Científicos construyen un fósil genómico de miles de millones de años

Biología evolutiva. Mediante el uso de un modelo computacional y miles de genes, investigadores en MIT han construido el pasado de los genomas hasta hace por lo menos 2,800 millones de años cuando naciera el transporte de electrones que hoy nos permite respirar

Trabajar con fósiles no es una tarea fácil. Requiere no sólo de la ayuda de tecnología y del conocimiento científico, tanto en geología, química como en biología, sino que se necesita de las destrezas del paleontólogo o el arqueólogo para inferir, para analizar y producir un recuento de la historia de los animales por el planeta y descifrar sus significados. De este modo hemos ido conociendo la prehistoria y cada vez nos acercamos más a estudiar y conocer los fósiles del pasado. Sabemos, por ejemplo, que hace unos 580 millones de años, inició un período que conocemos hoy como la Explosión Cambriana porque muchas formas de vida se iniciaron entonces; de hecho, durante muchos millones de años de este momento explosivo, surgieron y cambiaron un sinnúmero de criaturas que hoy conocemos gracias a sus fósiles.

No obstante, tenemos serios problemas a la hora de mirar más allá de este período. Es un verdadero reto estudiar la vida hace 3,000 millones de años porque los fósiles de esos organismos de blandas células precambrianas raramente dejaron huellas. Pero científicos en el Instituto Tecnológico de Massachussets, MIT, tuvieron una idea extraordinaria, ellos pensaron que aunque estos organismos no hayan dejado huellas, sí han dejado un fósil microscópico bien abundante y que hoy nos es fácil reconocer y estudiar: el ADN.

Una de las certezas que nos regala la ciencia moderna es el hecho de que heredamos los genes de nuestros ancestros. Adquirimos estas unidades genéticas a través de nuestros padres quienes, a su vez, obtuvieron las de ellos de sus padres; esa es una realidad incambiable e indiscutible hoy en día y, siguiendo tal razonamiento es posible decir que todos los organismos vivientes han heredado sus genomas de microbios antiguos. Por lo tanto, los biólogos computacionales de MIT razonaron que si usaban genomas modernos podrían reconstruir microorganismos arcaicos; y es precisamente lo que han hecho con este impresionante modelo computacional. Veamos el razonamiento detrás de los resultados.

En primer lugar, hoy la ciencia cuenta con una biblioteca de genomas realmente impresionante, también tenemos el tipo de tecnología para decodificar y leer genomas de una manera rápida y efectiva. En segundo lugar, nuestro conocimiento sobre la evolución del ADN es bastante amplio, por ejemplo, sabemos que nuevas familias de genes pueden nacer y ser heredadas, los genes pueden ser cambiados o transferidos horizontalmente entre organismos, los genes pueden ser duplicados en el mismo genoma y también sabemos que los genes pueden perderse y desaparecer. Los investigadores usaron todo este conocimiento para formular un modelo matemático que tuviera en cuenta todas estas variables. Los resultados son realmente asombrosos.

“Trazamos miles de genes de cien genomas modernos en un camino que nos llevó a la primera aparición de esos genes sobre el planeta y así hemos creado un fósil genómico que no sólo nos dice cuándo los genes surgieron sino que también apunta cuáles microbios antiguos poseían esos genes. El trabajo sugiere que el genoma colectivo de toda la vida sobre el planeta atravesó por una expansión que ocurrió entre 3,300 a 2,800 millones de años atrás; más aún, ha sido durante ese período que el 27 por ciento de todas las familias genéticas existentes hoy surgieron”, así lo explican los autores del experimento, Eric Alm, profesor en los departamentos de Ingeniería Ambiental e Ingeniería Biológica y Lawrence David, graduado de MIT pero hoy en Harvard; ambos han llamado a este período de vida la Expansión Arqueana.

Responsables del oxígeno que hoy respiramos

El oxígeno no existía en los primeros miles de millones de años del planeta. No fue hasta hace 2,500 millones de vueltas al Sol que este elemento comenzó a acumularse en la atmósfera terrestre, “lo que probablemente eliminó a un montón de formas de vida anaeróbica en el evento conocido como la Gran Oxidación”, escriben los investigadores, “El Evento de la Gran Oxidación ha sido probablemente el más catastrófico evento en la historia de la vida celular pero no tenemos un récord biológico de ello”.

Ciertamente, Alm y Lawrence han identificado tantos genes que tienen que ver con el oxígeno en su fósil arcaico que piensan que ha sido este elemento lo que impulsó la Expansión Arqueana. “Luego de analizar los resultados detalladamente nos dimos cuenta de que los genes para el procesamiento de oxígeno no aparecieron hasta el final de la Expansión Arqueana hace unos 2,800 millones de años, lo que es mucho más consistente con la fecha que los geoquímicos le han asignado al Evento de la Gran Oxidación. Lo que sí hemos detectado es el nacimiento del transportador moderno de electrones, es decir, el proceso bioquímico responsable de trasladar electrones dentro de las membranas celulares. El transporte de electrones es lo que se usa para respirar oxígeno, también lo usan las plantas y algunos microbios durante la fotosíntesis, cuando cosechan energía directamente del sol”.

De hecho, existe una forma de fotosíntesis conocida como fotosíntesis oxigénica que se cree fue la responsable de generar el oxígeno asociado con el Evento de la Gran Oxidación y que es además responsable del oxígeno que respiramos hoy.

La historia de todos los organismos está grabada en el ADN

Para Alm, lo más asombroso entre los resultados ha sido demostrar que las historias de todos los eventos antiguos está grabada en el ADN que todos los organismos vivos compartimos. “Ahora que estamos comenzando a decodificar toda esa historia, tengo esperanzas de que podamos reconstruir algunos de los eventos más tempranos en la evolución de la vida y con detalles a granel”, expresó Alm.

La evolución del transporte de electrones durante la Expansión Arqueana, añaden los investigadores, permitió etapas claves en la historia de la vida, incluyendo la fotosíntesis y la respiración, ambas hicieron posible que grandes cantidades de energía puedan ser recolectadas y almacenadas en la biosfera. “Nuestra investigación no puede decir si el desarrollo del transporte de electrones fue lo que directamente causó la Expansión Arqueana, aún así, podemos especular que el hecho de tener acceso a mayores cantidades de energía permitió a la biosfera alojar ecosistemas de microbios mucho más complejos”.

De hecho, la investigación también incluyó los metales y las moléculas asociadas con los genes estudiados y cómo cambiaron en abundancia a través de los tiempos. Fue allí donde descubrieron un alto porcentaje de genes para usar oxígeno y enzimas asociadas con el cobre y el molibdeno, lo que es consistente con el récord geológico de la evolución.


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