Hijos de Loki

El superfilo arqueano de Asgard

En la mitología escandinava Loki es el señor del caos. Es astuto y siempre intenta engañar o hacer daño a los otros dioses, aunque sus fechorías generalmente tienen arreglo - por ejemplo, le cortó las trenzas a Sif, la esposa de Thor, pero éste obligó a Loki a que las sustituyera por cabellos de oro trenzados por nibelungos. Pues bien, parece que el dios escandinavo está haciendo de las suyas en el terreno de la taxonomía bacteriana, y podría decirse que incluso ha hecho acto de presencia.

Ya hemos comentado en el blog que el llamado árbol de la vida está en constante revisión gracias a los numerosos estudios metagenómicos que se están realizando sobre las diversas comunidades microbianas del planeta. En el año 2015 el grupo liderado por Thijs Ettema analizó unos sedimentos provenientes de la chimenea hidrotermal conocida como "Castillo de Loki" en las profundidades del Océano Ártico. Allí encontraron unas secuencias que pertenecían a un nuevo filo de arqueas que fueron bautizadas convenientemente como Lokiarchaeota. Poco a poco se fueron encontrando otros filos relacionados y que fueron bautizados como Thorarchaeota, Odinarchaeota y Heimdallarchaeota. Como era de esperar al superfilo se le conoce como Asgard.

¿Y cuál es la importancia de este superfilo? Pues porque sus datos parecen apoyar la hipótesis del árbol con dos dominios de la vida (Bacteria y Archaea) parece que poco a poco se va imponiendo sobre la visión del árbol de los tres dominios (Bacteria, Archaea y Eukarya). Y si esos datos se confirman entonces todos los ecuariotas - desde los protozoos hasta nosotros, incluyendo plantas y hongos - se habrían originado a partir de los Lokiarchaeotas. A nivel de la Biología esto es como si te dijeran que John Snow no es el sobrino de la Khalessi, sino su tío. La interpretación de los datos metagenómicos que hacen en el grupo de Thijs Ettema les lleva a proponer un modelo de "flujo reverso" para explicar el origen de la endosimbiosis que dio lugar a los eucariotas. Veamos qué significa esto. Hasta ahora la hipótesis más aceptada para la endosimbiosis es la de que una antigua archaea con metabolismo anaerobio "integró" una bacteria capaz de metabolizar el oxígeno. Esta nueva quimera tendría una ventaja energética que le permitiría desarrollar una fisiología celular mucho más compleja. Pero el modelo de "flujo reverso" propone que el hospedador organotrófico arqueano se alimentaba de compuestos orgánicos y que sus desechos proporcionaban un flujo de electrones o de hidrógeno a su simbionte bacteriano que para aprovecharlos totalmente usaba el oxígeno como aceptor final de sus rutas metabólicas. Este tipo de asociaciones metabólicas entre dos microorganismos, en el que el desecho de uno es la comida del otro, no son raras en la naturaleza (se conoce como sintrofía), y ésta debió derivar hasta una interacción tan íntima que se fusionaron ambas células.

Árbol filogenético basado en el análisis de 52 genes presentes en 144 taxas. Los Eucariotas aparecen más cercanos a las Heimdallarqueotas que a cualquier otro grupo. Fuente de la imagen: Spang et al 2019. 

Como suele pasar con todas las hipótesis científicas hay gente que se la cree y otros que no están convencidos en absoluto. El laboratorio de Patrick Forterre pertenece precisamente a ese grupo y han publicado un artículo refutando este modelo endosimbióntico afirmando que las muestras analizadas por el grupo de Ettema están contaminadas con genes eucariotas y que por ello sus árboles filogenéticos son producto de un artefacto. Para Forterre el árbol de la vida sigue teniendo tres ramas. Y en su apoyo ha acudido el microbiólogo Norman Pace, uno de los popes de la taxonomía bacteriana, que ha llegado a afirmar que algunos de los métodos estadísticos usados por Ettema son una "asunción estúpida". Lo dicho, Loki está haciendo de las suyas.

Pero afortunadamente en Ciencia lo del principio de autoridad no suele ser muy válido y por lo que se ve son más los científicos que creen que las evidencias que se van acumulando parecen favorecer el modelo de Ettema a los otros modelos. Esas evidencias no están basadas solo en el análisis metagenómico de secuencias. Ya comentamos en el blog que se miran otras cosas como por ejemplo la presencia de los llamados core-genes para la producción de proteínas, los genes que codifican para proteínas del citoesqueleto, o la organización y composición de las membranas biológicas. Este último aspecto que es conocido como la "división lipídica" es el que más apoya el árbol de tres ramas, ya que las membranas de bacterias y eucariotas son más parecidas entre si, que las membranas de arqueas y eucariotas. Pero resulta que la biología sintética ha venido a cerrar esa división lipídica. El año pasado el grupo holandés liderado por Arnold J. M. Driessen y John van der Oostc consiguieron "convertir" a la bacteria Escherichia coli en una arqueobacteria en lo que a su composición de membranas se refiere. Además, recientemente se han encontrado bacterias que son capaces de sintetizar lípidos arqueanos de manera natural.

¿Qué va a hacer falta para determinar quién tiene razón? Pues probablemente que alguien consiga crecer a una arquea asgardiana en el laboratario, preferentemente una Heimdallarqueota, pues parece que es el filo más cercano a los eucariotas según los últimos datos. Una vez aislada y crecida se podrá analizar y experimentar con ella. Por ahora lo que hay son imágenes de fluorescencia realizadas sobre muestras ambientales. Y lo que ha llamado la atención es que las células asgardianas tienen su ADN condensado en el centro de la célula, como si fuera un ¿núcleo? Estoy convencido que la saga asgardiana nos va a dar más de una sorpresa en los próximos años.

Heimdalarqueotas del Mar Negro marcadas con fluorescencia. En a se muestra la superposición de las imágenes b y c. La imagen b es la tinción con DAPI que tiñe el DNA. La imagen c es un CARD-FISH que tiñe las proteínas. Fuente de la imagen: Salcher et al. 2019. 

