Hola, y bienvenidos a los seminarios iBio. Mi nombre es Dianne Newman
y soy profesora del Instituto de Tecnología de California
en las divisiones de Biología y Ciencias Geológicas y Planetarias.
También soy investigadora del Instituto Médico Howard Hughes.
Esta es la tercera parte de mi serie en tres partes sobre la diversidad microbiana y la evolución.
Lo que me gustaría demostarles hoy
son formas en que podemos a través de experimentos de laboratorio
profundizar en los metabolismos que se desarrollaron en el pasado remoto. Esta es una tarea muy difícil
y estamos justo en el comienzo de nuestra capacidad de hacerlo, pero espero a través de esta historia
poder ilustrar cuán interesante es este campo de investigación y dónde radican las preguntas importantes.
El ejemplo específico que voy a darles es de cómo hemos ganado una cierto conocimiento
de una clase importante de biomarcadores que se utilizan para registrar la evolución de la fotosíntesis oxigénica,
uno de los metabolismos más importantes que jamás se han inventado en la Tierra.
Hoy vemos ejemplos de la fotosíntesis oxigénica en todo el mundo,
como se puede ver en esta bella imagen del promedio de los datos de satélite durante tres años.
Lo que nos muestra son perfiles de clorofila en los océanos marinos.
Aquí se puede ver las floraciones de fitoplancton que se producen no sólo en el Atlántico, sino también
aquí en el Pacífico ecuatorial oriental desde América del Sur, y que se extienden lejos en el Pacífico.
Ahora bien, estos giros se producen cuando hay floraciones de fitoplancton que hoy
son responsables de emitir a la atmósfera la mayor parte del oxígeno que respiramos.
Sin embargo, estos organismos, éstos fitoplancton marinos, no son los antepasados de la fotosíntesis.
Ellos son los que lo hacen en forma masiva en los océanos del mundo hoy,
pero el proceso de la fotosíntesis evolucionó hace muchos miles de millones de años en la Tierra.
Y su historia es una que todavía no entendemos completamente.
Una de las preguntas más básicas que no entendemos es cuándo ocurrió.
¿Cómo supieron los organismos utilizar el agua como un sustrato para la fotosíntesis?
Una de las cosas que sí sabemos es que la capacidad de utilizar el agua
fue desarrollada a través de una compleja combinación de fotosistemas
en diferentes tipos de organismos fotosintéticos primitivos, incluyendo bacterias anoxigénicas
como el tipo que se muestra en estas botellas que se llaman bacterias moradas
por los hermosos pigmentos de morados que contienen en sus membranas, que a veces se pueden ver
cuando crecen en ciertos sustratos.
Hablé de estos organismos en la charla introductoria.
Como dije entonces, en algún momento la maquinaria molecular
en estos organismos se combinó con la maquinaria molecular
en otros organismos que también son de esta clase general anoxigénica
pero son organismos bastante distintos.
Cómo eso sucedió, no lo sabemos, pero el problema ahora es que cuando
esto finalmente sucedió y estas hermosas máquinas moleculares se unieron
para que estos organismos utilizaran el agua como energía, por supuesto, la fuente de energía real es el sol,
pero el agua es el sustrato que se activa por la luz solar,
cambiándose a una forma que es biológicamente utilizable en la cadena de transporte de electrones.
Esto es cuando se inventó la fotosíntesis oxigénica,
y los autores de esta invención fueron las cianobacterias.
Se muestran en esta diapositiva de hermosos tubos que burbujean,
donde el CO2 es introducido en estas culturas, y estos hermosos organismos verdes
con sus pigmentos de clorofila están convirtiendo ese CO2 en
biomasa, acoplada a la oxidación del agua a oxígeno molecular. El propio cloroplasto,
como expliqué en la primera conferencia, es lo que se transformó en los plastidios que hoy en día encontramos
en diatomeas, que se ven aquí. Son fitoplancton marinos que son importantes en los océanos.
Y, por supuesto, las plantas terrestres con las que todos estamos muy bien familiarizados
debido a su capacidad de tomar agua y generar oxígeno.
Sin embargo, cuándo surgió este grupo de organismos por primera vez es un verdadero tema de debate.
