Si uno mira una célula humana al microscopio, no parece compartir muchas características con una bacteria. Pero así como los lingüistas han podido establecer que todos los lenguajes humanos tienen un origen común, del mismo modo es evidente que toda la
vida celular tiene un origen común. El ancestro de toda la vida terrestre ha sido bautizado LUCA, sigla inglesa de Last Universal Common Ancestor (Último Ancestro Común Universal).
El hecho de que LUCA había existido se tornó obvio en los años 60, cuando el código genético fue descifrado y se lo demostró universal. A cuarenta años de la decodificación del ADN, los científicos intentan hoy reconstruir a LUCA, pero el retrato de este
remoto organismo se complica al descubrirse nuevas realidades en la historia evolutiva de la vida.
Toda la vida en nuestro planeta provino de LUCA, y a él debemos nuestra existencia misma.
Molécula de ARN, origen de la vida en la Tierra
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Sin embargo, LUCA no es el primer estadio de la evolución biológica. LUCA tenía ADN (el nuestro es descendiente del suyo), pero hoy está ampliamente aceptada la hipótesis de que antes de la aparición del ADN y las proteínas, hubo un período en el cual
el ARN cumplía las funciones que hoy encontramos en ellos.
A pesar de la multitud de dudas que nos asaltan cuando retrocedemos a este extremo en la historia evolutiva de la Tierra (unos 3.000 millones de años), podemos estar seguros de una cosa: cuando las células verdaderas aparecieron, llevaban incorporadas
recetas para fabricar ARN y proteínas. Estas recetas estaban encriptadas en una tercera molécula, nueva en aquel entonces: el ADN.
Uno de los que mejor han estudiado a LUCA y a los mecanismos por medio de los cuales el abuelo de toda la vida nos dio origen, es el médico neocelandés Anthony Poole, del Instituto de Biociencias Moleculares de la Universidad de Massey, Nueva Zelanda.
Poole tiene también un posgrado de Biología Molecular del Centro Allan Wilson de Ecología y Evolución Moleculares.
Y el estudio de LUCA no es ni ha sido fácil, ni para Poole ni para los demás. Poole explica su visión de la siguiente manera: "De la misma forma en que el hombre y los chimpancés tienen una historia común hasta que se separaron hace unos 10 millones de
años, igualmente todas las formas de vida modernas comparten una historia única hasta el momento en que la evolución las separó en los tres reinos: arquea, bacterias y eucariotas. Es decir: antes de ellos era LUCA".
Esta afirmación casi bíblica se justifica desde que Woese y Fox descubrieron, entre 1977 y 1990, que el reino que anteriormente llamábamos ´procariotas´ estaba en realidad compuesto por dos reinos verdaderos: ´arquea´ y ´bacterias´. Este descubrimiento
se encuentra hoy ampliamente apoyado por la evidencia, y se ha demostrado que los dos reinos intercambiaron una enorme cantidad de material genético en los primeros tiempos de la vida basada en el ADN.
Fuente hidrotermal en el Parque Nacional de Yellowstone, con varios biólogos capturando arqueas
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Los estudios recientes de mapeos de genomas completos de arqueas y bacterias respaldan la división de Woese en los dos grupos.
Pero el increíble descubrimiento de Woese se apoya en uno aún más sorprendente: toda vida almacena su información en el ADN, utilizando un código común, llamado "código genético". Estos datos están guardados en unidades discretas, los genes, verdaderas
"recetas moleculares" para producir ARN y proteínas. Los idiomas del ADN y del ARN son tan parecidos que un lingüista los llamaría "dialectos", pero ambos son notablemente diferentes del lenguaje de las proteínas.
Molécula de ADN humano
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Para ambos ácidos nucleicos, la parte que representa el soporte físico de la información son cuatro bases nitrogenadas, que pueden compararse con un alfabeto de cuatro letras (A, C, G y T en el caso del ADN). La comparación con un lenguaje es muy precisa,
porque estas bases se leen en forma lineal y secuencial, como líneas de texto, letra por letra.
El alfabeto conformado por las cuatro bases del ARN incluye a U en lugar de T (ACGU en vez de ACGT).
Así se combinan las bases: A siempre con T (o U) y viceversa; C siempre con G y viceversa
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Y nos vamos acercando al meollo de la cuestión: descubrir la base evolutiva de este reemplazo no es una ambición trivial, aunque el efecto es casi imperceptible. La diferencia puede compararse a la pronunciación argentina de la palabra "lluvia",
yubia.