Bibliografía:

• Asgard archaea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity Nature volume 541, pages 353–358 (19 January 2017)
• Lokiarchaea are close relatives of Euryarchaeota, not bridging the gap between prokaryotes and eukaryotes. PLoS Genet. 13, e1006810 (2017). 
• Proposal of the reverse flow model for the origin of the eukaryotic cell based on comparative analyses of Asgard archaeal metabolism Nature Microbiology (2019)
• The trickster microbes that are shaking up the tree of life. Nature 2019.

Dos mejor que tres: un poda en el árbol de la vida

Xmas Darwin Phylogenetic Tree (origen de la imagen)

Hoy se cumple el primer aniversario de la muerte de Carl Woese, uno de los científicos de los que puede decirse eso de que "sus descubrimientos cambiaron los libros de texto". Bueno, ahora parece que algo parecido está sucediendo con su más famosa hipótesis, y probablemente dentro de poco habrá que volver a cambiar los libros de texto.

Ya hemos comentado en este blog que en 1977 Woese y Fox presentaron su árbol filogenético de tres ramas. El árbol fue construido al comparar la secuencia del ARN ribosómico, una macromolécula presente en todos los seres vivos. Evidentemente fueron muchos los grupos que se lanzaron bien a confirmar, o bien a rechazar la hipótesis mediante la realización de diversos experimentos y observaciones.

Uno de esos grupos fue el del profesor James A. Lake, de la Universidad de California Los Angeles. Lake también se fijo en los ribosomas, pero en lugar de comparar sólo las secuencias de ARN ribosomal, se fijo en la estructura de la macromolécula completa. En concordancia a los resultados de Woese, encontró que los ribosomas bacterianos eran muy distintos de los ribosomas eucariotas y de las arqueas. Pero al comparar los ribosomas de eucariotas y arqueas se encontró con algo inesperado. Los ribosomas eucariotas se parecían bastante a un tipo de arqueas (las crenoarqueas pero en ese tiempo se las conocía como los eocitos), pero no a otro (las euryarqueas, el grupo de los metanógenos y los halófilos extremos).

Comparación de la estructura de los ribosomas provenientes de difrerentes tipos de células. Origen de la imagen: Lake et al. 1984

Así que propuso otra explicación para explicar el origen de los eucariotas: la hipótesis del eocito. La diferencia fundamental entre ambas hipótesis es la siguiente. El árbol de Woese consta de tres ramas principales: Bacteria, Archaea y Eukarya. El árbol de Lake solo consta de dos ramas: Bacteria y Archaea, y dentro de la rama "Archaea" los eucariotas serían una rama secundaria más.

Los dos árboles. A la izquierda los tres dominios propuestos por Woese, a la derecha los dos dominios propuestos por Lake. Modificado a partir de Cox et al. 2008

¿Quién tiene razón? Pues inicialmente la hipótesis que parecía más correcta era la de Woese, y de hecho es la que nos encontramos en los libros de texto más usados en microbiología como son el Brock y el Prescott. Pero desde la revolución genómica cada vez se están acumulando más datos de secuencias de genómas completos de diversos microorganismos y parece que es la hipótesis del eocito la que se está viendo confirmada, al menos según una reciente revisión que ha sido publicada en la revista Nature. Vamos a resumirla.

Las dos hipótesis enfrentadas. En el árbol de la izquierda tenemos tres dominios principales monofiléticos: Bacteria, Archaea y Eukarya. Este último también es conocido como el linaje del hospedador en referencia al evento endosimbiontico que dio origen a la mitocondira, o el linaje nuclear por la presencia de dicho orgánulo. En este árbol las arqueas y los eucariotas tienen un ancestro común que no comparten con las bacterias. Todas las arqueas están dentro de un grupo monofilético. En la hipótesis del eocito (árbol de la derecha), el linaje de los eucariotas es uno más dentro del linaje de las arqueas. De acuerdo con dicha hipótesis los eucariotas compartirían un ancestro común con uno o con todos los linajes del grupo TACK, pero estarían diferenciados del linaje de las arqueas metanógenas (las euryarqueas). Por eso las arqueas serían un grupo parafilético. En este árbol sólo hay dos grandes linajes: Bacteria y Archaea. Origen de la imagen: Williamns et al. 2013

Comparación de secuencias

El árbol de los tres dominios se vio apoyado inicialmente por los datos de comparación de secuencias debido a que había muy pocas disponibles. Como ya he comentado antes, cada vez se están acumulando más datos genómicos. Esa circunstancia ha obligado a desarrollar nuevos métodos de análisis bioinformático. En cierto sentido en el campo de la bioinformática esta pasando algo muy similar a lo del problema de la "clasificación del murciélago" (¿es un ave porque vuela o un mamífero porque tiene mamas?). Dependiendo del método de comparación o del gen que se compara, una serie de parecidos entre las secuencias parecen tener más peso que otros, y así uno puede conseguir que le salga un árbol de tres dominios o uno de dos dominios. Añadamos a eso que a veces pueden suceder artefactos debidos a la técnica experimental de comparación. Un ejemplo de eso es lo que se conoce como la "atracción de las grandes ramas" en las que las secuencias que están en el interior de una gran rama tienden a parecer mucho más relacionadas entre sí, independientemente de su historia evolutiva. Como los programas bioinformáticos son cada vez más refinados y están diseñados para evitar o minimizar esos artefactos, lo que se está viendo es que los árboles se ajustan mejor al modelo de dos ramas del eocito.


Comparación de los "Core-genes" implicados en la producción de proteínas

Cuando Woese eligió hacer la comparación usando el ARN ribosomal lo hizo porque esta molécula está presente en uno de los procesos más conservados de la vida: la biosíntesis proteica. Pero ahora se pueden comparar no sólo los ARN ribosomales, sino todas las proteínas que están involucradas en dicho proceso, sobre todo aquellas proteínas que forman parte del ribosoma. Es lo que se conocen como los genes principales o core-genes, y evidentemente están muy conservados. Se asume que son unos 39 genes (depende de las preferencias del investigador). Aunque aquí también hay problemas dependiendo del método de comparación que use. En un trabajo publicado en el 2001 se comparaban los genes y el cómo estaban agrupados y se postuló que el árbol del eocito era el correcto. Pero en el 2006 apareció otro trabajo en el que primero se alineaban las secuencias dentro de cada grupo (bacteria con bacteria, arquea con arquea y eucariota con eucariota) y luego se combinaban para la comparación final, obteniéndose así un árbol con tres dominios. Al igual de lo que se ha indicado en el apartado anterior, usando métodos de comparación más refinados, los árboles que se obtienen son de dos ramas y no de tres.