Se pensaba que había señales en las rocas antiguas,
estas formaciones de hierro en bandas u otras firmas geoquímicas,
que indicaban que el oxígeno probablemente se elevaba en los océanos, producido por estas
cianobacterias antiguas, reaccionando con el hierro y precipitándolo de la solución
para formar estos depósitos. Eventualmente entra en la atmósfera de manera que
otras firmas geoquímicas que se encuentran en las rocas, como fraccionamientos independientes de masas
de los isótopos de azufre que encontramos en diferentes minerales que contienen azufre,
dando una firma que consideramos muy diagnóstica de la presencia de oxígeno en la atmósfera.
Todo esto ocurrió en algún punto medio de este lapso de tiempo, sin duda 2,4 millones de años atrás.
Pero cuándo surgió la capacidad de los organismos de tomar el agua, antes de que tuviera este efecto global profundo,
es algo que no ha sido muy delimitado.
Un enfoque dominante que se ha utilizado para fechar el aumento de cianobacterias en el registro de la roca
ha girado en torno al uso de estas moléculas orgánicas que se llaman hopanoides.
Son estructuras orgánicas muy complejas que se asemejan a los esteroles en las células eucariotas.
Ahora, la historia que quiero contarles hoy es un nuevo examen de estas estructuras como biomarcadores
para preguntar si es apropiado asignarlas como causa del aumento de este metabolismo crucial que
transforma la Tierra. Así que vamos a hablar un minuto acerca de lo que significa ser un biomarcador.
Actúa esencialmente como un fósil molecular.
Es un compuesto que es diagnóstico de una célula antigua
y de un tipo de célula particular, indicando si es útil para identificar los organismos o sus metabolismos.
Así que la idea es que hace mucho tiempo
había células dando vueltas en el entorno, ya sea en una columna de agua o eventualmente en sedimentos.
Luego, por diversos procesos diagenéticos,
con el tiempo estos sedimentos se compactan y se convierten
en estructuras sólidas que vemos hoy levantadas en las montañas y en diversas áreas de todo el mundo.
Se cree que estas formaciones contienen aún restos de las moléculas originales que alguna vez habitaron
estos entornos. Ahora bien, estas estructuras no son idénticas, pero son muy, muy similares, así que
lo que estamos viendo hoy en día es lo que llamamos el biomarcador
y es el fósil molecular de lo que se infiere que fue el compuesto original.
Aquí se puede ver algo que llamamos un hopane sedimentario, que es el diagenético...
y diagénesis es simplemente el proceso de la transformación de un sedimento en una roca.
Este compuesto es la consecuencia diagenética de transformar el compuesto de origen,
que llamamos hopanepolyol. Tiene este anillo pentacíclico
aquí con una cola que tiene varios restos de moléculas de carbono.
Aquí mostramos compuestos de hidroxilo sólo en estas últimas posiciones, pero tienen varias formas.
La conclusión es que algunas de estas decoraciones químicas se pierden,
pero el esqueleto de carbono sigue siendo la columna vertebral.
Y dado que es tan estructuralmente similar al compuesto original,
es muy razonable deducir que estamos ante un fósil de esta molécula.
Aquí hay otra manera de mostrarlo. Es esencialmente una caricatura de la diagénesis.
A través de la columna de agua, estas células finalmente se sedimentan, se incorporan a los sedimentos,
y estos sedimentos terminan transformándose por procesos geológicos
durante miles de millones de años de historia en la Tierra,
y estas moléculas dentro de ellos se convierten en su forma más básica.
Ahora, ¿por qué las personas prestan atención a estas moléculas en particular?
Estos hopanepolyols bacterianos 2-metilados.
La razón se debe a un importante estudio que salió hace una década,
donde se afirmó que los hopanoides 2-metilados son biomarcadores de la fotosíntesis oxigénica cianobacterial.
La razón para esto fue que en el momento en que se realizó este trabajo,
todas las búsquedas de células microbianas para esta molécula en particular...
y cuando digo particular, me refiero a la parte pentacíclica
de la molécula y a un grupo metilo en la segunda posición del primer anillo.
Los otros aspectos de la molécula no son tan cruciales para el diagnóstico,
pero esta parte inicial, y en particular la metilación en este segundo átomo de carbono
realmente fue crucial para la historia que voy a contar.
Así que cuando se publicó el estudio inicial, los investigadores
razonablemente pudieron concluir que estas moléculas podrían ser biomarcadores de cianobacterias por el
hecho de que no pudieron detectar su producción en los organismos que no fueran cianobacterias.
