¿Cuál es la forma de vida más estable y fuerte de nuestro mundo? Las cucarachas son famosas por su vitalidad; muchas personas están convencidas de que incluso podrían sobrevivir a un apocalipsis nuclear. Los tardígrados u osos de agua son aún más resistentes. Incluso pueden sobrevivir en el espacio. Hay una alga viviendo en los manantiales agrios del Parque Nacional de Yellowstone. A su alrededor hay agua cáustica, aromatizada con arsénico y metales pesados. Para mantenerse con vida en este lugar mortal, utilizó un truco inesperado.
Cual es su secreto? Robo. Ella roba genes para sobrevivir de otras formas de vida. Y esta táctica es mucho más común de lo que uno podría pensar.
La mayoría de los seres vivos que viven en lugares extremos son organismos unicelulares: bacterias o arqueas. Estas formas de vida simples y antiguas no tienen una biología animal compleja, pero su simplicidad es una ventaja: se enfrentan mucho mejor a condiciones extremas.
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Durante miles de millones de años, se escondieron en los lugares más inhóspitos: bajo tierra, en el fondo del océano, en el permafrost o en aguas termales hirviendo. Han recorrido un largo camino, desarrollando sus genes durante millones o miles de millones de años, y ahora les ayudan a hacer frente a casi cualquier cosa.
Pero, ¿qué pasaría si otras criaturas más complejas pudieran aparecer y robar esos genes? Habrían logrado una hazaña evolutiva. De un solo golpe, habrían adquirido la genética que les permitió sobrevivir en lugares extremos. Llegarían allí sin pasar por los millones de años de tediosa y ardua evolución que generalmente se requiere para desarrollar estas habilidades.
Esto es exactamente lo que hizo el alga roja Galdieria sulphuraria. Se puede encontrar en manantiales de azufre caliente en Italia, Rusia, el Parque Yellowstone en los Estados Unidos e Islandia.
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Las temperaturas en estas aguas termales se elevan a 56 grados Celsius. Aunque algunas bacterias pueden vivir en piscinas a temperaturas de alrededor de 100 grados, y algunas pueden hacer frente a temperaturas de alrededor de 110 grados, cerca de manantiales de aguas profundas, es bastante notable que los eucariotas sean un grupo de formas de vida más complejas que incluyen animales y plantas (algas rojas - esta planta) - puede vivir a una temperatura de 56 grados.
La mayoría de las plantas y los animales no podrían soportar estas temperaturas y por una buena razón. El calor conduce a la destrucción de los enlaces químicos dentro de las proteínas, lo que conduce a su colapso. Esto tiene un efecto catastrófico sobre las enzimas que catalizan las reacciones químicas del cuerpo. Las membranas que rodean la célula comienzan a filtrarse. Al alcanzar una cierta temperatura, la membrana colapsa y la célula se desintegra.
Aún más impresionante, sin embargo, es la capacidad de las algas para tolerar un ambiente ácido. Algunas fuentes termales tienen valores de pH entre 0 y 1. Los iones de hidrógeno cargados positivamente, también conocidos como protones, hacen que una sustancia sea ácida. Estos protones cargados interfieren con las proteínas y enzimas dentro de las células, interrumpiendo reacciones químicas vitales para la vida.
Las temperaturas en estas aguas termales se elevan a 56 grados Celsius. Aunque algunas bacterias pueden vivir en piscinas a temperaturas de alrededor de 100 grados, y algunas pueden hacer frente a temperaturas de alrededor de 110 grados, cerca de manantiales de aguas profundas, es bastante notable que los eucariotas sean un grupo de formas de vida más complejas que incluyen animales y plantas (algas rojas - esta planta) - puede vivir a una temperatura de 56 grados.
La mayoría de las plantas y los animales no podrían soportar estas temperaturas y por una buena razón. El calor conduce a la destrucción de los enlaces químicos dentro de las proteínas, lo que conduce a su colapso. Esto tiene un efecto catastrófico sobre las enzimas que catalizan las reacciones químicas del cuerpo. Las membranas que rodean la célula comienzan a filtrarse. Al alcanzar una cierta temperatura, la membrana colapsa y la célula se desintegra.
Aún más impresionante, sin embargo, es la capacidad de las algas para tolerar un ambiente ácido. Algunas fuentes termales tienen valores de pH entre 0 y 1. Los iones de hidrógeno cargados positivamente, también conocidos como protones, hacen que una sustancia sea ácida. Estos protones cargados interfieren con las proteínas y enzimas dentro de las células, interrumpiendo reacciones químicas vitales para la vida.
Este fenómeno de transferencia de genes se conoce como "transferencia de genes horizontal". Normalmente, los genes de formas de vida se heredan de los padres. En los humanos, este es exactamente el caso: puedes rastrear tus características a lo largo de las ramas de tu árbol genealógico hasta las primeras personas.
