Interpretacion arbol molecular vida. Estudio del genoma en el medioambiente.

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Scriptus Naturae (http://scriptusnaturae.8m.com). Pérez, S.; Suárez, M. Torralba, A. & Varela de Seijas M.V.1998.-Aplicación de métodos moleculares en taxonomía y filogenia. Seminario Microbiología Ambiental, 23.04. Facultad Biología Oviedo.

Interpretación del árbol molecular de la vida, tomando el ejemplo de Yellowstone.

La distancia evolutiva en los árboles filogenéticos como el de la fig. 1 (a la derecha), se mide por la distancia entre las líneas. El tiempo de los acontecimientos evolutivos no puede extraerse con seguridad de los árboles filogenéticos. El reloj evolutivo no es constante en los distintos linajes, por eso el tiempo y los cambios no están exactamente correlacionados. Esta divergencia se muestra en el hecho de que las líneas de la fig. 1 no se encuentran todas a la misma distancia, los diferentes linajes experimentan distintas secuencias de cambios.

Los árboles filogenéticos son la expresión gráfica que muestra que la mayoría del legado de las ciencias biológicas ha enfocado un pequeño fragmento de la diversidad biológica.

El descubrimiento de secuencias de rRNA en el medio que divergen más profundamente que lo esperado ha permitido diferenciar los microbios, hasta ahora agrupados como Bacterias, en dos dominios; estas grandes diferencias fueron halladas por primera vez al realizar estudios en comunidades asociadas a manantiales termales del Parque Nacional de Yellowstone.

Las características geotermales de Yellowstone han sido reductos favoritos de organismos termófilos durante décadas. Actualmente, los métodos basados en rRNA están siendo utilizados para examinar filotipos presentes en algunos de los manantiales termales de Yellowstone con características químicas dispares.

Fuentes termales Yellowstone [11 -> 53 Kb]

Los manantiales del flanco norte de Yellowstone tienen altas concentraciones de hierro, sulfuro de hidrógeno, hidrógeno y dióxido de carbono (una gran abundancia de nutrientes para fisiologías compatibles). Los continuos estudios de secuencias de los habitantes microbianos de uno de estos manantiales, "Obsidian Pool", han cambiado radicalmente nuestra visión de la diversidad filogenética de los Archaea y de las bacterias. Los estudios filogenéticos de cultivos y secuencias han ampliado sustancialmente nuestra apreciación del ámbito de la diversidad bacteriana: en 1987 sólo eran reconocidos 12 líneas filogenéticas de Bacteria, mientras que ahora han podido ser diferenciados al menos 25-30 (Fig.2). La topología del árbol bacteriano es extraordinaria. La diversidad bacteriana parece haber surgido principalmente de una radiación explosiva de líneas, más que de una divergencia secuencial. Los resultados preliminares obtenidos de "Obsidian Pool" también hacen preguntarse otra suposición basada en estudios de cultivos: el que Archaea domine o no en ambientes de altas temperaturas. La hibridación cuantitativa indica que en este ambiente los genes bacterianos superan en número a los arquea en una relación 50:1.

Los filotipos que, debido a su abundancia, deben ser contribuidores significativos a la biosfera han escapado a su determinación hasta que tuvo lugar el desarrollo de los métodos basados en la secuenciación. Un ejemplo de un campo de investigación abierto por los métodos moleculares es el descubrimiento de Crenarchaeota (un tipo de Archaea) mesófilos: basándonos en métodos de cultivo se consideraba a estos organismos como exclusivamente termófilos; sin embargo, el análisis de genes clonados de rRNA muestra que son en general abundantes.

Arbol filogenético Archaea Yellowstone [15 Kb]

Al mirar el árbol filogenético que sale de estos análisis de las cubetas de obsidiana de Yellowstone podemos ver que los dos principales grupos dentro de Archaea son Euryarchaeota, que incluye metanogénicas, comunes en el medioambiente pero altamente anaerobias, y Crenarchaeota, que incluye organismos de altas temperaturas de ambientes geotérmicos (son organismos como Pyrococcus, Pyrodictium o Sulfolobus). Además nos encontramos con Archaea que no tienen una semejanza clara con ninguna de las conocidas.