Esto no era del todo cierto porque había algunas otras cepas que incluso en este primer estudio
produjeron estas moléculas. Sin embargo, se afirmó que en su contexto sedimentario,
los más probables progenitores de estas moléculas habrían sido las cianobacterias
porque los compuestos fosilizadas se encontraron en ambientes marinos poco profundos y esos compuestos
eran consistentes con el crecimiento de un organismo fotótrofa en este tipo de hábitat.
También estaba el argumento de que la concentración de estas moléculas en el tipo más preservable
era, con mucho, la más alta en la cianobacteria moderna,
dando crédito a la idea de que este tipo de moléculas, cuando se ven en el registro rocoso,
pueden reflejar una antigua comunidad de cianobacterias.
Sin embargo, si era una suposición absolutamente válida o no era discutible, por una variedad de razones.
Una de estas razones es que no todas las cianobacterias pueden hacer estos compuestos,
por lo que sin duda no son esenciales para la capacidad de la fotosíntesis oxigénica.
Así que el argumento de que los compuestos tienen que ver con la fotosíntesis oxigénica
sólo porque las cianobacterias los producen
es otra historia y es algo que realmente necesita ser examinado más para su validación.
La segunda razón por la que esto necesita ser examinado más es que las cianobacterias
son capaces de otros tipos de metabolismos más allá de la fotosíntesis oxigénica.
Algunos de ellos son los llamados organismos de fotosíntesis oxigénica facultativa
porque pueden utilizar otros sustratos más allá del agua
en los procesos fotosintéticos, tales como el sulfuro, por ejemplo.
Además, son capaces de fermentación. Por eso, el hecho de que
las cianobacterias hacen los compuestos no significa a priori que tengan algo que ver con la fotosíntesis.
Podría ser. En este punto de la historia, nadie lo sabía, y por eso merecía ser examinado.
Así es como nos interesamos en esto, y comenzamos nuestros estudios
al establecer algunos criterios racionales de lo que podría constituir un biomarcador robusto.
El primero, por supuesto, no voy a describirlo porque realmente pertenece al dominio de los geólogos.
Es que el biomarcador debe ser autóctono de las rocas que se supone que representa.
De hecho, hay un gran debate sobre este punto, pero vamos a asumir que cuando encontramos estos fósiles
en las rocas antiguas, son en realidad tan viejos como pensamos.
Vamos a dejar que los geólogos comprueben si eso es realmente cierto,
pero creo que es bastante justo decir que para varias de estas muestras
ahora ya no hay mucha duda. Estas moléculas realmente tienen, por ejemplo, 2,4-2,7 mil millones de años.
Así que vamos a conceder eso.
La segunda parte que ahora se hace relevante para los biólogos es que deben tener una distribución única
entre los organismos modernos, o deben tener una historia evolutiva clara
en la cual es evidente de dónde se originaron.
Cuál fue el primer tipo de organismos que pudieron producirlas y/o el tercer punto,
que creo que es en realidad el punto más crucial,
es que tienen una función biológica específica y conservada que está relacionada con el proceso de interés.
En el caso de esta conferencia, estamos hablando de la fotosíntesis oxigénica.
Así que vamos a empezar ahora con este segundo punto.
Estas moléculas, estos hopanoides 2-metilados, ¿tienen una distribución única?
Para empezar a investigar esto, decidimos ir al medio ambiente
y recoger diversos tipos de organismos fototróficos para examinar.
Empezamos a trabajar con varias cianobacterias
que examinamos por su capacidad de producir estos compuestos de 2-metilo.
Como ya he dicho, no todos lo hacen, así que elegimos a los productores abundantes como nuestras cepas
de referencia. Puesto que estábamos haciendo también otros estudios en mi laboratorio,
mirando la capacidad de fotótrofos anoxigénicos para catalizar la oxidación del hierro
en condiciones anoxigénicas, decidimos sólo por diversión probar
si podían producir estos compuestos también. Pensamos que esto sería un control negativo,
ya que los informes anteriores habían demostrado que las cepas relacionadas,
bajo las condiciones que utilizaron estos investigadores anteriores, no pueden generar estos compuestos.
Aquí es donde tuvimos una de las sorpresas que se producen de vez en cuando en la ciencia,
que es muy emocionante y al principio te preocupa mucho
porque no estás seguro de si es o no un artefacto.
Así sucedió cuando mi estudiante Sky Rashby hizo el sorprendente descubrimiento de
que una de nuestras "cepas de control negativo", que llamamos Rhodopseudomonas palustris,
podía hacer estos hopanepolyols 2-metilo, que es lo que significa esta sigla aquí.
