Los biólogos crearon un sistema simbiótico que da una pista de cómo características como las mitocondrias y los cloroplastos podrían haber surgido hace mil millones de años
Por Ewen Callaway-Nature
Un equipo de científicos, utilizando una diminuta aguja hueca —y una bomba de bicicleta—, ha logrado implantar bacterias en una célula más grande, creando una relación que podría haber ayudado a desencadenar la evolución de la vida compleja.
La hazaña podría ayudar a los investigadores a comprender los orígenes de emparejamientos como los que dieron origen a los orgánulos especializados, siendo los más destacados las mitocondrias y los cloroplastos, que surgieron hace más de mil millones de años.
Las relaciones endosimbióticas (en las que un microbio convive en armonía con las células de otro organismo) se encuentran en numerosas formas de vida, incluidos los insectos y los hongos. Los científicos creen que las mitocondrias, los orgánulos responsables de la producción de energía de las células, evolucionaron cuando una bacteria se instaló en el interior de un antepasado de las células eucariotas. Los cloroplastos surgieron cuando un antepasado de las plantas se tragó un microorganismo fotosintético.
Determinar los factores que formaron y mantuvieron estos acoplamientos es difícil porque ocurrieron hace mucho tiempo. Para solucionar este problema, un equipo dirigido por la microbióloga Julia Vorholt, de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH Zúrich), ha pasado los últimos años diseñando endosimbiosis en el laboratorio. Su método utiliza una aguja de 500 a 1.000 nanómetros de ancho para perforar las células huésped y luego introducir las células bacterianas una a una.
Simbiosis en ciernes
Incluso con esta magia técnica, los emparejamientos iniciales tendían a fallar; por ejemplo, porque el simbionte potencial se dividía demasiado rápido y mataba a su anfitrión 2 . La suerte del equipo cambió cuando los investigadores recrearon una simbiosis natural que ocurre entre algunas cepas de un patógeno fúngico de plantas, Rhizopus microsporus , y la bacteria Mycetohabitans rhizoxinica , que produce una toxina que protege al hongo de la depredación.
Sin embargo, introducir células bacterianas en los hongos, que tienen paredes celulares gruesas que mantienen una alta presión interna, fue todo un desafío. Después de perforar la pared con la aguja, los investigadores utilizaron una bomba de bicicleta (y más tarde un compresor de aire) para mantener la presión suficiente para introducir las bacterias.
Tras superar el shock inicial de la cirugía, los hongos continuaron con sus ciclos vitales y produjeron esporas, de las cuales una fracción contenía bacterias. Cuando estas esporas germinaron, las bacterias también estaban presentes en las células de la siguiente generación de hongos. Esto demostró que la nueva endosimbiosis podía transmitirse a la descendencia, un hallazgo clave.
Bacterias que desaparecen
Pero el éxito de germinación de las esporas que contenían bacterias fue bajo. En una población mixta de esporas (algunas con bacterias y otras sin ellas), las que contenían bacterias desaparecieron después de dos generaciones. Para ver si se podían mejorar las relaciones, los investigadores utilizaron un clasificador de células fluorescente para seleccionar esporas que contenían bacterias (que habían sido etiquetadas con una proteína brillante) y propagaron solo estas esporas en futuras rondas de reproducción. Al cabo de diez generaciones, las esporas que contenían bacterias germinaron casi con la misma eficiencia que las que no las tenían.
La base de esta adaptación no está clara. La secuenciación del genoma identificó un puñado de mutaciones asociadas con un mayor éxito de germinación en el hongo (que era una cepa de R. microsporus que no se sabía que portara endosimbiontes de forma natural) y no encontró cambios en la bacteria.
El linaje que germinó con mayor eficiencia tendió a limitar la cantidad de bacterias en cada espora, dice el coautor del estudio Gabriel Giger, microbiólogo de la ETH de Zúrich. “Existen maneras para que estos dos socios lleven una vida mejor y más fácil juntos. Eso es algo que es realmente importante que entendamos”.
Sistema inmunológico de los hongos
Los investigadores no saben mucho sobre la genética de R. microsporus , pero Thomas Richards, biólogo evolutivo de la Universidad de Oxford, Reino Unido, se pregunta si el sistema inmunológico de los hongos está impidiendo la simbiosis y si las mutaciones de este sistema podrían estar facilitando las relaciones. «Soy un gran admirador de este trabajo», añade.
Eva Nowack, microbióloga de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf (Alemania), se sorprendió de la rapidez con la que parecían evolucionar las adaptaciones a la vida simbiótica. En el futuro, le encantaría ver qué sucede después de períodos de tiempo aún más largos; por ejemplo, más de 1000 generaciones.
La ingeniería de este tipo de simbiosis podría conducir al desarrollo de nuevos organismos con características útiles, como la capacidad de consumir dióxido de carbono o nitrógeno atmosférico, afirma Vorholt. “Esa es la idea: incorporar nuevas características que un organismo no posee y que serían difíciles de implementar de otra manera”.