Por otro lado existen secuencias que no corresponden a ninguno de los grupos conocidos de Archaea y que parecen constituir un tercer reino Korarchaeota (del griego koros, "hombre joven", que hace referencia a la temprana divergencia de este grupo de Archaea). Los Korarchaeota representan nueva diversidad, pero el cambio es muy pequeño y relativamente temprano pues algunas secuencias de este grupo se encuentran también entre la mayoría de las formas primitivas de vida conocidas. Un mayor conocimiento de estos nuevos organismos vendrá de un análisis de sus propiedades fisiológicas, y para ello sería de gran ayuda su posible cultivo.

Pero incluso sin cultivarlos, los métodos para clonar largos fragmentos de DNA del medioambiente en librerías de clones ayudan a acceder a estos genomas. Un mejor conocimiento de Korarchaeota nos proveerá de una mayor perspectiva de la diversidad biológica así como una comprensión de la vida a altas temperaturas o la naturaleza de la vida en sus comienzos.

El RNAr y otros datos moleculares sólidamente confirmados abundan en la idea, tallada este último siglo, de que los principales orgánulos celulares eucariotas (mitocondrias y cloroplastos) derivan de simbiontes bacterianos, que se especializaron por coevolución con la célula que los hospedaba. La comparación de secuencias muestra a las mitocondrias como representantes de grupo PROTEOBACTERIAS (incluye géneros como Escherichia y Agrobacterium), y a los cloroplastos como derivados de CYANOBACTERIAS (incluye Synechococcus y Gloeobacter). Así vemos que todas las capacidades respiratorias y fotosintéticas de las células eucariotas han sido obtenidas de bacterias simbióticas, la teoría endosimbiótica del origen de los orgánulos ha sido demostrada. El componente nuclear de las células eucariotas más recientes no deriva de un linaje procariota. El RNAr y otros árboles basados en técnicas moleculares muestra que el núcleo eucariota es tan antiguo en la vida como los linajes del grupo Archeae o Bacteria. Las mitocondrias y cloroplastos entraron relativamente tarde

La raíz del árbol universal de la, el punto de origen de los linajes actuales, no puede establecerse por secuencias de un sólo tipo molecular. De cualquier modo, estudios filogenéticos actuales de familias de genes, que se originaron antes del último antecesor común de los tres dominios, han situado la raíz del árbol al inicio de la línea bacteriana. Por tanto, Archeae y Eucarya tienen una historia común que excluye los descendientes de la línea bacteriana. Así los representantes actuales de estos dos dominios comparten muchas características, que son diferentes en aspectos generales, de las de las células bacterianas. Un ejemplo de diferencias y similitudes lo encontramos en la maquinaria transcripcional.

Debido a la historia que Eucarya y Archeae han compartido, quizás, deberíamos mirar en Archeae a la hora de comprender algunas propiedades fundamentales. Por ejemplo, la membrana nuclear eucariota, es considerada por los biólogos celulares como un componente intrínseco del núcleo, de algún modo responsable de su entereza. Sin embargo, el hecho de que Archeae no haya desarrollado esta membrana, recordando así a los procariotas, muestra que la membrana nuclear no es imprescindible para la función del núcleo. De hecho, la zona nuclear de las Archeae parece excluir los ribosomas, y además el genoma de M. jannaschii está salpicado de genes homólogos de los genes nucleares y nucleolares eucariotas. ¿Qué constituye el núcleo?. Quizás, después de todo, la membrana nuclear no sea fundamental en la actividad del núcleo, sino que, más bien sea un embellecimiento de llegada tardía. Hay una hipótesis que explica la aparición de la membrana nuclear a partir del aparato de Golgi, como una cesta de almacén de los productos nucleares, para luego ser distribuidos por la célula por el mismo (A.G.). Las propiedades de los poros de la membrana son consecuentes con esta hipótesis. El registro evolutivo sugiere que debemos de buscar algo más fundamental que una membrana nuclear como responsable de la integridad del núcleo, y que, a su vez, defina una cualidad esencial de la célula eucariota.