2-MeBHP significa hopanepolyol bacteriano 2-metilado.
En concentraciones tan grandes como sus cianobacterias homólogas. Ahora, créanme que
hicimos todos los controles adecuados para asegurarnos de que no estábamos contaminando los cultivos,
y esto era un resultado muy robusto y muy reproducible.
Lo realmente importante fue que esta molécula aquí...
aquí se puede ver un espectro de cromatografía líquida y ahora un espectro de masas
de estos picos...está molécula era idéntica entre nuestros controles positivos de cianobacterias
y lo que pensábamos que sería nuestro control negativo.
Lo realmente importante aquí es que la producción de estas moléculas por nuestro fotótrofo anoxigénico
estaba condicionada por la manera en que las cultivamos
Creo que este es un punto muy importante que vale la pena subrayar.
Muchas veces en estos campos interdisciplinarios
se comienza con un grupo de investigadores excelentes en cierto tipo de medición, pero no necesariamente
excelentes en todo, porque ¿quién lo es? Uds. saben que todos somos especialistas. Todos somos buenos en
lo que hacemos. Los científicos pioneros que comenzaron este trabajo eran geoquímicos orgánicos
distinguidos, pero no cultivaban los microorganismos sistemáticamente en sus propios laboratorios,
por lo que tuvieron que obtener cepas de sus colegas,
que les enviaban muestras microbianas cultivadas en cualquier condición de crecimiento
que estaban examinando en el momento de enviar la cepa.
Sin embargo, hoy en día, cuando cultivamos en nuestro laboratorio, como microbiólogos somos conscientes
de la versatilidad metabólica de estos organismos y podemos cultivarlos bajo varias condiciones.
Por eso, pudimos descubrir que estos organismos hacen la molécula
sólo bajo ciertas condiciones, y si sólo los hubiéramos mirado en una ventana más estrecha,
nos habríamos perdido su producción por completo.
Así que hay una lección importante aquí, y este lindo dibujo
de esta cianobacteria filamentosa representa la cianobacteria Nostoc punctiforme,
que les voy a mostrar después de la charla.
Está preguntando a nuestro fotótrofo anoxigénico favorito, Rhodopseudomonas palustris, "¿Haces
hopanoides 2-metilados?" y ella responde, "Sí, los hago".
Esta muy bonita caricatura fue hecha por Sky, un artista muy talentoso.
Una imagen real de esta bacteria morada se muestra aquí
en un microscopio electrónico de transmisión, tomada por mi estudiante de postdoctorado, Ryan Hunter,
que sobrepuso a sedimentos del marisma de agua salobre Sippewissett en Woods Hole, Massachusetts.
La razón por la que hicimos esto es que, como he dicho,
el registro geológico últimamente está emanando de sedimentos de este tipo,
donde hoy encontramos bacterias moradas y otros tipos de fotótrofos en crecimiento.
Se puede inferir que este tipo de entornos también eran buenos hogares
para estos organismos miles de millones de años atrás.
Así que lo que estamos viendo cuando miramos los fósiles
son antiguos restos de este tipo de hábitat.
Así que decidimos empezar al estudiar Rhodopseudomonas palustris para preguntar
si podíamos profundizar en las bases biológicas moleculares de la producción de estos compuestos
y ver si esto nos ayudaba a analizar si son biomarcadores precisos
para las cianobacterias y/o la fotosíntesis oxigénica.
Ahora, R. palustris es un organismo excelente para usar, por muchas razones. Crece rápidamente.
Es metabólicamente versátil. Su genoma se ha secuenciado.
Y es susceptible de manipulación genética. Así que es un sistema preparado para el descubrimiento
en términos de la biosíntesis y la función celular de BHPs 2-metilados.
Una de las primeras preguntas que queríamos responder era si
había una enzima específica responsable de la metilación hopanoide
en la posición C2. Dado que estas moléculas se produjeron condicionalmente
según las peculiaridades específicas de su cultivo, lo mejor
para preguntar si los organismos de escala mayor pueden hacer estas moléculas
sería pasar por alto este requisito de crecimiento y simplemente ir al genoma de un organismo
para ver si hay algún gen diagnóstico, que podría predecir la capacidad de hacer estas moléculas.
Paula Welander, una alumna de postdoctorado en mi laboratorio,
se sentó a ver el genoma de Rhodopseudomonas palustris
y mediante un trabajo bioinformático muy inteligente identificó toda una parte del cromosoma que codifica los genes
que se sospecha que podrían tener algo que ver con la biosíntesis hopanoide.