Nuevos linajes de arqueas

Una consecuencia del uso de métodos metagenómicos en el análisis de muestras ambientales es que nos ha permitido conocer la existencia de microorganismos que ni siquiera ha sido posible cultivarlos en el laboratorio. Y con ello han aparecido linajes totalmente nuevos que han permitido “romper” las grandes ramas. Es el caso de los phylum Korarchaeota, Thaumarchaeota y Aigarchaeota. Estos tres phylum están relacionados con el phylum Crenarchaeota, por lo que se les conoce de manera informal como el super-filum TACK para así distinguirlos de los Euryarchaeota. Pues bien, una gran parte de los genes homólogos entre los eucariotas y las arqueas está dentro de este grupo, incluyendo los homólogos de la actina y la tubulina, el sistema de la ubiquitina, y una gran parte de los genes de la maquinaria ribosómica. Sin embargo dichos parecidos no se encuentran en un solo representante del grupo TACK, sino que están repartidos entre todos ellos, lo que puede explicarse por procesos de pérdida de genes o por procesos de transferencia genética horizontal (HGT).

Relaciones entre las arqueas y el origen de los eucariotas. El árbol representado es la rama Archaea de acuerdo con la hipótesis del eocito. Algunas de estas pautas y homologías también pueden ser explicadas por la hipótesis de los tres dominios, pero los resultados metagenómicos más recientes parecen cuadrar más con esta representación. Así, todos los linajes del grupo TACK y los eucariotas comparten el hecho de tener una inserción en la secuencia del factor de elongación 1-alfa (la posición filogenética de Korarchaeum aún no está resuelta definitivamente, pero ese linaje se caracteriza por la pérdida de dicha inserción). Entre estos resultados recientes se incluyen los ortólogos de la actina y la tubulina que en los eucariotas son la base del citoesqueleto. En el caso de los euryarqueotas lo que se encuentra es FtsZ, el homólogo a la tubulina presente en las bacterias. También se han incluido los componentes del sistema de la ubiquitina encontrado en Caldiarchaeum subterraneum. Aunque los mayores parecidos entre eucariotas y el grupo TACK se encuentran al comparar las secuencias de los genes involucrados en la transcripción y la traducción (cuatro proteínas ribosomales, la subunidad RpoG de la RNApolimerasa y el factor de elongación Elf1). Origen de la imagen: Williamns et al. 2013

Endosimbiosis, procesos de transferencia genética horizontal e historia de la vida

Tanto la hipótesis de los tres dominios como la del eocito contemplan el cómo la endosimbiosis y los procesos HGT han influido en la evolución y en la aparición del linaje eucariota, pero se diferencian en el cuándo han sucedido. Lo que parece claro es que los genes involucrados en procesos de transcripción y traducción (core-genes) no se han visto afectados por procesos HGT tan frecuentemente como genes involucrados en procesos metabólicos, así que el estudio de cómo se heredaron de manera vertical nos debe de dar información sobre cuándo aparecieron los distintos linajes. Para la hipótesis de los tres dominios, la aparición de los eucariotas fue algo que sucedió muy tempranamente y por ello dicho linaje celular está al mismo nivel que el dominio Arquea. En cambio, según la hipótesis del eocito los eucariotas son un grupo relativamente joven ya que sus "core-genes" se originaron dentro del linaje Arquea.

En cuanto a la endosimbiosis que dio lugar a las mitocondrias y a los cloroplastos, parece claro que debió suceder después de que hubieran aparecido las alfaproteobacterias y las proclorofitas. Se ha llegado a postular que la endosimbiosis que dio lugar a las mitocondrias fue anterior a la aparición del núcleo, y que fue precisamente ese evento lo que originó la aparición del linaje eucariota. En ese caso, dicho evento tuvo que suceder mucho después de lo que indica el árbol con tres dominios, algo que se contempla en la hipótesis del eocito.


Registro fósil y aparición de los eucariotas

El primer fósil que es indiscutiblemente eucariota es un alga roja de las bangiophytas que ha sido datada entre los 1200 y los 720 millones de años. Hay sin embargo otros candidatos que aparecen en rocas con 1800 millones de años de edad. Esto es consistente con los datos de biología molecular que señalan que el último ancestro común de los eucariotas apareció entre los 1900 y los 1700 millones de años. Sin embargo, sabemos que los procariotas fotosintéticos que formaron los primeros estromatolitos aparecieron hace 3400 millones de años, y las primeras arqueas metanógenas (Euryarchaetoa) produjeron metano que quedó en el registro fósil hace ya 3500 millones de años. Esto indica que los dos linajes procariotas aparecieron casi dos mil millones de años antes de que aparecieran los eucariotas. De nuevo, este dato parece apuntar a la hipótesis del eocito más que a la de los tres dominios.

Moraleja, no te tatúes un árbol filogenético. Origen de la imagen: The Genealogical World

Membranas celulares

Este es el único aspecto que parece mejor explicado por el árbol de los tres dominios que por la hipótesis del eocito. Las bacterias y los eucariotas tienen en común que los fosfolípidos de sus membranas celulares presentan enlaces éster, mientras que los fosfolípidos de todas las arqueas contienen enlaces éter. Lo cierto es que la aparición de las membranas biológicas en la historia de la vida es un asunto que no está aún muy claro, y de hecho se ha llegado a proponer que la vida apareció en estructuras de origen mineral y que luego se formaron las membranas dando lugar a las células modernas. En el caso de la hipótesis del eocito habría que explicar como una arquea del grupo TACK que realiza una endosimbiosis con una alfaproteobacteria, cambió su sistema de membranas biológicas del "estilo arquea" al "estilo bacteria".


