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Quilo de Ciencia

El quilo, con “q” es el líquido formado en el duodeno (intestino delgado) por bilis, jugo pancreático y lípidos emulsionados resultado de la digestión de los alimentos ingeridos. En el podcast Quilo de Ciencia, realizado por el profesor Jorge Laborda, intentamos “digerir” para el oyente los kilos de ciencia que se generan cada semana y que se publican en las revistas especializadas de mayor impacto científico. Los temas son, por consiguiente variados, pero esperamos que siempre resulten interesantes, amenos, y, en todo caso, nunca indigestos.

Cruzando la frontera entre dominios de la vida.

Cruzando la frontera entre dominios de la vida - Quilo de ciencia - CienciaEs.com

Hace poco, hablaba de nuevos datos que apuntaban firmemente a la existencia de un ancestro universal, denominado LUCA, por sus siglas en inglés. LUCA podría ser la última población de organismos idénticos de la que derivaron los tres dominios de la vida: las bacterias y las arqueas, que son procariotas (células sin núcleo), y los eucariotas (células con núcleo).
Aunque el origen de los eucariotas parece provenir de la unión simbiótica de una bacteria con una arquea, mucho más oscura es la razón de la separación entre estas a partir de LUCA, sin la cual ninguna planta y animal eucariota existiría. Según las más recientes estimaciones, esta separación sucedió hace 3.500 millones de años, cerca de mil millones de años tras la aparición de LUCA.

La separación de LUCA en dos dominios independientes de la vida dista mucho de ser explicada y algunos misterios de los que está rodeada plantean preguntas fundamentales sobre la evolución y el origen de la vida. Uno de estos misterios es la llamada división lipídica entre bacterias y arqueas.

Los lípidos son componentes fundamentales de las células, de hecho, permiten la separación entre la vida y la no-vida. La vida transcurre gracias a los procesos bioquímicos que suceden en el interior de la membrana lipídica, mientras que todo lo que se encuentra fuera de esa membrana constituye el domino de lo no vivo. La generación de la energía química, en forma de la molécula de adenosín trifosfato (ATP), que posibilita los procesos metabólicos, tiene lugar también gracias a las membranas lipídicas. Estas funcionan, en este caso, a modo de presas hidráulicas para los iones de hidrógeno, y su paso a favor de gradiente a través de ellas es lo que proporciona la energía para mover los motores moleculares que fabrican el ATP.

Pues bien, los lípidos que constituyen las membranas de bacterias y de arqueas son muy diferentes, de ahí la separación lipídica. Las bacterias utilizan la misma clase de moléculas lipídicas que los eucariotas: los conocidos triglicéridos y fosfolípidos. Para ello, emplean una de las formas de la molécula de glicerol (también llamada glicerina) a la que unen ácidos grasos lineales (como los omega tres) mediante unos enlaces químicos de tipo éster. Las arqueas, en cambio, utilizan la otra forma de la molécula de glicerol a la que unen moléculas grasas atípicas, derivadas del isopreno, mediante enlaces éter, que son más resistentes. Lo sorprendente es que las dos formas diferentes, pero químicamente idénticas, del glicerol usadas por bacterias y arqueas son imágenes especulares la una de la otra. Se dice, por ello, que la molécula de glicerol es quiral, palabra que deriva del griego y que significa “mano”.

Experimentos con mano izquierda

No es conocido con certeza por qué los seres vivos han “escogido” en general una de las formas quirales de las moléculas fundamentales de la vida. Así, en todos los seres vivos los aminoácidos son de la variante L (izquierda), pero los azúcares son de la variante D (derecha). Podría ser al revés, pero es al derecho.

Sin embargo, bacterias y arqueas son diferentes en la molécula de glicerol que emplean para fabricar sus lípidos de la membrana. Las bacterias emplean la forma D, pero las arqueas emplean la forma L. Esto ha dejado patidifusos a los científicos que estudian la evolución molecular y el origen de la vida.

No es de extrañar, porque usar moléculas de una u otra quiralidad supone tener que haber generado en la evolución enzimas también de una u otra quiralidad. Si pretendo cubrir mi mano izquierda, necesito un guante izquierdo y, por muy guante que sea, el derecho no me sirve. En efecto, bacterias y arqueas cuentan con enzimas “guante” para la generación de lípidos a partir de su variante quiral concreta de glicerol, las cuales, atención, no están relacionadas genéticamente entre sí.

Lo anterior aumenta el misterio de su origen a partir de LUCA. Una hipótesis que se postuló para intentar explicarlo fue que LUCA contaba con todas las enzimas para generar lípidos con las dos moléculas de glicerol, la L y la D. Sin embargo, se comprobó en el laboratorio que la mezcla de lípidos quirales parece generar membranas inestables. Por ello, la hipótesis mantiene que finalmente LUCA generó bacterias y arqueas y cada una se llevó una de las variantes enzimáticas originales de LUCA para producir los lípidos, lo que condujo a la generación de membranas estables.

Aunque resulta difícil de comprender cómo LUCA pudo sobrevivir mil millones de años con membranas inestables, esta hipótesis resulta atractiva, pero es muy difícil de probar. No podemos viajar al pasado para comprobar si LUCA podía generar o no los dos tipos de lípidos. Sin embargo, gracias a las herramientas de la biología molecular, es posible generar ahora bacterias que también contengan los genes de las arqueas para que puedan así producir lípidos de las dos clases, y comprobar si estos microrganismos híbridos son capaces o no de crecer y sobrevivir.

Esto es lo que ha hecho un grupo de investigadores de la Universidad de Groningen, en Holanda. Los científicos introducen los genes de las arqueas para la generación de lípidos en la bacteria Escherichia coli y analizan la composición de sus membranas y la capacidad de crecer de este nuevo organismo híbrido.

Los investigadores encuentran que estas bacterias generan lípidos de ambas clases y forman membranas híbridas que no son más frágiles o inestables y que, de hecho, permiten a la bacteria crecer a la misma velocidad que las bacterias normales. Además, las bacterias híbridas son más resistentes, no menos, a la exposición a temperaturas elevadas e incluso a la congelación a 80ºC bajo cero.

Así pues, estos interesantes experimentos no apoyan la hipótesis de la inestabilidad de las membranas de LUCA como razón para la evolución de bacterias y arqueas, aunque indican que LUCA sí pudo tener membranas estables formadas por lípidos de ambas clases. Habrá que esperar a nuevos e ingeniosos experimentos para resolver este interesante misterio, lo cual es necesario si deseamos comprender uno de los aspectos más fundamentales de la evolución de la vida primigenia.

Referencia: Antonella Caforio et al. (2018). Converting Escherichia coli into an archaebacterium with a hybrid heterochiral membrane. www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1721604115

Más información en el Blog de Jorge Laborda.

Obras de divulgación de Jorge Laborda

Quilo de Ciencia Volumen I. Jorge Laborda
Quilo de Ciencia Volumen II. Jorge Laborda
Quilo de Ciencia Volumen III. Jorge Laborda
Quilo de Ciencia Volumen IV. Jorge Laborda
Quilo de Ciencia Volumen V. Jorge Laborda
Quilo de Ciencia Volumen VI. Jorge Laborda
Quilo de Ciencia Volumen VII. Jorge Laborda
Quilo de Ciencia Volumen VIII. Jorge Laborda

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