Se pronuncia diferente, pero cualquier español sabrá lo que significa.
Poole recibió hace dos años y medio el grado de profesor asistente en el Departamento de Biología Molecular y Genética Funcional de la Universidad de Estocolmo, Suecia, y allí comenzó a profundizar sus investigaciones sobre las primeras etapas de la evolución,
las que ha centrado ahora en los orígenes del ADN y los de la célula eucariota.
En otras palabras, Poole quiere conocer a LUCA de una buena vez por todas.
La exhumación de los secretos del código genético, y la consecuente demostración de que toda la vida del planeta tiene un ancestro común no solamente nos ha mostrado que LUCA existió: también ha aplicado el golpe de gracia a las doctrinas religiosas, cuyas
teorías creacionistas han pasado a ser letra muerta desde el mismo momento en que se descubrió que la maquinaria de transcripción de una bacteria puede leer un gen humano y ponerse a trabajar en consecuencia. Esto es así porque sus genes y los nuestros
están escritos en el mismo idioma (ACGT) y así es como obtenemos nuestra insulina para los diabéticos. Esta pequeña pieza de evidencia, en la que se apoya la tecnología de transgenicidad, por ejemplo, demuestra por sí sola que LUCA existió.
¿Qué sabemos de él, en realidad?
La mera existencia del código genético nos dice que LUCA existió, pero no nos informa acerca de su naturaleza.
Los estudios de Poole y los otros que buscan a LUCA giran esencialmente en torno a dos preguntas fundamentales, a saber:
¿Cuáles son las características comunes a todas las formas de vida?
¿Qué fue exactamente lo que separó a arquea, bacterias y eucariontes en tres reinos?
Primer reino: colonia de arqueas
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Hoy en día, nuestra tecnología nos capacita para secuenciar todos los genes de un organismo cualquiera y catalogarlos en lo que llamamos un genoma. Por lo tanto, elucidar la naturaleza de LUCA no parecería en principio algo tan complicado.
La primera aproximación es, entonces, la comparación de todos los genes importantes de arquea, bacterias y eucariontes. Los que sean comunes a los tres reinos obviamente provienen de LUCA. Los que no lo sean, han sido agregados posteriormente. Si reunimos
todos los genes que se encuentran en los tres reinos, habremos "reconstruido" el genoma de LUCA.
Lamentablemente, esto no es tan simple. Y por dos razones.
Algunos genes han pasado de una especie a otra como nómades genéticos, confundiendo nuestra capacidad de distinguir aquellas características "luquianas" (es decir, universales). Hay muchísimos genes trashumantes.
Algunos de los genes que poseía LUCA pueden muy bien haber perdido vigencia y no ser ya universales. Esto significa que puede tornarse imposible distinguir los genes que hemos heredado de LUCA de los que han evolucionado
posteriormente, por ejemplo durante la etapa de diseño de los eucariotas.
Cazando arqueas: los biólogos arrojan portaobjetos en el agua hirviente; las células de arquea quedan adheridas a ellos
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Para peor, no hay dos investigadores en el mundo que tengan la misma idea acerca de lo que debió ser LUCA o de qué aspecto tuvo. Esto no debe sorprender a nadie: al fin y al cabo estamos hablando de un asunto difícil, como es reconstruir a un organismo
que vivió hace miles de millones de años.
Dice Poole a propósito de esto: "Es cierto que uno de los métodos de aproximación a la tarea de descubrir la biología de LUCA ha sido buscar genes universales, es decir, genes que existen en todas las formas de vida del planeta". Una vez que tengamos esa
lista, empero, puede ser que solamente hayamos aislado la esencia de la vida celular y nada más. Dicho en otras palabras: puede que tuviésemos en las manos el grupo mínimo e imprescindible de genes para que exista la vida celular, pero es posible
que ese grupo de genes esté muy lejos de lo que fue el genoma de LUCA.
Todos estaban buscando el ADN de LUCA. Sin embargo, los científicos Arcady Mushegian y Eugene Koonin lo intentaron en 1996, provistos de los mapeos genéticos completos de dos bacterias: Mycoplasma genitalium y Haemophilus influenziae. Los
genes "universales" a estas dos especies tenían dos características sorprendentes:
Por empezar, se trataba sólo de 256 genes.
Segundo, pero no menos importante, no había entre ellos ni uno solo que sirviera para sintetizar ADN ni para producir maquinaria biosintética.
Para muchos científicos, la conclusión fue una y evidente: LUCA no almacenaba su información en ADN sino en ARN.