Hay una considerable información sobre una parte de la diversidad eucariota, representada por animales, vegetales y hongos. Pero, sabemos poco de la otra parte, los organismos sin mitocondrias que divergen de la línea principal eucariota tempranamente en la evolución. Los conocimientos de estos linajes, representados por Trichomonas, Giardia y Vairimorpha en la fig. 1, es principalmente de carácter patógeno. El que sean patógenos es un rasgo poco común, lo que podría indicar que la no patogenicidad de los eucariotas que antes divergieron, es abundante en el ambiente, pero todavía no ha sido detectada. Un tema importante a tratar en la línea eucariota parece ser el establecimiento de simbiosis físicas con otros organismos. Gracias a la simbiosis los eucariotas son capaces de ser fotótrofos o litótrofos, así como usar el oxígeno como aceptor final de electrones.

Por ejemplo, bajo los pies en las playas oceánicas, la respiración microbiana de agua sulfurada crea un ecosistema rico en H2S, poblado de pequeñas criaturas conocidas, como Kentrophoros, un ciliado plano, sin esófago, que bajo el microscopio aparece borroso, ya que en su superficie crecen bacterias sulfuro-oxidantes. Estas bacterias son ingeridas por endocitosis, y constituyen el alimento de los Kentrophoros.

Más allá del RNA, una oportunidad para el estudio del genoma en el medioambiente.

Los métodos moleculares pueden ser usados para obtener esencialmente cualquier gen directamente del medioambiente sin cultivar el organismo en cuestión que lo posee. Así, se puede obtener genes de una comunidad total de DNA con la ayuda de genes ya conocidos de organismos que ya se conocen. Y los genes nuevos pueden también seleccionarse del DNA clonado del medioambiente por sus actividades, usando vectores diseñados para activar promotores extraños. Por ejemplo, las comunidades de organismos termófilos nos podrían ofrecer nuevas proteasas termófilas, DNA polimerasas u otras enzimas. La tecnología molecular hace innecesario el cultivo de estos organismos para su estudio.

Nuestra comprensión del mundo microbiano natural es muy rudimentaria, pero los análisis basados en la secuenciación genómica, nos ofrecen una vía, rápida y eficaz de encaminar nuestros estudios hacia un mayor conocimiento. Los genes del rRNA tomados del ambiente son como "fotografías" de los organismos, representativos de diferentes tipos de genomas, los cuales serán blanco de nuevas caracterizaciones si son interesantes o utilizables. Si queremos entender la biosfera, parece importante que emprendamos un análisis representativo de la diversidad microbiana en el ambiente. Las secuencias del rRNA nos dan una serie de punto de partida y objetivos en los diferentes organismos, lo que resulta importante, incluso esencial, si se pretende una estudio representativo de la diversidad biológica del mundo microbiano. ¿Con qué clase de organismos compartimos el planeta? ¿Cuál es su papel en la biosfera? ¿Qué modelos son los convenientes en los estudios de laboratorio de los procesos medioambientales? ¿Qué recursos podemos obtener de tal diversidad?

Es necesario un completo catálogo de la biota de la Tierra. Un extenso y representativo estudio, pero que sin embargo debe ser tomado desde un punto de vista de un modesto esfuerzo, usando la tecnología adecuada de secuenciación de genomas. Es un proyecto que trae un a multitud beneficios y en el que deben estar incluidos un estudio de los filotipos del ambiente, incluyendo un mapa cuantitativo de la evolución de la diversidad y librerías de esta diversidad genética.

Las oportunidades para el descubrimiento de nuevos organismos y el desarrollo de los recursos basados en la diversidad microbiana son mayores que antes. Las secuencias moleculares finalmente han dado a los biólogos microbianos un camino para definir su campo de estudio, mediante la filogenia molecular. Las secuencias también son las bases de las herramientas que permitirán a estos biólogos explorar la distribución y el papel de los organismos en el ambiente. La biología microbiológica puede ahora ser una ciencia completa; los organismos pueden ser estudiados en el ecosistema. Es la edad dorada para el descubrimiento de nuevos organismos así como para su conocimiento tanto del organismo en sí como de su labor en el medioambiente.

MONASTERSKY, R. & MAZZATENTA, O. L.; 1998.- El origen de la vida sobre la Tierra. National Geographic, vol. 2, nº 3 (marzo): 50-77.

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