Es que en medio de este grupo existe un gen anotado como shc, que como se había demostrado previamente
codifica una enzima responsable del primer paso en la biosíntesis hopanoide,
la ciclación del escualeno en el primer anillo pentacíclico.
Ahora, lo que queríamos era la enzima responsable de una parte posterior en la ruta biosintética
y que es la metilación en C2. Porque una amplia variedad de bacterias pueden hacer hopanoides en general,
pero lo que se consideró, como les dije, un rasgo diagnóstico fue este grupo de metilo en la segunda posición.
Si pudiéramos encontrar una metilasa que fuera directamente responsable de poner el grupo de metilo en
esa posición, podríamos preguntar si diferentes organismos, más allá de las cianobacterias y este
descubrimiento raro que hicimos, pueden hacer también hopanoides 2-metilados.
Para hacer eso, Paula miró esta región genómica e identificó un gen por aquí
que parecía tener atributos que podrían indicar que su producto es
capaz de catalizar esta reacción de metilación.
Para probarlo, ella hizo una limpia eliminación enmarcada de este gen
y luego preguntó si la cepa mutante
que se llama delta 4269 puede hacer hopanoides metilados en comparación con el tipo salvaje.
Lo que está viendo aquí es un cromatograma líquido que presenta picos de elución
de diversos tipos de estructuras hopanoides.
Estos de aquí se llaman... este es diploptene y éste
tiene un grupo de metilo en la posición 2, por lo que se llama diploptene 2-metilado,
y éste es un tipo diferente de hopanoide, con un grupo R ligeramente diferente en el extremo.
De nuevo aquí, este pico que eluye primero es la versión 2-metilada de la molécula.
Como se puede ver al compararlo con el mutante que hizo Paula,
no hay ningún pico aquí en el primer plano, lo que muestra que las versiones 2-metiladas
de estos hopanoides no se están haciendo en esta cepa mutante.
Cuando ella lo complementa y devuelve a esta cepa mutante el gen de tipo salvaje
entonces ve de nuevo, justo donde deberían aparecer, los picos
que indican la producción de las versiones metiladas de esos hopanoides.
Esta fue una muy buena demostración de que efectivamente esta metilasa es responsable de
la producción de estos hopanoides metilados.
Ahora, en colaboración con otro estudiante de postdoctorado en el laboratorio, Maureen Coleman,
Paula y Maureen demostrararon que este gen de la metilasa, que llamaron hpnp,
se distribuye mucho más ampliamente de lo que habíamos sospechado.
Lo que importa aquí no son los nombres individuales de estos organismos,
de ninguna forma, sino simplemente el hecho de que lo que vemos es un árbol complicado
que se dibuja con la secuencia de ADN ribosomal 16S para toda una variedad de organismos.
Lo que ven en azul son aquellos organismos de este árbol que pueden producir hopanoides en general.
Y hay muchos, como ya he dicho.
Pero la pieza realmente clave está aquí: es el anillo exterior
el cual se puede ver en tres grupos diferentes, en las cianobacterias, en las acidobacterias,
y aquí abajo en las proteobacterias, la evidencia para el gen hpnp a partir del genoma.
Esta evidencia se basa en un límite de corte muy estricto donde exigimos un alto grado de similitud
de identidad de secuencia entre secuencias putativas de hpnp
y nuestra secuencia de hpnp, que hemos demostrado como necesaria para la metilación en la posición C2.
Ahora, la otra cosa a destacar es que cada vez que estas secuencias se han encontrado en el genoma,
donde se han hecho mediciones de la capacidad real de hacer el compuesto, hemos encontrado
una correspondencia 100%. Y a la inversa, nunca hemos encontrado un caso
de un organismo que pueda hacer BHPs 2-metilados y que no contenga este gen.
Por eso, aunque es posible que en el futuro se descubra otro tipo de metilasa,
en estos momentos hay una correspondencia del 100% entre la posición de este gen en el genoma
y la capacidad de tomar el compuesto tal como se mide directamente.
Así que parece un indicador bastante robusto.
Bueno, aquí hay que fijarse en algunas cosas: como dije antes, no todas las cianobacterias hacen esto.
A priori, no es necesario para la fotosíntesis oxigénica.
La pregunta es si lo hacen...y segundo, no sólo las cianobacterias lo hacen. No es un solo organismo al azar.
