradores a partir de la década de 1970, gracias al análisis comparativo de determinados genes presentes en todas las especies conocidas. Así, más de un siglo después de ser propuesto por Darwin, se corroboraba que todos los organismos compartimos ese antepasado común, bautizado como “progenote” o LUCA -por las siglas en inglés de “Último Ancestro Común Universal”-. LUCA vivió en un período que podemos acotar entre los 3.800 y los 3.500 Ma, puesto que en rocas de hace 3.500 Ma ya se han hallado fósiles de microorganismos evolucionados.

Esta especie ocupa la parte más alta del tronco común del árbol de la vida, y a partir de ella se dividieron los tres grandes grupos de organismos: Bacteria, Archaea y Eukarya. Las bacterias y las arqueas, habitantes mayoritarios de nuestro planeta, son procariotas, seres vivos unicelulares que carecen de núcleo. Muchas bacterias son imprescindibles para que los eucariotas vivamos, pero hay otras que pueden causarnos enfermedades.

Entre las arqueas se encuentran la mayoría de los microorganismos que viven en los ambientes extremos de la Tierra. Por su parte, los eucariotas son seres vivos uni o pluricelulares cuyas células poseen orgánulos especializados y un núcleo celular diferenciado: protistas, plantas, hongos y animales. Entre estos últimos, nosotros. Nuestra especie no es sino una de las decenas de millones de ramas del árbol de la vida actual, y no estamos ni más ni menos evolucionados que las demás. Todas descendemos de LUCA.

Esa especie de la que todos somos herederos está, evidentemente, extinguida. Por tanto, no podemos estudiarla directamente. Aun así, es posible acotar muchas de las propiedades de LUCA comparando los organismos actuales a nivel molecular, y aplicando la lógica evolutiva. En primer lugar, era una especie unicelular y sin núcleo, quizá similar en complejidad a los procariotas actuales. Fue el resultado muy perfeccionado de una línea evolutiva que había combinado con éxito las tres características básicas para la vida tal como la conocemos: un material genético capaz de producir copias de sí mismo, un compartimento definido por una membrana lipídica, y un metabolismo para captar y transformar la materia y energía de su entorno.

De hecho, las redes metabólicas que funcionaban en LUCA eran básicamente las mismas que en cualquiera de los seres vivos actuales. Muchos científicos trabajamos con la hipótesis de que pudo existir una etapa anterior a LUCA, denominada ‘Mundo RNA', en la que tanto el archivo de la información genética como las actividades metabólicas básicas pudieron recaer en un único tipo de macromolécula: el RNA. En cualquier caso, en nuestro ancestro común ya se había fijado el flujo de información genética en el sentido DNA- RNA -proteína, lo que desde entonces ha caracterizado toda la vida celular.

Biología sintética

Se está estudiando cómo podría ser el genoma de LUCA, y tanto los análisis de los genomas bacterianos más cortos que se conocen como diversos modelos computacionales parecen mostrar que su número de genes estaría comprendido entre los 200 y los 1.000. Además, en el ámbito de la llamada “biología sintética” se está tratando de construir sistemas muy sencillos capaces de auto-reproducirse y evolucionar, sugiriendo así mecanismos quizá explorados por la naturaleza en su camino hacia LUCA.

Cada vez nos aproximamos más al primer antepasado en la genealogía de todas las especies. Entre las múltiples cuestiones que siguen abiertas sobre el origen de la vida están si el complejo proceso que llevó de la química prebiótica a LUCA tuvo lugar en ambientes calientes o fríos, y si las primeras células extraían la energía de las rocas, de la luz solar o de los compuestos orgánicos disponibles. Además, en la actualidad nos estamos preguntando algo aún más sugerente: si alguna vez encontramos seres vivos en Marte u otro cuerpo del sistema solar, ¿serán también descendientes de LUCA? Y, si la respuesta fuera afirmativa, ¿serán ellos quienes emigraron, o bien nuestro origen es extraterrestre?



"Mundo RNA"

Alfredo Berzal-Herranz

Instituto de Parasitología y Biomedicina López Neyra (CSIC). Granada

El RNA es la única molécula capaz de almacenar información genética y de catalizar las reacciones que permiten expresarla. Esto constituye uno de los pilares en los que se apoya la idea de un ‘Mundo RNA' como estadio evolutivo intermedio entre la química prebiótica y LUCA. Las investigaciones sobre RNAs demuestran la gran versatilidad funcional que encierra el ácido ribonucleico, colocándolo en el centro de los procesos esenciales para la vida, al tiempo que nos hablan de aquel mundo anterior a LUCA. Hoy se estudian RNAs ribosomales y RNAs de transferencia (responsables de la traducción del mensaje genético desde los ácidos nucleicos a las proteínas), ribozimas (RNAs con actividad catalítica), RNAs cortos que regulan la expresión génica, y entidades replicativas con genoma de RNA como viroides y virus RNA.


Las superficies en el origen de la vida

José Ángel Martín Gago

Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM, CSIC) y Centro de Astrobiología (CSIC-INTA). Madrid

Los primeros pasos hacia la vida en la Tierra se dieron en un planeta envuelto en procesos volcánicos, que recibía una gran cantidad de radiación y meteoritos del espacio exterior. En un momento dado, los gases de su atmósfera se convirtieron en moléculas más complejas. Así, la química prebiótica, la que operaba en la Tierra antes de que hubiese vida, produjo los componentes más sencillos de las bio-macromoléculas, como los aminoácidos o nucleótidos. Posteriormente tuvo que darse otro paso importante. Esas biomoléculas debieron unirse entre sí para formar compuestos poliméricos parecidos a nuestras proteínas o ácidos nucleicos: ¿cómo pudo darse esa transformación? Hoy pensamos que las superficies de ciertos metales o minerales pudieron facilitar ese proceso.