Sin embargo, resulta que de vez en cuando se pueden incluir en el ADN genes "extraños" de especies completamente diferentes. Este proceso es común en bacterias. Algunos argumentan que esto ocurre incluso en humanos, aunque se discute.
Cuando el ADN de otra persona adquiere un nuevo propietario, no tiene por qué quedarse de brazos cruzados. En cambio, puede empezar a trabajar en la biología del huésped, animándola a crear nuevas proteínas. Esto puede darle al propietario nuevas habilidades y permitirle sobrevivir en nuevas situaciones. El organismo huésped puede emprender un camino evolutivo completamente nuevo.
En total, Schoinknecht identificó 75 genes robados de las algas, que tomó prestados de bacterias o arqueas. No todos los genes confieren claras ventajas evolutivas a las algas y se desconoce la función exacta de muchos genes. Pero muchos de ellos ayudan a Galdieria a sobrevivir en entornos extremos.
Su capacidad para lidiar con sustancias químicas tóxicas como el mercurio y el arsénico proviene de genes tomados de bacterias.
Uno de estos genes es responsable de la "bomba de arsénico" que permite que las algas eliminen eficazmente el arsénico de las células. Otros genes robados, entre otras cosas, permiten que las algas liberen metales tóxicos mientras extraen metales importantes del medio ambiente. Otros genes robados controlan las enzimas que permiten que las algas desintoxiquen metales como el mercurio.
Las algas también han robado los genes que les permiten soportar altas concentraciones de sal. En circunstancias normales, un ambiente salino succionará el agua de la célula y la matará. Pero al sintetizar compuestos dentro de la célula para igualar la "presión osmótica", Galdieria evita este destino.
Se cree que la capacidad de Galdieria para tolerar aguas termales extremadamente ácidas se debe a su impermeabilidad a los protones. En otras palabras, puede que simplemente esté evitando que el ácido ingrese a sus células. Para hacer esto, simplemente incluye menos genes que codifican canales en la membrana celular a través de los cuales pasan normalmente los protones. Estos canales generalmente permiten el paso de partículas cargadas positivamente, como el potasio, que las células necesitan, pero también permiten el paso de los protones.
"La adaptación a un pH bajo parece haberse logrado mediante la eliminación de cualquier proteína de transporte de membrana de la membrana plasmática que permitiría que los protones entren en la célula", dice Scheunknecht. “La mayoría de los eucariotas tienen múltiples canales de potasio en sus membranas plasmáticas, pero Galdieria solo tiene un gen que codifica un canal de potasio. Un canal más estrecho le permite hacer frente a una alta acidez ".
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No obstante, estos canales de potasio realizan un trabajo importante, absorben potasio o mantienen una diferencia de potencial entre la célula y su entorno. Aún no está claro cómo las algas se mantienen saludables sin los canales de potasio.
Además, nadie sabe cómo las algas se enfrentan a altas temperaturas. Los científicos no han podido identificar genes que expliquen esta característica particular de su biología.
Las bacterias y las arqueas, que pueden vivir a temperaturas muy altas, tienen un tipo de proteína y membranas completamente diferente, pero el alga ha sufrido cambios más sutiles, dice Scheunknecht. Sospecha que cambia el metabolismo de los lípidos de la membrana a diferentes aumentos de temperatura, pero aún no sabe exactamente cómo sucede esto y cómo le permite adaptarse al calor.
Está claro que copiar genes le da a Galdieria una gran ventaja evolutiva. Si bien la mayoría de las algas rojas unicelulares relacionadas con G. sulphuraria viven en áreas volcánicas y soportan calor y ácidos moderados, pocas de sus parientes pueden soportar tanto calor, ácido y toxicidad como G. sulphuraria. De hecho, en algunos lugares, esta especie representa hasta el 80-90% de la vida, lo que indica lo difícil que es para otra persona llamar suya la casa de G. sulphuraria.
Queda una pregunta más obvia e interesante: ¿cómo robaron las algas tantos genes?
Esta alga vive en un entorno que contiene muchas bacterias y arqueas, por lo que, en cierto sentido, tiene la capacidad de robar genes. Pero los científicos no saben exactamente cómo el ADN pasó de las bacterias a un organismo tan diferente. Para llegar con éxito al anfitrión, el ADN debe entrar primero en la célula y luego en el núcleo, y solo entonces incorporarse al genoma del anfitrión.
“Las mejores suposiciones en este momento son que los virus podrían transferir material genético de bacterias y arqueas a las algas. Pero esto es pura especulación”, dice Scheinknecht. “Quizás meterse en una jaula sea el paso más difícil. Una vez dentro de una célula, ingresar al núcleo e integrarse en el genoma puede no ser tan difícil.
La transferencia horizontal de genes a menudo ocurre en bacterias. Por eso tenemos problemas con la resistencia a los antibióticos. Una vez que aparece un gen resistente, se propaga rápidamente entre las bacterias. Sin embargo, se creía que el intercambio de genes ocurre con menos frecuencia en organismos más avanzados que en eucariotas. Se creía que las bacterias tienen sistemas especiales que les permiten aceptar ácidos nucleicos, como no lo hacen los eucariotas.