Conclusiones

Si el árbol del eocito es correcto, entonces el grupo TACK de las arqueas contiene las pistas para explicar el origen de los eucariotas y de las complejas estructuras intracelulares que contienen. Al mismo tiempo, permite rechazar la hipótesis de que los eucariotas son un linaje celular primordial, dejando tan solo dos dominios primarios: Archaea y Bacteria.

. ¡Que tengáis un feliz 2014!
Origen de la imagen: Zazzle

Esta entrada participa en el XXVII carnaval de la Biología alojado en el blog La aventura de la ciencia



Woese CR, & Fox GE (1977). Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 74 (11), 5088-90 PMID: 270744

Williams TA, Foster PG, Cox CJ, & Embley TM (2013). An archaeal origin of eukaryotes supports only two primary domains of life. Nature, 504 (7479), 231-6 PMID: 24336283

Cox CJ, Foster PG, Hirt RP, Harris SR, & Embley TM (2008). The archaebacterial origin of eukaryotes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 105 (51), 20356-61 PMID: 19073919

Lake JA, Henderson E, Oakes M, & Clark MW (1984). Eocytes: a new ribosome structure indicates a kingdom with a close relationship to eukaryotes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 81 (12), 3786-90 PMID: 6587394

Carl Woese 1928-2012

Carl Woese en 1977 y en el 2004. Fuente de la imagen: Wired y Wikipedia.

El pasado 30 de diciembre nos dejaron dos gigantes de la Ciencia. Rita Levi-Montalcini y Carl Woese. La noticia del fallecimiento de la primera recibió una abundante, y merecida, cobertura mediática en nuestro país y supongo que en toda Europa. Pero reconozco que me ha apenado comprobar que del segundo no ha aparecido nada en ningún medio de comunicación español (al menos que yo sepa). Y me apena porque fue una de esas personas que consigue cambiar por completo lo que se escribe en los libros de texto.

Cuando yo cursé la asignatura de Microbiología allá por el año 1985, la taxonomía bacteriana que nos enseñaron se basaba exclusivamente en las características fenotípicas de dichos microorganismos. Es decir, lo primero de todo si eran Gram positivos o Gram negativos. Luego, si eran bacilos, cocos o tenían otra forma celular. A continuación si eran aerobios, anaerobios, aerobios facultativos, ... y así una ristra interminable de características como qué tipo de metabolismo tenían, , qué azúcares fermentaban, si presentaban formas de resistencia, a qué pH crecían, etc. Estudiar aquello era una auténtica pesadilla.



Para hacernos una idea, era como si en Zoología o en Botánica todavía clasificaran a los animales y las plantas en base a su aspecto exterior, descontando por completo tanto su anatomía interna, como sus relaciones evolutivas. Es decir, uno podía acabar diciendo que un murciélago era un ave porque tiene alas. O si hablamos en términos botánicos, que un trébol están más relacionado con una margarita que con una acacia porque las dos primeras son hierbas y la última es un árbol.

Woese cambió todo eso. No es que lo descrito arriba no se siga utilizando (se usa, sobre todo en microbiología clínica) pero consiguió que la taxonomía microbiana se basara en las relaciones filogenéticas en lugar de en los parecidos fenotípicos. Por buscar una analogía, Woese significó para la Microbiología lo mismo que Linneo para la Botánica. Y como ocurrió con el naturalista sueco, su descubrimiento significó un cambio parta toda la ciencia de la Biología.

Si Linneo se fijó en las flores para realizar su clasificación de las plantas, lo que hizo Woese fue fijarse en algo que todos los seres vivos tienen: el RNA ribosomal 16S (rRNA 16S). Está molécula es parte esencial de un proceso que realizan todos los seres vivos celulares de este planeta: la biosíntesis de proteínas. Como esperaba, al comparar las secuencias de los diferentes rRNAs 16S se encontró con que los seres vivos estaban evolutivamente relacionados entre sí, pero se sorprendió al encontrar que las relaciones de parentesco entre ellos no eran las que se suponían que eran. Su descubrimiento fue una auténtica revolución pues acabó con cinco reinos y estableció tres dominios: Bacteria, Archaea y Eukarya. El esquema filogenético resultante es lo que hoy en día se conoce como "árbol de la vida".

Muchos opinan que su trabajo de 1977 es uno de los principales hitos de la Biología, comparable a la publicación del "Origen de las Especies". En cierto sentido, no les falta razón, ya que dicho artículo es la mejor comprobación experimental de la hipótesis darwiniana de que todos los seres vivos de este planeta descendemos de un ancestro común. Pero además puso las bases de la actual metodología de la llamada revolución metagenómica que nos está permitiendo comprender y sistematizar la gran biodiversidad que existe en este planeta.

Definitivamente se nos ha ido un gigante sobre cuyos hombros se apoyarán otros. Descanse en paz

Entradas relacionadas:
El oficio más antiguo del mundo
Una bacteria es una bacteria, es una bacteria
El árbol que plantó Carl Woese.





Woese CR, & Fox GE (1977). Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 74 (11), 5088-90 PMID: 270744

Visiones del Cuarto Dominio

Árbol filogenético basado en el ss-rRNA mostrando las tres ramas principales (Fuente: Microbial Life)

Uno de los pilares de la actual teoría evolutiva es el que dice que todas las formas vivas actuales proviene de un ancestro común al que se le denomina LUCA, las siglas inglesas de Last Universal Common Ancestor. Las pruebas sobre los ancestros comunes en seres pluricelulares se basan en los estudios sobre fósiles y en la anatomía comparada. Pero hay un problema con los seres vivos unicelulares, sean estos eucariotas o procariotas. No se pueden estudiar muchos fósiles ni hacer mucha anatomía comparada con los microbios. En el año 1977, un joven microbiólogo llamado Carl Woese tuvo una idea para superar este problema.