Mushegian y Koonin insistieron con sus investigaciones, tratando de reducir aún más esta lista de genes "fundacionales". Cuando aparecieron las técnicas comparativas de genomas, no quedó duda de que un buen número de los 256 genes podían rastrearse sin
problemas hacia atrás hasta llegar a LUCA. Sin embargo, el trabajo fue muy criticado porque no incluía genes capaces de producir ADN. ¿Cómo habían evolucionado los genes modernos, entonces? ¿Por creación?
Segundo reino: una bacteria
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Poole sabe que no, y nos lo explica: "Las dos bacterias utilizadas en esos estudios son parásitos humanos, y parece muy probable que hayan abandonado por el camino gran parte de su maquinaria para producir su propio ADN, ya que la podían robar de su huéeped
(nosotros). En verdad, ¿para qué hacer el esfuerzo de producir algo cuando ese algo está ahí, esperando a que lo robes?".
El trabajo original del Dr. Poole, publicado en ActionBioScience, explica que, si bien el autor cree que LUCA utilizaba ADN, la investigación se ha encontrado con otros problemas, lo tuviese o no. Dice: "La falta de ADN en el trabajo de Mushegian y Koonin
mostró otra complicación, un problema aún mayor en el asunto del genoma mínimo. Los genomas que usted use posiblemente afecten o condicionen el resultado final". En otras palabras: si las dos especies utilizadas no hubiesen sido parásitas, ¿hubiésemos
encontrado en el "juego mínimo común" algunos genes para sintetizar ADN?
Poole considera que el tema entraña un problema, porque nos lleva a preguntas como:
¿Cuántos genomas hay que comparar para asegurarnos de que no nos estamos olvidando de nada?
El método de vida del organismo (fotosintético, predador, parásito) puede afectar el resultado final. Acaso el "genoma mínimo y universal" de Mushegian y Koonin no sea más que un "genoma mínimo para bacterias parásitas
del ser humano" y tenga poco que ver con lo que necesitaba una célula libre y autosuficiente hace 3 mil millones de años (por no hablar de LUCA).
Las pérdidas de genes también pueden conducir a error. Si un gen en efecto estaba en LUCA, pero hoy en día sólo uno de los tres reinos lo conserva, entonces quedará fuera de nuestra lista de "genes universales" y
por supuesto, fuera de nuestro "genoma de LUCA".
La transferencia "horizontal" de genes, es decir, el proceso mediante el cual uno o más genes abandonan a una especie y son transferidos a otra, puede llevar a nuevos errores. Los tenemos como luquianos porque son
comunes a todos, pero a algunos de esos "todos" pueden haber llegado recientemente.
A pesar de sus grandes y evidentes limitaciones, el concepto del genoma mínimo posiblemente sea el único método para aproximarnos a la lista central de genes que han formado parte del patrimonio de LUCA. Es también el único marco útil de que disponemos
actualmente. Algunos científicos creen incluso que si la transferencia de genes en verdad fue un fenómeno tan extendido como parece haber sido, entonces cualquier método para aislar los genes originales puede ser inútil.
Un trabajo de Koonin recientemente publicado lista un grupo de genes mínimos. Esta vez, en vez de comparar los genomas de dos especies lo ha hecho con 21. Sorprendentemente, de los 256 genes de la primera lista, sólo 81 han llegado a la segunda. La nueva
lista de Koonin no sólo es claramente escasa para formar el genoma de LUCA, sino que es también insuficiente para que una célula cualquiera llegue siquiera a funcionar.
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Ejemplo de transversalidad: plásmido (trozo de ADN circular) de pollo con genes de conejo "infiltrados"
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Aunque determinar qué genes se encontraban en LUCA es muy difícil, los varios intentos llevados a cabo sobre este tema son un muy buen punto de partida, y han servido para desnudar importantes problemas con los que deberemos vérnoslas al explorar el campo
de la "biología luquiana".
Como demuestran los trabajos sobre el genoma mínimo, las preguntas centrales son:
¿Cuánto subestiman al mapa genético de LUCA los trabajos sobre características universales?
¿Cuánto intercambio genético se ha producido durante la evolución de los seres vivos, desde LUCA hasta hoy?