Sin embargo, ya se han encontrado otros ejemplos de criaturas avanzadas que roban genes para sobrevivir en condiciones extremas. El alga de las nieves Chloromonas brevispina, que vive en la nieve y el hielo de la Antártida, porta genes que probablemente se tomaron de bacterias, arqueas o incluso hongos.
Los cristales de hielo afilados pueden perforar y perforar las membranas celulares, por lo que las criaturas que viven en climas fríos deben encontrar una manera de combatir esto. Una forma es producir proteínas de unión al hielo (IBP), que se secretan en una célula que se adhiere al hielo, deteniendo el crecimiento de los cristales de hielo.
James Raymond, de la Universidad de Nevada en Las Vegas, cartografió el genoma del alga de la nieve y descubrió que los genes de las proteínas que unen el hielo eran notablemente similares en bacterias, arqueas y hongos, lo que sugiere que todos intercambiaron la capacidad de sobrevivir en condiciones frías durante la fase horizontal. transferencia de genes.
“Estos genes son esenciales para la supervivencia porque se han encontrado en todas las algas tolerantes al frío y en ninguna en condiciones cálidas”, dice Raymond.
Hay varios otros ejemplos de transferencia horizontal de genes en eucariotas. Los diminutos crustáceos que viven en el hielo marino antártico también parecen haber adquirido esta habilidad. Estos Stephos longipes pueden vivir en canales de sal líquida en el hielo.
"Las mediciones de campo han demostrado que C. longipes vive en salmueras sobreenfriadas en la superficie del hielo", dice Rainer Kiko, científico del Instituto de Ecología Polar de la Universidad de Kiel en Alemania. "Subenfriado significa que la temperatura de este líquido está por debajo del punto de congelación y depende de la salinidad".
Para sobrevivir y evitar la congelación, hay moléculas presentes en la sangre de S. longipes y otros fluidos corporales que bajan el punto de congelación para igualar el agua circundante. Al mismo tiempo, los crustáceos producen proteínas que no se congelan y evitan que se formen cristales de hielo en la sangre.
Se supone que esta proteína también se obtuvo mediante transferencia horizontal de genes.
La hermosa mariposa monarca también puede haber robado genes, pero esta vez de una avispa parásita.
La avispa brillante de la familia Braconid es conocida por introducir un huevo junto con un virus en un insecto huésped. El ADN del virus penetra en el cerebro del huésped, convirtiéndolo en un zombi, que luego actúa como incubadora del huevo de avispa. Los científicos han descubierto los genes de las dracónidas en las mariposas, incluso si estas mariposas nunca se han encontrado con las avispas. Se cree que hacen que las mariposas sean más resistentes a las enfermedades.
Los eucariotas no solo roban genes individuales. A veces, los robos son masivos.
Se cree que la vida marina de color verde brillante Elysia chlorotica adquirió la capacidad de fotosintetizar comiendo algas. Esta babosa de mar ingiere cloroplastos, orgánulos que realizan la fotosíntesis, y los almacena en las glándulas digestivas. Cuando se presiona y no hay algas para comer, la babosa de mar puede sobrevivir utilizando la energía de la luz solar para convertir el dióxido de carbono y el agua en alimento.
Un estudio muestra que las babosas marinas también toman genes de las algas. Los científicos insertan marcadores de ADN fluorescentes en el genoma de las algas para ver exactamente dónde estaban los genes. Después de alimentarse de algas, la babosa marina adquirió un gen para la regeneración del cloroplasto.
Al mismo tiempo, las células de nuestro cuerpo contienen pequeñas estructuras productoras de energía, mitocondrias, que son diferentes del resto de nuestras estructuras celulares. Las mitocondrias incluso tienen su propio ADN.
Existe la teoría de que las mitocondrias existían como formas de vida independientes hace miles de millones de años, pero luego de alguna manera comenzaron a incorporarse a las células de los primeros eucariotas; tal vez las mitocondrias se tragaron, pero no se digirieron. Se cree que este evento ocurrió hace unos 1.500 millones de años y fue un hito clave en la evolución de todas las formas de vida superiores, plantas y animales.
El robo genético puede ser una táctica evolutiva común. Después de todo, ella deja que otros hagan todo el trabajo duro por ti mientras tú cosechas los beneficios. Alternativamente, la transferencia horizontal de genes puede acelerar un proceso evolutivo que ya ha comenzado.
“Es poco probable que un organismo que no se ha adaptado al calor o al ácido pueble de repente las piscinas volcánicas simplemente porque tiene los genes que necesita”, dice Scheunknecht. "Pero la evolución es casi siempre un proceso paso a paso, y la transferencia horizontal de genes permite grandes avances".
ILYA KHEL