Woese se puso a comparar los genes que codificaban para el RNA ribosomal de la subunidad pequeña del ribosoma (ss-rRNA). Razonó de la siguiente forma. Todos los seres vivos de este planeta tienen el mismo código genético. Todos llevan a cabo la traducción del mRNA a proteínas. Todos tienen ribosomas. Y los ribosomas están hechos de RNA ribosomal (rRNA) y proteínas. Así que Woese pensó que podría realizar "bioquímica comparada" utilizando las secuencias de rRNA. Cuanto mayor fueran las diferencia entre dos secuencias, mayor sería su divergencia filogenética.

Los cinco reinos(Fuente de la imagen)

Es probable que inicialmente Woese esperara que sus comparaciones con rRNA confirmarían la clasificación de los cinco reinos. Pero se encontró con un árbol de tres ramas que apuntaba que la mayor biodiversidad ecológica, evolutiva y bioquímica se encontraba entre los microorganismos y no entre los seres pluricelulares.

Woese concluyó que la filogenia basada en la comparación de secuencias del RNA ribosomal mostraba con mucha mayor fiabilidad el verdadero grado de parentesco entre las formas vivas así que propuso una nueva clasificación en tres dominios: Bacteria, Arquea y Eukarya. No dijo que debía abandonarse la denominación de los "reinos", pero el mensaje estaba implícito. Podría decirse que la Microbiología es "Republicana" y que acabó con la "monarquía" de los Cinco Reinos.

Bueno, pues puede que estemos en ciernes de otra "revolución". El reconocimiento de que hay un Cuarto Dominio de la vida.

El pasado diciembre un grupo francés liderado por D. Raoult propuso que los mimivirus deberían ser considerados como el cuarto dominio debido a su complejidad y a que filogenéticamente formaban un grupo distinto. Como es lógico el árbol filogenético no se realizó utilizando el rRNA, pues los virus carecen de esa molécula. En este caso se hizo mediante comparaciones metagenómicas. Es decir, utilizando la información de todas las secuencias, sobre todo de unas proteínas involucradas en el procesamiento del DNA.

Árbol filogenético en el que aparecen los mimivirus como un cuarto dominio (Fuente: Raoult et al.)

La propuesta se ve apoyada por los datos de un grupo de la Universidad de Davis liderado por Jonathan Eisen. Han analizado el DNA total de muestras marinas recogidas a lo largo del viaje que ha realizado Craig Venter con su yate. El grupo de Eisen se ha centrado en unos genes que están muy conservados en todos los dominios de la vida. Esos genes son el ss-rRNA, recA y rpoB.

El gen recA codifica a la proteína RecA, que está involucrada en los procesos de recombinación genética. El gen rpoB codifica para RpoB, más conocida como subunidad II de la RNA polimerasa. Esa proteína es esencial en el proceso de polimerización del RNA. ¿Qué ventaja tiene estudiar esos dos genes? Muy simple, están tan conservados y extendidos como el ss-rRNA y en teoría los árboles filogenéticos derivados a partir de ellos deberían ser semejantes entre sí. Además, hay virus que tienen genes que codifican para proteínas homólogas, por lo que se podría llegar a deducir cual es el origen de dichos parásitos.

Y ahí es donde ha saltado la sorpresa. En ambos árboles han aparecido unas cuantas ramas que no pueden verse en el árbol deducido por comparación de secuencias del ss-rRNA y que podrían indicar nuevos dominios biológicos. Alguna de esas ramas coincide con la rama de los mimivirus o de otros virus. Pero también han aparecido dos ramas completamente nuevas. Es decir, no se sabe que tipo de ser vivo posee dichos genes. Como indica Carl Zimmer en su blog: ¿Son virus? ¿Son células? ¿Fueron genes que pertenecieron a células y han acabado en los genomas víricos? ¿O es el cuarto dominio otra señal de que la vida tal y como la conocemos ahora se originó como un virus?

Árbol filogenético basado en la secuencia del gen rpoB. En rojo aparecen las secuencias provenientes de distintos virus. En azul clarito pueden verse dos ramas desconocidas "Unknown 1" y "Unknown 2"(Fuente: Wu et al.)

Lo que está claro es que dentro de poco los libros de Microbiología general van a tener que volver a dibujar el llamado árbol de la vida.

Woese, C. (1977). Phylogenetic Structure of the Prokaryotic Domain: The Primary Kingdoms Proceedings of the National Academy of Sciences, 74 (11), 5088-5090 DOI: 10.1073/pnas.74.11.5088

Wu, D., Wu, M., Halpern, A., Rusch, D., Yooseph, S., Frazier, M., Venter, J., & Eisen, J. (2011). Stalking the Fourth Domain in Metagenomic Data: Searching for, Discovering, and Interpreting Novel, Deep Branches in Marker Gene Phylogenetic Trees PLoS ONE, 6 (3) DOI: 10.1371/journal.pone.0018011

Boyer, M., Madoui, M., Gimenez, G., La Scola, B., & Raoult, D. (2010). Phylogenetic and Phyletic Studies of Informational Genes in Genomes Highlight Existence of a 4th Domain of Life Including Giant Viruses PLoS ONE, 5 (12) DOI: 10.1371/journal.pone.0015530

Una bacteria es una bacteria, es una bacteria

Después de un largo paréntesis debido a diversas actividades docentes vuelvo por estos fueros. Aquí va la segunda parte del comentario dedicado a la definición de especie bacteriana.

Debemos recordar que es el ser humano el que pone nombre a las cosas. Y generalmente sólo nombramos aquello que nos interesa. Eso quiere decir que definir una especie es un acto de antropocentrismo puro y duro. Por eso todos los microorganismos que producen enfermedades tienen categoría de especie. Y lo mismo pasa con aquellos que tienen interés para el ser humano, ya sea porque producen queso manchego o porque pueden degradar un plástico. Pero todos aquellos microorganismos que "no hacen nada" generalmente pasan desapercibidos.

Portada del disco de Bob Dylan del año 1979 que incluye la canción Man gave name to all the animals.