Encontramos que hay muchos otros tipos de bacterias aquí en este proteoma,
la familia de alfa-proteobacterias, que pueden producir estos compuestos.
De hecho para algunas de éstas, se demostró en el trabajo original que producen hopanoides metilados.
Sólo se afirmó que no estaban produciéndolos en una abundancia relevante para la diagénesis.
Así que eso merece más análisis.
Pero está este otro grupo, el acidobacteria, que antes no se creía que hacía estas moléculas.
Debo decir que esto es sólo la punta del iceberg, ya que estos son sólo los genomas
de microbios que se han secuenciado, que representan una fracción diminuta de la diversidad microbiana
en la naturaleza. Ahora tenemos las herramientas para ir al entorno y preguntar más ampliamente,
¿cuándo vemos estas secuencias? ¿Qué tipo de organismos probablemente contienen?
Vamos a tener una mejor imagen de la diversidad filogenética de los organismos que los componen.
Sin embargo, para volver al punto central de si es un biomarcador robusto,
a pesar de que hoy en día vemos que estas moléculas se distribuyen entre muchos organismos,
todavía podría ser un biomarcador válido de cianobacterias
con tal de que haya buena evidencia que sugiera
que su raíz evolutiva está en el grupo de las cianobacterias.
Así que para llegar a esa pregunta de cuál es la raíz de esta enzima,
dónde se inventó primero, Maureen Coleman decidió mirar la historia filogenética de la familia de enzimas.
Entonces hizo un árbol donde tuvo la oportunidad de demostrar, y ahora es un árbol sin raíces,
las diferentes ramas de los organismos que sabemos que pueden hacer esto.
Se trata de dos grupos distintos de proteobacterias. Aquí tenemos las cianobacterias.
Y aquí tenemos las acidobacterias.
Lo que queríamos saber era cuál de estos grupos fue el primero en inventar esta enzima.
Ahora, aquí es donde se puso complicado, y también donde se hizo muy importante hacer un riguroso
análisis estadístico para alinear estas secuencias de diversas maneras, utilizar diferentes algoritmos,
para inferir el camino evolutivo más parsimonioso hacia su divergencia.
Cuando Maureen hizo esto, literalmente haciendo un experimento in silico, variando múltiples parámetros,
en ningún caso estaba claro cuál era la suposición correcta,
pero todo eso afectó la topología de los árboles que a la larga resultarían.
Lo que encontró fue que la raíz, por lo menos en la actualidad, es ambigua,
que estadísticamente hay un apoyo igualmente bueno para todas estas tres topologías diferentes,
que dieron lugar a respuestas muy diferentes.
La primera mostró dónde estaría la raíz ancestral de esta metilasa en las cianobacterias.
El segundo, donde simplemente no estaba resuelto,
donde no hubo un patrón de ramificación claro,
de cuál subconjunto habría sido el más temprano en hacer esta enzima,
o el resultado opuesto, donde se infiere que el antepasado fue una alfa-proteobacteria.
Esperamos que en el futuro, mientras más secuencias se obtienen, que podamos
decidir entre estas tres opciones con mayor confianza, pero lo que sí podemos decir con confianza ahora
es que no podemos interpretar con confianza que las cianobacterias fueran siquiera los inventores
evolutivos de esto. No se sabe si en el futuro eso se pruebe o no,
pero en la actualidad no es válido argumentar que existe una certeza absoluta
de que estas moléculas son biomarcadores incluso para las cianobacterias mismas,
sin hablar de la fotosíntesis oxigénica.
Así que vamos al grano y a hablar de la fotosíntesis oxigénica
porque eso es realmente lo que motivó esto todo el tiempo.
¿Podríamos encontrar un marcador biológico que nos daría información sobre el proceso de la fotosíntesis
oxigénica? Por supuesto, el hecho de que un organismo haga una molécula no necesariamente
significa que tiene algo que ver con una función particular.
Lo que queríamos preguntar era si existía o no una relación entre
la capacidad de producir esta molécula y la fotosíntesis directamente.
Así que, como he dicho, los hopanoides se asemejan a esteroles.
Y si buscamos en la ruta biosintética
el colesterol por aquí y lo comparamos con bacterias hopanoides por allí,
se ve que pasan por estructuras muy similares.
Por supuesto, los anillos son diferentes entre ellos, pero son una reminiscencia.
