«Enlace perdido». Investigadores arrojan luz sobre los orígenes de formas de vida complejas

La tomografía crioelectrónica ha proporcionado información sobre la estructura celular del archaeon asgardiano recientemente desarrollado, que se muestra aquí. Los filamentos extensos del citoesqueleto de actina (naranja) en los cuerpos celulares y las protuberancias celulares son notables, al igual que la envoltura celular única (azul). Crédito: © Margot Riggi, The Animation Lab, Universidad de Utah

Investigadores de la Universidad de Viena y ETH Zurich están desarrollando el microorganismo «eslabón perdido».

¿Qué condujo a la aparición de organismos complejos en la Tierra? Es una importante pregunta sin respuesta en biología. Investigadores del equipo de Christa Schlepper Universidad de Viena y el equipo de Martin Pilhofer j Zúrich ETH han dado un paso hacia su solución. Los científicos lograron desarrollar un archaeon especial y caracterizarlo con mayor precisión utilizando métodos microscópicos.

Este miembro de las arqueas asgardianas exhibe características celulares únicas y puede representar un «eslabón perdido» evolutivo para formas de vida más complejas, como animales y plantas. El estudio fue publicado recientemente en la revista Naturaleza.

Todas las formas de vida en la Tierra se dividen en tres dominios principales: eucariotas, bacterias y arqueas. Los eucariotas incluyen grupos de animales, plantas y hongos. Sus células suelen ser mucho más grandes y, a primera vista, más complejas que las de las bacterias y las arqueas. El material genético de los eucariotas, por ejemplo, está empaquetado en el núcleo celular y las células también tienen muchos otros compartimentos. La forma celular y el transporte dentro de la célula eucariota también dependen de un citoesqueleto extenso. Pero, ¿cómo se produjo el salto evolutivo hacia células eucariotas tan complejas?

Actualmente, una de las teorías evolutivas más populares sugiere que los eucariotas (incluidos animales, plantas y hongos) evolucionaron a partir de la fusión de un arqueón asgardiano con una bacteria. Crédito: © Florian Wollweber, ETH Zürich

La mayoría de los modelos actuales asumen que las arqueas y las bacterias desempeñaron un papel central en la evolución de los eucariotas. Se cree que la célula eucariota primordial evolucionó a partir de una estrecha simbiosis entre arqueas y bacterias hace unos dos mil millones de años. En 2015, los estudios genómicos de muestras de aguas profundas identificaron un grupo de las llamadas arqueas de Asgard que representan a los parientes más cercanos de los eucariotas en el árbol de la vida. Las primeras imágenes de células de Asgard fueron publicadas en 2020 por un grupo japonés de cultivos de enriquecimiento.

Arqueas de Asgard cultivadas a partir de sedimentos marinos

El grupo de trabajo de Christa Schlepper en la Universidad de Viena ahora ha logrado por primera vez desarrollar un representante de este grupo en concentraciones más altas. Proviene de sedimentos marinos en la costa de Piran en Eslovenia, pero también es residente de Viena, por ejemplo, en sedimentos costeros del Danubio. Debido al crecimiento de alta densidad celular, este representante se puede estudiar particularmente bien. «Fue muy difícil y llevó mucho tiempo obtener este organismo extremadamente sensible en un cultivo estable en el laboratorio», dijo Tiago Rodríguez-Oliveira, postdoctorado del Grupo de Trabajo Archaea de la Universidad de Viena y uno de los primeros autores del estudio. estudiar.

Rafael Ponce, primer autor del muestreo de sedimentos marinos en el Canal Seka en Piran, Eslovenia. Crédito: © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Viena

Las arqueas de Asgard tienen una forma celular compleja con un citoesqueleto extenso

El notable éxito del grupo de Viena en el cultivo de un representante altamente enriquecido de Asgard finalmente permitió un estudio más detallado de las células bajo el microscopio. Los investigadores de ETH en el grupo de Martin Pilhofer utilizaron un microscopio crioelectrónico de última generación para fotografiar células congeladas. «Este método permite una vista tridimensional de las estructuras celulares internas», explica Pilhofer.

Micrografía electrónica de barrido de una célula de Lokiarchaeum ossiferum que muestra protuberancias celulares largas y complejas. Crédito: © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Viena

“Las células consisten en cuerpos celulares redondos con células delgadas, a veces muy largas. Estas estructuras similares a tentáculos a veces incluso parecen conectar diferentes cuerpos celulares», dice Florian Wolweber, quien pasó meses observando las células bajo un microscopio. Las células también contienen una extensa red de filamentos de actina, que se cree que es exclusivo de las células eucariotas. Esto sugiere que las estructuras del citoesqueleto a gran escala surgieron en las arqueas antes de que aparecieran los primeros eucariotas y avanza las teorías evolutivas en torno a este evento importante y espectacular en la historia de la vida.

Perspectivas futuras a través de un nuevo organismo modelo

«Nuestro nuevo organismo, llamado Lokiarchaeum ossiferum, tiene un gran potencial para proporcionar nuevos conocimientos innovadores sobre la evolución temprana de los eucariotas», comenta la microbióloga Christa Schlepper. «Tomó seis largos años lograr una cultura estable y altamente enriquecida, pero ahora podemos usar esta experiencia para realizar muchos estudios bioquímicos y cultivar otras arqueas asgardianas». Además, los científicos ahora pueden usar nuevas técnicas de imagen desarrolladas en ETH, por ejemplo, para estudiar las interacciones cercanas entre las arqueas de Asgard y sus contrapartes bacterianas. Los procesos biológicos celulares básicos, como la división celular, también se pueden estudiar más a fondo para arrojar luz sobre los orígenes evolutivos de estos mecanismos en eucariotas.

Referencia. «El Citoesqueleto de Actina y la Arquitectura Celular Compleja en el Arqueón Asgardiano» por Tiago Rodríguez-Oliveira, Florian Wohlweber, Rafael I. Ponce-Toledo, Jingwei Xu, Simon K.-M.R. Rittmann, Andreas Klingle, Martin Pilhofer, Christa Schle. diciembre 2022, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-022-05550-y