Hipertermófilos: de la fuente termal al laboratorio

José Berenguer

Centro de Biología Molecular Severo Ochoa (CSIC-UAM). Madrid

Los microorganismos más antiguos que aún sobreviven en la actualidad proceden de zonas del planeta en las que todavía reinan las condiciones de elevada temperatura en las que se asume que vivió el ancestro común a todos los seres vivos (LUCA). Estos microorganismos se denominan hipertermófilos, y están tan adaptados a su medio que muchos no pueden crecer a temperaturas inferiores a 60°C e incluso 70°C. En nuestro grupo de investigación estudiamos la biología y las aplicaciones de una bacteria hipertermófila (conocida con el revelador nombre de Thermus thermophilus) que forma parte de este grupo de “fósiles vivientes”. En un trabajo reciente hemos descrito la forma en la que estos organismos, aislados de fuentes termales sintetizan su envoltura externa. Para ello hemos empleado el truco de marcar su superficie de forma irreversible con compuestos fluorescentes sin alterar su capacidad de crecimiento, de manera que una vez reiniciado el proceso (a 70 °C) las zonas de nueva síntesis aparecen con baja fluorescencia en imágenes de secciones microscópicas. La información obtenida nos ha permitido demostrar que la síntesis sigue un patrón helicoidal a partir de un punto central de estas células, de manera que los extremos o polos celulares se mantienen intactos por generaciones. Nuestra extrapolación muestra que este modelo de crecimiento podría ser similar al que tuvo LUCA.


Células mínimas

Andrés Moya

Instituto Cavanilles de Biodiversidad y Biología Evolutiva. Universidad de Valencia

Durante la última década hemos asistido al prodigioso descubrimiento de bacterias con una dotación mínima de genes en sus genomas. Muchas de estas bacterias viven en simbiosis en el interior de células especializadas de los insectos. Las bacterias suministran algunos productos esenciales para los insectos, pero los insectos también suministran recursos abundantes y estables para las bacterias, lo que ha permitido que de forma natural hayan perdido multitud de genes que les eran necesarios a sus antepasados de vida libre, no simbióticos. Dependiendo del tipo de insecto en el que viven y el tiempo que llevan juntos, las pérdidas de genes, en tipo y número, no son iguales. Algunas bacterias todavía presentan genes suficientes como para garantizarles su estatus de organismo, mientras que otras han perdido tantos que ya no podemos decir que lo sean. El estudio comparado de la composición de genes de todas estas bacterias nos da pistas para determinar un número mínimo de genes necesarios para la vida, y con ello postular la posible dotación genética de LUCA.


¿Extraía LUCA energía de las rocas? Explorando en el subsuelo

Ricardo Amils

Centro de Biología Molecular Severo Ochoa (CSIC-UAM) y Centro de Astrobiología). Madrid

La investigación sobre microorganismos extremófilos (literalmente, “amantes de los extremos”) nos está dando mucha información acerca de la enorme capacidad de adaptación de la vida a diferentes parámetros físicoquímicos, entre ellos temperatura, presión, acidez, salinidad, contenido de agua o nivel de radiación. Como uno de los modelos más interesantes para la vida en los extremos (y quizá para el propio origen de la vida), en la actualidad estamos estudiando la geo-microbiología del subsuelo del Río Tinto (en la Faja Pirítica Ibérica), responsable de la acidez y concentración de metales existentes en sus aguas. Durante las perforaciones (hemos realizado dos pozos, de 340 m y 613 m de profundidad) hemos hallado signos inequívocos de la alteración microbiana de la pirita: sulfatos e ión férrico. El uso de diferentes metodologías permitirá identificar la biodiversidad existente en los distintos ecosistemas interceptados. Queremos verificar si en el subsuelo también aparece el tipo de metabolismo predominante en la vida bacteriana del río: la denominada “quimiolitoautotrofía”. Tal capacidad de obtener energía de las rocas es probablemente uno de los primeros sistemas metabólicos (frente a la fotosíntesis o la fermentación) que surgieron en nuestro planeta. Por tanto, quizá LUCA obtenía su energía de esta forma. Nuestro equipo de investigación está formado por microbiólogos, biólogos moleculares, paleontólogos, geólogos, químicos e ingenieros del Centro de Astrobiología y de la Universidad Autónoma de Madrid.


Compartimentos esenciales

Kepa Ruiz Mirazo

Universidad del País Vasco (UPV/EHU). San Sebastián

Los ácidos grasos, como otras moléculas anfifílicas (por ejemplo, los lípidos de nuestras membranas celulares), están constituidos por una cabeza polar, a la que le gusta estar en contacto con agua (es decir, hidrofílica), y una cola que lo odia (hidrofóbica). Esto hace que, en solución acuosa, este tipo de compuestos se organice espontáneamente en estructuras supra-moleculares, como algunas vesículas formadas por finas bicapas cerradas sobre sí mismas, cuya topología es asombrosamente parecida a la de una membrana celular. Vesículas similares podrían haber encapsulado las primeras reacciones metabólicas, junto a las primeras moléculas con capacidad replicativa, lo cual pudo suponer una de las transiciones más importantes en el camino hacia LUCA. El trabajo realizado por nuestro equipo en la Unidad de Biofísica (CSIC-UPV/EHU), en colaboración con el centro BioGUNE, con vesículas de ácido oleico (recientemente publicado en la revista Biophysical Journal), nos permite elaborar modelos sobre la formación de membranas proto-celulares y recrear las primeras condiciones en las que los compartimentos comenzaron a ser fundamentales para la vida.




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