Así que sería razonable al pensar sobre las funciones universales de estas moléculas
que acudiéramos a los esteroles para un poco de inspiración.
Este es un campo muy interesante de la biología celular en las eucariotas, y estoy segura de que
hay algunos comentarios interesantes sobre esto en otros seminarios iBio a los que Uds. se pueden referir.
Muy brevemente, lo que me limitaré a decir ahora es que se ha demostrado que los esteroles
en las membranas eucariotas tienen un rol tanto en la fluidez como la integridad de la membrana.
Pueden jugar un rol en la curvatura de la membrana. También son importantes
en la creación de las llamadas balsas lipídicas, que implican el reclutamiento
de lípidos y proteínas específicos para lugares particulares dentro de la membrana.
Todas éstas son áreas muy activas de investigación en la biología de células eucariotas,
y uno puede legítimamente preguntar si estas moléculas hopanoides
que se asemejan a los esteroles podrían desempeñar funciones similares
en los sistemas eucariotas bacterianos, arqueales o incluso microbianos. Y se puede ir más allá para
preguntar si de algún modo estas funciones están relacionadas específicamente con la fotosíntesis oxigénica.
Algo que podemos hacer para comenzar a abordar esto es simplemente averiguar dónde residen
los hopanoides en diferentes células microbianas. El punto aquí es que no es evidente
porque las membranas microbianas son en realidad muy complejas,
particularmente en fotótrofos donde tenemos estas
hermosas invaginaciones intra-citoplasmáticas laminares de membrana.
Podemos tener otros tipos de invaginaciones
que son ya sea vesiculares o tubulares, hay muchos tipos diferentes de
estructuras de la membrana interna que se pueden formar, y como he dicho,
ésta es una gran oportunidad para el futuro de la investigación en la biología celular microbiana.
Pero volviendo a este tema, la pregunta es...y en esta célula
lo que estoy mostrando es una sección delgada de mi organismo favorito, Rhodopseudomonas palustris...
¿dónde residen los hopanoides? ¿Están en la membrana externa o están en la membrana citoplasmática?
¿Están en esta membrana llamada membrana citoplasmática interna,
que es donde se aloja la maquinaria fotosintética? La misma pregunta
se puede hacer de las cianobacterias, donde se ven estas membranas citoplásmicas interiores,
que también son el sitio de la maquinaria fotosintética de las cianobacterias.
Este es un organismo que ni siquiera es fotosintético,
pero que de hecho produce hopanoides 2-metilados
y como se puede ver, tiene sistemas de membranas complejas también.
Entonces, ¿dónde están los hopanoides?, ¿en cuál de estos sistemas de membrana?
Durante el resto de este seminario, sólo voy a centrarme en mostrarles el trabajo
que hemos hecho usando una cianobacteria representativa, Nostoc punctiforme.
Nostoc punctiforme es un sistema microbiano excelente para el estudio de la diferenciación celular.
La razón de esto es que puede existir en tres estados, como las células en crecimiento vegetativo,
algunas de las cuales pueden diferenciarse para formar estructuras especializadas llamadas heterocistos,
y aquí es donde se produce la fijación de nitrógeno en este organismo.
Sin embargo, estos organismos también son capaces de crear un estado parecido a una espora,
que se conoce como un akinete, y éste es un tipo de célula muy resistente al estrés
que se forma en condiciones de estrés y que no es metabólicamente activa. Es metabólicamente quiescente.
Así que David Doughty, un postdoctorado de mi laboratorio, decidió tomar a Nostoc
como una puerta de entrada para comprender
dónde los hopanoides se partirían en las cianobacterias.
Decidió centrarse en las diferentes membranas que acabo de describir:
la membrana externa, la membrana interna y la membrana citoplásmica interna
en el vegetal, heterocisto, y los tipos de células akinetes.
Lo que se puede ver cuando hacemos estas secciones delgadas de los organismos
y los observamos en microscopía electrónica
es que los tipos de células cambian de forma espectacular.
Por ejemplo, hay muy poco de lo que él llama aquí tilacoides.
Esto es tomar prestado un término de la biología celular eucariota,
pero lo que esto realmente describe es la membrana citoplasmática interna
que tienen estas cianobacterias y que alberga los aparatos fotosintéticos.
Tienen muy pocos cuando están en el estado akinete, lo cual tiene sentido porque éstas son células en reposo.