Sin embargo las nuevas herramientas de la biología molecular están cambiando el panorama a pasos agigantados. El ser humano ahora es consciente de que existe una enorme multitud de microorganismos en la Biosfera. Claro que el problema no se resuelve dando nombres a todo bicho viviente que encontremos con el microscopio. Si así fuera crearíamos un problema más grande del que tenemos. Hay que recordar que la taxonomía no sólo sirve para dar nombre a las cosas. También sirve para definirlas y clasificarlas. Y para eso hace falta tener un criterio de clasificación.

Actualmente, los taxónomos microbianos intentan clasificar a los microorganismos integrando diferentes clases de datos, tanto fenotípicos (test bioquímicos, composición de lípidos,...), genotípicos (hibridación de DNA), como filogenéticos (secuencias del rRNA). Así por ejemplo se considera que dos microorganismos pertenecen a especies distintas si presentan un porcentaje de hibridación de sus DNAs menor del 70%. Es una técnica muy reproducible y sus datos son bastante consistentes y de hecho está considerada como el patrón de oro cuando se debe de determinar el estatus de especie para un microorganismo. Lo malo de dicha técnica es que es muy complicada, lenta y solo puede realizarse con microorganismos que han sido cultivados en laboratorio porque se requiere una gran cantidad de ellos para extraer su DNA.

Hibridación DNA-DNA. Cuanto mayor sea el parecido entre dos especies menor número de heteroduplex se forman

Es por eso por lo que muchos laboratorios prefieren los datos de secuenciación del rRNA. Es un carácter universal por lo que permite una clasificación en base a la similitud de secuencia. Es una técnica rápida, sencilla y puede utilizarse sobre microorganismos que no han sido cultivados. En ese caso se considera que una identidad menor del 97% indica que son dos especies distintas. Pero también tiene sus inconvenientes. El primero es que la clasificación se basa en un solo gen, por lo que las variaciones en la secuencia debidas al azar pueden ser consideradas muy importantes cuando en realidad pueden no serlo. Asimismo, si ha habido eventos de recombinación o de transferencia genética horizontal, los resultados pueden llevarnos a confusión. Por último, tener el mismo rRNA en dos aislados no significa que sean de la misma especie (ver más abajo).

Está claro que lo mejor es mirar varios genes, pero de forma rápida y sencilla. Hace tiempo los epidemiólogos se dieron cuenta de que necesitaban una herramienta que les permitiese distinguir entre diversas cepas del mismo microorganismo patógeno. Desarrollaron una técnica que se conoce por la siglas MLST por MultiLocus Sequence Typing, o Tipado por Secuencia de MultiLocus. Básicamente consiste en determinar las diferencias que hay en las secuencias entre los "genes ama-de-casa" (housekeeping genes) o genes que se encargan del metabolismo de mantenimiento de la célula. Con ello comparaban aislados microbianos de distintos pacientes. Si dos aislados tienen el mismo perfil genético en el MLST significará que pertenecen a la misma cepa patógena.

La técnica de MLST se ha modificado para aplicarla a la taxonomía bacteriana. Así la identificación es un proceso en dos fases. La primera es la secuenciación del rRNA para asignar a un determinado microorganismo dentro de un género. La segunda fase consiste en determinar la especie utilizando la comparación de genes que son ubicuos dentro de ese género y que además estén en copia única dentro del genoma de dichos microorganismos. Para distinguirla de la técnica usada en epidemiología molecular se la ha bautizado como MLSA por MultiLocus Sequence Analysis.

Un ejemplo de utilización de la técnica MLSA ha sido la diferenciación entre especies del género Burkholderia. La especie B. mallei es un parásito obligado de equinos que produce la enfermedad conocida como muermo. Su pariente, la bacteria saprofita del suelo B. pseudomallei, causa la melioidosis, una enfermedad endémica de Australia y el sur de Asia. Si unorealiza un estudio de hibridación de DNA se encontrará con que la hibridación es mayor del 76%, luego según dicha técnica ambas son la misma especie. En 1998 se aisló una bacteria muy semejante a B. pseudomallei pero que era avirulenta. Se la bautizó como B. thailandensis. Cuando se estudió la secuencia 16S rRNA de estas tres especies se encontró que la identidad era mayor del 99%. Pero la sorpresa saltó cuando se hiceron los estudios de hibridación de DNA. El porcentaje era de 47% lo que indicaba que B. thailandensis era una especie muy diferente de las otras dos. Para resolver el rompecabezas un grupo realizo el MLSA comparando las secuencias internas de siete housekeepings genes. Analizaron varios clones y lo que encontraron fue que todos los aislados de B. mallei eran idénticos y que además se agrupaban con los aislados de B. pseudomallei. Pero todos los aislados de B. thailandensis se agrupaban de forma diferente como una especie completamente distinta. La moraleja es que B. mallei es una especie distinta de B. pseudomallei sólo porque produce una enfermedad diferente, de lo contrario sería considerada como un clon de la misma especie.

Árbol filogenético construido a partir de los datos de MLSA sobre distintos aislados del género Burkholderia. Todos los aislados de B. pseudomallei se agrupan y entre ellos se encuentra B. mallei, (que sería un ecotipo de B. pseudomallei). A su vez todos los aislados de B. thailandensis forman un grupo aparte .

El ejemplo de arriba indica una cosa muy importante. Hay que incorporar la ecología cuando se define una especie. Un patógeno es un ser vivo con una ecología muy especializada. Este es un problema que se encontró el botánico sueco Göte Turesson cuando estudiaba la diferenciación de poblaciones dentro de una misma especie de planta herbácea. Se dio cuenta de que dicha diferenciación tenía una base genética y acuño el término ecotipo. El microbiólogo Frederick M Cohan propuso que el concepto de ecotipo podría servir como base para diferenciar los taxones bacterianos. Los ecotipos serían definidos como poblaciones que presentan una cohesión genética pero una distinción ecológica. B. mallei es un ecotipo de B. pseudomallei que tiene el honor de ser una especie por ser una patógena estricta. Si hubiera sido saprofita habría sido considerada un clon más de B. pseudomallei.