El "número mágico" de características universales necesarias parece fluctuar, y ha habido muchas y muy bien fundadas críticas acerca de los métodos utilizados para reconstruir a LUCA. Sin perjuicio de ello, las características universales son muy importantes
porque describen un límite base a partir del cual construir nuestro organismo. Desde ellas, todos los intentos convergen y se ponen de acuerdo en el hecho de que LUCA fue un organismo bastante complejo. Algunos de los huecos en el conocimiento necesario
para ver el rostro de LUCA serán relativamente fáciles de llenar, pero otros pueden llegar a ser casi imposibles de resolver.
Los "lucabiólogos" son conscientes de que las características universales pueden subestimar grandemente la complejidad de LUCA, pero hay aún otra preocupación candente: la transeferencia horizontal. Si los genes que se transfieren son muy numerosos, el
"árbol de la vida" se parece más a una "red de la vida", y puede no ser posible distinguir las ramas.
Además, si los genes son altamente móviles, los genes verdaderamente "universales" (o sea, luquianos de origen) no podrán ser diferenciados de aquellos que tienen más éxito para transferirse de una especia a otra. ¿Cuál de los dos tipos estaremos contabilizando?
El problema de la transferencia de genes fue estudiado en profundidad: en 1998, Jeffrey Lawrence y Howard Ochman compararon los genomas de dos bacterias comunes, Escherichia coli y Salmonella. Las conclusiones fueron interesantes. Las dos
especies se separaron hace 100 millones de años a partir de un antepasado común, pero sus genomas se formaron de manera muy distinta, porque sufrieron no menos de 200 aportes de genes ajenos a ellas mediante el proceso de transferencia horizontal. ¡Eso
representa el 10% del genoma de cada una!
Tercer reino: célula eucarionte
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Nuestra dificultad para reconstruir árboles filogenéticos ha sido muy bien descripta por William Martin, quien afirma que cuanto más atrás vayamos en la divergencia evolutiva, mayor es la probabilidad de que un gen actual haya sido transferido de otra
especie. En segundo lugar: muy bien puede ser que todos los genes que componen los genomas bacterianos hayan sido transferidos de otras especies en uno u otro punto de la evolución de cada especie. Y por último, la transferencia genética puede dinamitar
completamente nuestra confianza en la reconstrucción filogenética, especialmente en casos que se remontan a mucho tiempo atrás. LUCA cae precisamente en esta categoría.
Hoy día hay muchísimas discusiones acerca de si la transferencia juega un papel tan importante que los árboles evolutivos se conviertan en imposibles de reconstruir, o si, en el caso contrario, los niveles de transferencia son despreciables. Ambas posiciones
extremas tienen sus abogados y defensores, y lo irónico es que, cuando se trata de LUCA, las dos posturas utilizan los trabajos de Carl Woese para justificarse.
El árbol filogenético, con LUCA cerca de la raíz
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Los que creen que la teoría de Woese de los tres reinos es correcta, han arguído que los niveles de transferencia fueron pequeños e insignificantes, aunque Woese mismo postula que en los primeros tiempos de la evolución la transferencia horizontal jugó
un papel evolutivo mucho más importante que la herencia (o transferencia vertical).
Por más que pueda parecer que Woese no es coherente, no hay que olvidar que sus afirmaciones se limitan a los primeros días de la evolución de la vida en la Tierra. La preocupación es que LUCA fuese totipotencial (como un huevo fertilizado, que puede generar
músculo, neuronas, células óseas, etc.), lo que lo convertiría en la fuente última de la diversidad biológica de nuestro planeta.
Por el contrario, si todos los genes se mueven horizontalmente todo el tiempo, es posible que LUCA no fuese totipotencial como un óvulo fecundado. Sin embargo, así nos lo parecería, porque muchas características que se han transmitido horizontalmente nos
parecerán universales y transmitidas por herencia de generación en generación.
Los resultados de los estudios sobre las dos bacterias pueden falsearse por completo si las proyectamos un par de miles de millones de años en el pasado. ¿Y si el mecanismo original era horizontal, aunque hoy la mayoría de los genes se heredan de arriba
abajo? Woese desarrolló esta idea: si los genes primigenios eran completamente libres de migrar de una especie a otra, entonces no existían distintos linajes. En verdad, ni siquiera podríamos distinguir distintas especies en aquellos días, porque
los mismos genes se mudaban de una a otra como si tal cosa.
Una mitocondria, responsable de muchos casos de transferencia horizontal
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A medida que la complejidad de los organismos aumentaba, y a que la precisión de las funciones de los genes se hacía cada vez mayor, los genes comenzaron a hacerse interdependientes unos de otros, y la transferencia horizontal dejó paso a la herencia vertical.
