El “nitroplasto” de un alga marina convierte el nitrógeno del aire en una forma químicamente útil. Se trata del único cuarto ejemplo de la evolución de un orgánulo, lo que lo convierte en un descubrimiento impresionante.
Imagen del Braarudosphaera bigelowii con el nitroplasto (se indica con una punta de flecha).CORTESÍA: TYLER COALE
Las células complejas que constituyen la base de los animales y las plantas tienen una gran colección de lo que se denominan orgánulos: compartimentos rodeados de membranas que realizan funciones especializadas. Dos de ellos se formaron mediante un proceso llamado endosimbiosis, en el que un organismo que antes vivía libre se incorpora a una célula. Se trata de la mitocondria, donde una antigua bacteria se encarga ahora de convertir la energía química en formas útiles, y el cloroplasto, donde tiene lugar la fotosíntesis.
El hecho de que únicamente existan unos pocos casos de orgánulos que evolucionaron mediante endosimbiosis sugiere que se trata de un acontecimiento extremadamente raro. Sin embargo, los investigadores quizá hayan encontrado un nuevo caso en el que un orgánulo dedicado a fijar el nitrógeno de la atmósfera está en proceso de evolución. El orgánulo resultante, denominado nitroplasto, aún está en etapa de especialización.
El estudio es el primero en su tipo. Los hallazgos abren nuevas posibilidades para diseñar terapias de modulación en el sistema inmune.
Obtener el nitrógeno
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El nitrógeno es uno de los elementos centrales de la vida. Cada base de ADN, cada aminoácido de una proteína contiene al menos uno, y a menudo varios, átomos de nitrógeno. Pero a la vida le resulta extraordinariamente complejo conseguirlo. Las moléculas de gas nitrógeno (N2) tal vez sean bastante abundantes en nuestra atmósfera, pero son extremadamente difíciles de desintegrar. Las enzimas que lo hacen, llamadas nitrogenasas, solo se encuentran en las bacterias y no actúan en presencia del oxígeno. Otros organismos tienen que obtener el nitrógeno de su entorno, que es una de las razones por las que empleamos tanta energía para abastecer de fertilizantes nitrogenados a muchos cultivos.
Sin embargo, algunas plantas, sobre todo las leguminosas, son capaces de conseguir nitrógeno mediante una relación simbiótica con las bacterias. Estas plantas forman nódulos especializados que ofrecen un hábitat a las bacterias productoras de nitrógeno. Esta interacción es una forma de endosimbiosis, en la que los microbios se instalan en el interior del cuerpo o las células de un organismo, y cada organismo suele aportar las sustancias químicas que el otro necesita.
En casos más extremos, la endosimbiosis llega a ser obligatoria, sin que ninguno de los dos organismos logre sobrevivir sin el otro. En muchos insectos, los endosimbiontes (organismos que vive dentro del cuerpo o las células de otros organismos) se transmiten a la descendencia durante la producción de huevos, y los propios microbios suelen carecer de genes clave que les permitirían vivir de forma independiente.
Pero incluso estados como este se quedan cortos respecto a la situación de las mitocondrias y los cloroplastos. Estos orgánulos están completamente integrados en la célula, duplicándose y distribuyéndose cuando las células se dividen. También tienen genomas mínimos, ya que la mayoría de sus proteínas son fabricadas por la célula e importadas a los orgánulos. Este nivel de integración es producto de más de mil millones de años de evolución desde que se inició la relación endosimbiótica.
También parece un proceso complicado, debido a su aparente rareza. Además de las mitocondrias y los cloroplastos, solo existe un ejemplo confirmado de endosimbiosis más reciente entre células eucariotas y una especie bacteriana. Hay varios casos en los que algas eucariotas fueron incorporadas por otras células eucariotas. Como estas células tienen una genética compatible, esto ocurre con mayor frecuencia.
Por eso hallar otro caso es un planteamiento tan emocionante.
Eso no es un endosimbionte
El alga marina Braarudosphaera bigelowii parecía un caso interesante. Está claro que tiene una cianobacteria endosimbiótica viviendo en sus células, y había indicios de que la bacteria poseía un genoma compacto, lo que sugería que había perdido algunos genes. Pero, como no era posible cultivar el B. bigelowii, resultaba difícil evaluar el grado de integración de la bacteria con su huésped. Pero actualmente un extenso equipo internacional logró hacerla crecer en el laboratorio, lo que permite una descripción más detallada.
Descubrieron que una sola bacteria internalizada ocupa una zona específica dentro de la estructura de la célula, cerca de su parte posterior. Mediante el uso de isótopos como marcadores, comprobaron que el dióxido de carbono absorbido por el B. bigelowii se transfería a la bacteria. Al mismo tiempo, la célula también fijaba el nitrógeno. Dado que algunas especies de cianobacterias son capaces de fijar nitrógeno, es casi seguro que esto se debía al simbionte bacteriano. La fijación de nitrógeno únicamente se producía durante el día, lo que sugiere que la actividad estaba integrada en el metabolismo de la célula.
Otro indicio de la integración de la bacteria surgió cuando los investigadores examinaron la división celular. La bacteria se duplica al mismo tiempo que las mitocondrias de la célula, y una copia se deposita en cada una de las dos células hijas.
Los investigadores separaron las dos células y purificaron las proteínas de cada una. Descubrieron que cientos de proteínas fabricadas por las células de las algas acababan dentro de las bacterias, y que sus niveles variaban a lo largo del ciclo día/noche; había más durante las horas diurnas. Al comprobar los genes que codifican estas proteínas, los investigadores hallaron que todos compartían una secuencia común que los dirige a las bacterias y después se corta cuando la proteína es transportada al interior. Las mitocondrias y los cloroplastos recurren a sistemas similares.
La lista de proteínas detectadas en el interior de la bacteria demostró que contiene todo lo necesario para fijar el nitrógeno. Al mismo tiempo, carece de lo imprescindible para aprovechar el CO2 de la atmósfera como fuente de carbono, por lo que tiene que obtenerlo de la célula circundante.
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