El modelo de ecotipos permite imaginar como evolucionan los microorganismos. Los ecotipos se originan a partir de clones genéticamente idénticos que viven en diferentes hábitats. La especialización ecológica conduciría a la divergencia genética mediante la acumulación de mutaciones adaptativas producidas por eventos de selección. Sería parecido a un arbusto cuyas ramas van creciendo y a las que periódicamente se poda. Sin embargo la cosa no es tan sencilla. Porque en la evolución de los microorganismos hay que tener en cuenta varios factores como son la deriva genética o la transferencia genética horizontal. Aun nos falta información para entender el cuadro, pero estamos algo más cerca.

Modelo de ecotipo estable. Los ecotipos se crea y extinguen a un ritmo lento. Cada ecotipo, rojo o azul, sufre una serie de eventos periódicos de seleccíon (asteriscos) durante su larga historia de divergencia de otros ecotipos. En cada evento de selección el ecotipo mejor adaptado desplaza a los linajes que compiten con él. No es el único modelo de aparición de ecotipos que se ha postulado

Bibliografía en la que está basada esta entrada: Re-evaluating prokaryotic species. Gevers et al. Nature Reviews Microbiology. Vol 3. Sept 2005. Pag: 733-739

Ir a la primera parte: El oficio más antiguo del mundo

El oficio más antiguo del mundo

Si se realizara una encuesta a todos aquellos que estudian algún aspecto de la Biología sobre cual es la disciplina menos atractiva, es muy probable que la Taxonomía ocupe uno de los primeros puestos. Se supone que es un conjunto de reglas para nombrar a los seres vivos, pero dichas reglas no parecen muy intuitivas y para colmo cambian cada cierto tiempo y al final parece que se discute sobre el sexo de los ángeles en lugar de sobre las formas vivas.


Sin embargo, la Taxonomía es el oficio más antiguo del mundo o al menos eso podemos leer en la Biblia, porque tras la creación de los animales se lee:

Génesis 2.20: El hombre puso un nombre a todos los animales domésticos, a todas las aves del cielo y a todos los animales del campo; pero entre ellos no encontró la ayuda adecuada.
Después de la creación de la mujer surgió la anatomía comparada y comenzaron las primeras discusiones taxonómicas, una maldición que aún perdura.

Entrega de certificados de asistencia en el Primer Congreso Mundial de Taxonomía

De todas formas hay que comprender a los taxónomos. Las reglas taxonómicas son el fruto de un convenio entre los científicos, y si hay algo frágil en este mundo es precisamente un convenio científico. Pero ahí no acaba la cosa. La taxonomía trata de clasificar a las especies biológicas. Y esa es la madre del cordero, porque ¿qué es una especie biológica?

Si uno trabaja con animales como hizo Adán la cosa parece sencilla. Un león es un león, un perro es un perro y un ratón es un ratón. Pero la inteligente Eva le hizo notar algo bastante peculiar. Las especies "león", "perro" y "ratón" necesitan de dos individuos, un macho y una hembra, para reproducirse y generar más leones, perros y ratones. Y eso no sólo pasaba con los animales, también con las plantas. Llegamos así a la definición más conocida de especie biológica: grupo de organismos capaces de entrecruzarse y de producir descendencia fértil.

No es una mala definición. Es corta y sencilla. Los problemas vienen cuando uno encuentra seres vivos que no necesitan "entrecruzarse" (bonito eufemismo para referirse al sexo) para producir "descendencia fértil". Hay muchos seres vivos que dejan descendencia mediante la llamada reproducción asexual. Seguramente el lector está pensando en bacterias o en levaduras, pero no hace falta llegar hasta ellas. Cualquier aficionado a la jardinería sabe que muchas plantas de uso agrícola se reproducen de forma asexual.

Eso significa que hay que cambiar o ampliar la definición de "especie biológica", lo que quiere decir que hay que montar un congreso de taxonomía, poner un montón de señores a discutir y después de unos días publicar un acta del congreso donde se describirá el nuevo convenio científico sobre lo que es una especie biológica. Según el libro "Brock. Biología de los microorganismos", una especie microbiológica es una colección de cepas que comparten un gran número de propiedades importantes pero difieren en una o más propiedades significativas de otras colecciones de cepas. Siendo sinceros a mi no me parece ni corta ni sencilla, pero es lo que hay.

Y ahora viene la parte más divertida. Podría pensarse que un taxónomo es como un bibliotecario o como el encargado de un vídeo-club. El taxónomo clasifica seres vivos como el librero clasifica libros o el encargado del vídeo-club, películas. Pero hay una diferencia fundamental entre el primero y los otros dos. Los seres vivos evolucionan, cambian en el tiempo.

Uno puede pensar que lo mismo ocurre con los libros y las películas. Antes las películas se alquilaban en formato de video y ahora sólo hay DVD, dentro de poco serán en Blu-ray. Pero lo que ha cambiado es el soporte, no la información. En los seres vivos, la evolución significa cambio en la información. Y si cambia lo información significa que esa "especie" se ha transformado en "otra especie". Para hacernos una idea, el cambio evolutivo biológico es como si en una biblioteca tenemos un ejemplar de "El Quijote" y tras pasar un tiempo ese libro se ha transformado y ha pasado de ser una novela a un tratado sobre las costumbres populares de la Mancha. Imaginemos la desesperación del bibliotecario cuando tenga que clasificarlo.

El caso es que algo similar está ocurriendo con el concepto de "especie" en el campo de la microbiología. Podría decirse que debido a los tiempos de generación tan cortos de los microorganismos se están dando cambios evolutivos en tiempo real. En la entrada dedicada a los experimentos de Richard Lenski ya vimos que se había detectado el cambio evolutivo en una población bacteriana estudiada continuamente durante 19 años. Si hacemos una pequeña extrapolación e imaginamos que el experimento de Lenski hubiese comenzado en 1885, año en el que fue aislada y descrita la bacteria Escherichia coli, la cepa evolucionada habría sufrido al menos 6 cambios importantes con respecto a la cepa parental. Pueden parecer pocos, pero ahora consideremos esto:

Este es el perfil de reacciones diagnósticas para diferenciar al género Escherichia del género Enterobacter.