Un gen no podía simplemente irse a otra especie, porque dependía de otros genes a los que no podía dejar atrás, y otros más dependían de él.
¿Cómo fue quedando fijado el patrimonio genético de cada especie? Woese afirma que lo primero que quedó "establecido" (en genética, "cristalizado") fue el proceso de traducción, por el que la información guardada en el ARN codifica a una proteína. Las
demás funciones celulares cristalizaron más tarde. Los tres reinos surgieron en forma independiente unos de otros de este sistema dominado por la transversalidad.
Sin embargo, quedan otros asuntos por aclarar:
No es fácil reunir las evidencias que soporten esta teoría, por la simple razón de que no hay una manera cierta de probar que la transferencia horizontal existió antes que la herencia.
El trabajo de Koonin produjo un conjunto mínimo de genes que cada vez se reduce más, y que evidentemente no podría haber dado vida a un LUCA totipotencial.
Nos queda también por averiguar cómo pasó la Tierra de una transferencia horizontal a la herencia genética. ¿Cuántos y cuáles genes fueron capaces de tomar parte de la horizontalidad universal antes de quedar cristalizados
y por lo tanto incapaces de migrar? El sistema transversal ¿fue de verdad lo suficientemente complejo como para producir los tres linajes (arqueas, bacterias, eucariontes) como grupos totalmente independientes?
Poole opina que la transferencia será un punto álgido en la discusión de este problema, y que se transformará en un escollo que confundirá durante mucho tiempo a quienes intentan reconstruir a LUCA. El asunto es muy complejo:
La transferencia horizontal está demostrada, por ejemplo en el desarrollo de la resistencia a los antibióticos.
Los métodos para reconstruir árboles evolutivos son limitados, y pueden entregar evidencia falsa de transferencias horizontales que en realidad no existieron.
Para estudiar relaciones genéticas se utilizan métodos que no incluyen el análisis de la información evolutiva. En muchos casos, los datos se utilizaron para argumentar que la transferencia horizontal era muy poco
notable.
La fiabilidad de los métodos para determinar si hubo o no transferencia horizontal goza hoy de muy poco consenso entre los científicos.
No sabemos bien qué datos se necesitan para comprobar una transferencia horizontal.
Si tomamos en cuenta la selección natural, probablemente la mayoría de las transferencias horizontales resultarán en la eliminación del gen transferido. Un organismo bien adaptado gracias a la selección natural,
necesita un gen nuevo como un pescado precisa una bicicleta (analogía de Anthony Poole). Ejemplo: los genes de la resistencia al antibiótico no se extenderán, a menos que el organismo sea atacado por ese antibiótico específico. ¿Para qué migrar los genes
en un ambiente donde no hay antibiótico? Muy a menudo los investigadores ignoran esta última circunstancia, y casi no se han hecho esfuerzos por establecer un patrón de referencia, como por ejemplo: "¿Presentan todos los genes igual tendencia al nomadismo?".
Entonces, la pregunta es: ¿Cómo deben tratar los luquiólogos a la transferencia horizontal?
Si aceptamos que hay o ha habido un furioso y masivo intercambio horizontal de genes entre los tres reinos, tenemos que aceptar que nuestras herramientas actuales para observar el pasado de los árboles evolutivos
ya no son válidas, lo que significa que debemos darnos por vencidos en la investigación de LUCA. Sabemos que la transferencia horizontal nos ha presentado casos bien demostrados, pero este caso extremo aún no está comprobado.
Si tomamos como punto de partida el caso extremo opuesto, es decir, que el efecto horizontal ha sido despreciable, estamos en una posición mucho mejor. Todavía tenemos nuestras herramientas en su sitio, todas funcionan
bien, y cualquier sugerencia de transversalidad tendrá que venir apoyada por evidencias inatacables.
No hay duda de que se puede atacar desde una postura intermedia, pero en medio de la lucha acerca de la transferencia horizontal, muchos investigadores hicieron uso de genomas completos y llegaron a la conclusión de que la horizontalidad tuvo un efecto
mínimo sobre nuestra capacidad de reconstruir árboles evolutivos. Estos resultados sugieren que sería posible reconstruir el árbol de la vida y, por último, llegar a la conclusión de que la estructura del árbol (tres reinos) está apoyada por las estructuras
de los genomas completos de los organismos que lo componen. El primero que pensó en esto ha sido, por supuesto, Woese.
SEGUNDA PARTE
Más datos:
(Traducido, adaptado y ampliado por Marcelo Dos Santos de ActionBioScience y de otros sitios de Internet)
