Imagen. / TYLER COAL

Es hora de darle la bienvenida al club de seres vivos a un nuevo tipo de célula que puede recolectar nitrógeno de la atmósfera.

Hasta ahora, las únicas formas de vida que se pensaba que extraían nitrógeno del aire y lo convertían en una forma biológicamente útil eran las bacterias y las arqueas. Pero el descubrimiento de una fábrica especial de amoníaco dentro de un alga oceánica unicelular añade a la lista los eucariotas (organismos con estructuras unidas a membranas llamadas orgánulos), informan los investigadores en la revista Science del 12 de abril. 

Esa fábrica, dicen los científicos, fue una vez una bacteria que comenzó a vivir dentro del alga hace unos 100 millones de años y desde entonces ha evolucionado hasta convertirse en una máquina recolectora de nitrógeno para su huésped. Alguna vez fue un simbionte y ahora es uno de los muchos orgánulos de la célula.

La fijación de nitrógeno, donde el gas nitrógeno atmosférico se convierte en amoníaco, es un proceso importante para la vida (SN: 28/04/17). Los organismos requieren acceso a compuestos que contienen nitrógeno para sintetizar productos bioquímicos esenciales. Las bacterias y arqueas que tienen esta capacidad a menudo refinan el gas en el suelo o en ambientes acuáticos como el océano. 

Una de esas bacterias, denominada UCYN-A, está ampliamente distribuida en los océanos del mundo y es importante para la fijación de nitrógeno oceánico, dice el ecólogo marino Jonathan Zehr de la Universidad de California, Santa Cruz. También se sabe que estas bacterias son simbiontes que viven dentro del alga unicelular Braarudosphaera bigelowii y sus parientes.

Sin embargo, la línea entre simbionte y orgánulo puede ser confusa. Zehr y sus colegas se propusieron comprender mejor dónde se ubica UCYN-A en ese espectro.

Utilizando imágenes de rayos X, el equipo descubrió por primera vez que cuando las células de las algas se dividen, todos sus orgánulos se organizan en una línea y se turnan para dividirse en una secuencia bien definida. "Este simbionte participa en esa secuencia", dice el biólogo marino Tyler Coale, también de UC Santa Cruz. "De alguna manera se trata de recibir la señal para dividirse justo a tiempo con los otros orgánulos".

Los investigadores descubrieron que los nitroplastos se organizan y dividen como cualquier otro orgánulo de la célula de alga. Aquí se muestra una serie de imágenes de tomografía de rayos X suaves que ilustran la división de células y orgánulos en la célula del alga huésped (progresando de izquierda a derecha). El violeta claro son los cloroplastos, el violeta oscuro es el núcleo de las células de las algas, el verde son las mitocondrias y el cian es el nitroplasto. VALENTINA LOCONTE

A continuación, los investigadores analizaron los conjuntos completos de instrucciones genéticas y proteínas (los genomas y proteomas) elaborados por las algas y los simbiontes UCYN-A. "Aproximadamente la mitad de las proteínas que están físicamente presentes dentro de este simbionte se derivan del genoma del huésped", dice Coale. Estas proteínas suplementarias parecen llenar vacíos en las vías metabólicas cruciales de la bacteria, lo que sugiere que depende de las proteínas de las células de las algas para funcionar.

Además, muchas de las proteínas bacterianas albergan cadenas de aminoácidos especiales. El biólogo molecular John Archibald, que no participó en el trabajo, los describe como “sellos postales” para el tráfico de proteínas dentro de la célula. Existe un sistema similar para enrutar proteínas codificadas por el genoma de la célula huésped hacia mitocondrias y cloroplastos, orgánulos que se cree que evolucionaron a partir de microbios simbióticos (SN: 5/11/18).

"Los datos muestran claramente que las dos células han estado coevolucionando durante algún tiempo", afirma Archibald, de la Universidad Dalhousie en Halifax, Nueva Escocia.

Los investigadores sostienen que todas estas características muestran que UCYN-A no es simplemente un simbionte sino que ha evolucionado hasta convertirse en un orgánulo: el nitroplasto.

"La importación de proteínas es realmente la prueba irrefutable", afirma Oliver Caspari, biólogo molecular de la Universidad de Bonn, en Alemania, que no participó en el estudio. Esa importación implica un grado de interdependencia que caracteriza a la bacteria como un orgánulo, dice.

El nitroplasto es uno de los cuatro casos conocidos de microbios simbióticos que evolucionaron hasta convertirse en engranajes de la maquinaria celular de un huésped. En particular, los cloroplastos y las mitocondrias evolucionaron a partir de simbiontes microbianos hace aproximadamente 2 mil millones de años. Investigaciones anteriores sobre la historia evolutiva de UCYN-A mostraron que su relación con las algas es mucho más reciente: alrededor de 100 millones de años.

Eso significa que los nitroplastos pueden proporcionar una instantánea de cómo las mitocondrias y los cloroplastos evolucionaron hasta convertirse en orgánulos (SN : 5/11/18). Los investigadores han pensado durante mucho tiempo que este proceso implicaba que genomas simbiontes migraran al genoma nuclear del huésped, pero no parece haber evidencia de esto en el nitroplasto, dice Coale. En cambio, el genoma del huésped puede sustentar al simbionte hasta el punto de que el propio genoma del simbionte se desvanezca.

"Si se atacan genes y sus proteínas se importan a estos orgánulos, entonces sus genomas pueden perder esos genes", dice Coale. "Tal vez este sea el mecanismo mediante el cual se domestican los simbiontes".

CITAS

TH Coale y col. "Organelo fijador de nitrógeno en un alga marina". Ciencia . vol. 384, 12 de abril de 2024, pág. 217. doi: 10.1126/science.adk1075.

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Science News

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