Si nos fijamos, la diferencia entre ambos géneros se reduce a las seis pruebas señaladas en negrita. Es evidente que las diferencias entre esos dos géneros son mayores que tan sólo estos seis cambios, pero también es cierto que cualquier microbiólogo consideraría que estaría ante dos especies distintas si encontrara esas seis diferencias entre dos cepas de bacterias.

Pero lo que ha acabado de dar la puntilla al concepto de especie ha sido la aplicación de las técnicas moleculares en la Ecología Microbiana. Tema que será desarrollado en el siguiente comentario del blog.

Ir a la Segunda Parte: Una bacteria es una bacteria, es una bacteria.

Número especial de la revista Science dedicado a la Ecología Microbiana

El ejemplar del 23 de mayo de la revista Science contiene una serie de artículos relacionados con la Ecología Microbiana. La revista es de pago, pero es posible acceder a ella desde los ordenadores de la biblioteca de la UMH (y probablemente también desde otras instituciones educativas o científicas). Aquí dejo una pequeña guía de los mismos.

• Perdidos en el Espacio Microbiano. Artículo de introducción.

• Las vidas interiores de las esponjas. Relaciones simbiónticas, compuestos bioactivos y la misteriosa distribución de bacteria en el interior de estos invertebrados.

• Relaciones confusas. El entendimiento de la evolución y la ecología microbiana se basa principalmente en un buen sistema de clasificación de los microorganismos, pero es difícil llegar a uno cuando no podemos dar una respuesta simple a la pregunta ¿Qué es una especie microbiana?.

• Los motores microbianos que impulsan los ciclos biogeoquímicos terrestres. Virtualmente todas las transferencias de electrones que se dan en la Tierra se dan gracias a un conjunto de nanomáquinas biológicas que conocemos por proteínas y grupos prostéticos. Esas nanomaquinas evolucionaron exclusivamente dentro de los microbios en una etapa muy temprana de la historia de este planeta y los genes que las codifican se han mantenido muy conservados. Cuanto mayor sea nuestro conocimiento de su evolución, funcionamiento y control mejor entenderemos su papel a escala planetaria.

• Biogeografía Microbiana. De la taxonomía a los caracteres. La variación biogeográfica de los seres vivos se ha estudiado tradicionalmente usando la taxonomía. Pero esto está cambiando en el campo de la microbiología. Las pautas de variación de determinados caracteres -tamaño del genoma, número de ribosomas, tamaño celular- está comenzando a dar respuestas a las preguntas de porqué un ser vivo vive en un determinado lugar y cómo responde a un cambio ambiental.

• Ecología Microbiana de la Biogeoquímica Oceánica. La perspectiva de la comunidad. La diversidad microbiana de los océanos es enorme. Diferentes grupos funcionales compuestos de bacterias, arqueas y protistas dominan diversos hábitats e impulsan ciclos biogeoquímicos. Las comunidades planctónicas cambian continuamente debido a la mortalidad, relaciones simbióticas y otros procesos por lo que hay una gran presión de selección sobre los distintos microorganismos.

También aparecen unos artículos publicados exclusivamente en internet que serán accesibles a partir del 27 de mayo.

• Un nicho a la medida. Dedicado al estudio de los mecanismos de señalización entre los microorganismos -benignos o patógenos- y sus hospedadores.

• Diversificación de la función de la señalización Célula-a-Célula en la regulación de la virulencia en Xanthomonadas, un grupo de patógenos de plantas bacterianos.

• Modulación por bacterias de las rutas de señalización celular en la homeostasis intestinal

• ETosis: Una nueva ruta de Muerte Celular

Un artículo en español sobre el mismo tema: "Metagenómica, genómica y ecología molecular: la nueva ecología en el bicentenario de Darwin".

Patógeno a la vinagreta

Árbol filogenético de Granulobacter bethesdensis

En la revista PLoS Pathogens se publicó un artículo sobre el descubrimiento de una nueva bacteria patógena: Granulobacter bethesdensis. Esta bacteria es responsable de producir infecciones en aquellas personas que sufren enfermedad granulomatosa crónica o CGD por sus siglas en inglés.

La CGD es una enfermedad genética que produce inmunodepresión en la cual el neutrófilo no cumple su papel como debiera (de hecho se la conoce también como Síndrome del Neutrófilo Impotente). Los neutrófilos son parte de la primera línea de defensa contra las infecciones y lo que suelen hacer es fagocitar posibles patógenos y destruirlos. En el caso de los pacientes con CGD, los neutrófilos tienen un defecto en el sistema de fagocitosis (les falla la NADPH oxidasa) por lo que su sistema de lisosomas es poco efectivo al no generar metabolitos oxidantes. Esto permite que algunas bacterias y hongos puedan sobrepasar las defensas y producir infecciones.

El grupo liderado por Steve Holand aisló una bacteria de los nódulos inflamados de un paciente con CGD. Cuando intentaron identificarla por los medios habituales en microbiología clínica se dieron cuenta que no correspondía a ninguna bacteria descrita en los tratados médicos. Así que el siguiente paso fue secuenciar el 16 S rRNA y buscar homologías. La sorpresa fue encontrar que la bacteria más semejante a dicho patógeno era Gluconobacter sachari, perteneciente al grupo de las archiconocidas Bacterias del Vinagre. Estas bacterias oxidan polialcoholes produciendo ácidos orgánicos. En el caso del vinagre el etanol es transformado en ácido acético. Dicho grupo de bacterias son ubicuas, y las podemos encontrar sobre todo en plantas y en frutas. Es la primera vez que se observa que un miembro de este grupo es un patógeno.

Evidentemente, una cosa es aislar un microorganismo y otra cosa es demostrar que es un patógeno. Así que lo que hicieron fue demostrar que Granulobacter bethesdensis cumplía los postulados de Koch. Y los cumplía. Una bonita combinación de métodos del siglo XXI con métodos del siglo XIX para descubrir a un nuevo patógeno.

Referencia y origen de la imagen

Greenberg DE, et al. A Novel Bacterium Associated with Lymphadenitis in a Patient with Chronic Granulomatous Disease. PLOS Pathogens. 2006. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.0020028.

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