Los heterocistos tienen una envoltura celular muy espesada, y éstas son las células donde se produce
la fijación de nitrógeno. Esto es sólo una vista normal de una célula vegetal,
donde está lo que Dave llama una membrana tilacoide y lo que yo he llamado la membrana citoplasmática interna.
Además de una membrana externa y una interna en la envoltura celular global.
Ahora, lo que queríamos preguntar era si, dependiendo de la forma en que se cultiva la célula,
si el contenido hopanoide y la localización hopanoide en estas tres membranas cambia.
Y la respuesta fue un espectacular sí.
Lo que Dave mostró fue cuando pudo cultivarlas como células vegetativas,
como heterocistos. Aislar los heterocistos y cultivarlos para que entraran en el tipo de célula akinete
y luego fraccionar cada uno de esos tres tipos de células con respecto a la membrana citoplasmática,
la membrana de los tilacoides y la membrana externa. Mostró que para estos tipos de células,
la concentración de hopanoides, los microgramos de hopanoides por miligramo de lípidos totales,
varió de manera espectacular.
Lo que deben tener en cuenta aquí es que para la membrana citoplasmática y la tilacoide,
la escala es mucho menor que para la membrana externa.
Aquí, esto sólo va hasta 10, y aquí va hasta 60.
Por eso, aunque encontramos algunos de estos hopanoides en akinetes
y en las células vegetativas que se generan en la membrana de los tilacoides, las mayores concentraciones
se encuentran en la membrana externa de los akinetes, que son las células en reposo.
Como les he dicho, los akinetes pueden ser muy resistentes. Son estructuras de supervivencia.
Pero lo que quiero añadir a esa descripción es el hecho de que
que puedan desarrollarse cuando las células se cultivan completamente en ausencia de luz.
Mientras que en este experimento Dave las cultivó fotosintéticamente
y luego las sometió a condiciones de hambre para que pasaran al tipo akinete.
Nunca tienen que pasar por la fase fotosintética para convertirse en akinetes.
Por lo tanto, ya que la mayoría de los hopanoides metilados en este organismo
están localizados en la membrana externa de los akinetes, se puede inferir que la fuente más probable
de la deposición de hopanoides 2-metilados en los sedimentos, al menos desde este organismo,
serían las células donde la fotosíntesis no se produce.
Debido a esto podemos volver e interpretar el registro rocoso y preguntar lo siguiente:
cuando encontramos ambos estos fósiles moleculares de hopanoides 2-metilados
y estos fósiles morfológicos que los paleontólogos, que son muy inteligentes y capaces de mirar
estas imágenes y decir cuándo es un akinete versus otro tipo de célula
y asignarlas a tiempos muy antiguos en el registro rocoso...
Aquí estamos hablando de miles de millones de años, muestras de 1,5, 1,6 y 2,1 millones de años,
cuando se sabe que se producían las células akinetes diagnosticadas por estos paleontólogos.
Podemos preguntar si
el registro hopanoide 2-metilado que encontramos en épocas similares
podría haberse producido por el derramamiento de la envolvente akinete
en los sedimentos y podría reflejar una respuesta al estrés
en vez de algo relaciondo con la fotosíntesis oxigénica per se.
Dicho esto, todavía hay mucho trabajo por hacer para examinar si existe algún tipo de conexión indirecta
con la fotosíntesis oxigénica. Puede ser.
Tenemos mucho más por descubrir, por lo que éste es un campo muy emocionante
y seguirá siendo un área de investigación muy fructífera durante muchos años.
Así que para resumir con un ejemplo lo que espero haberles mostrado,
podemos reexaminar las moléculas utilizadas como biomarcadores para metabolismos antiguos
y determinar si estos biomarcadores son válidos.
En este caso particular, hemos demostrado que estos compuestos,
hopanepolyols bacterianos 2-metilados u hopanos, como se les llama en el registro de la roca,
es probable que hayan sido generados por muchas bacterias diferentes.
Y todavía no podemos decir qué tipo de organismo inventó la capacidad de hacerlos.
Así que el jurado aún está deliberando si pueden ser utilizados como biomarcadores de cianobacterias.
Dicho esto, aunque las cianobacterias los hayan inventado primero,
no es del todo claro que tengan algo que ver con la fotosíntesis oxigénica
y de hecho, toda la evidencia disponible nos llevaría a concluir lo contrario.
Es que los estudios de localización celular muestran que están principalmente en las membranas
que no tienen nada que ver con las células activas,
y tampoco necesariamente tienen que reflejar el haber pasado por un proceso de fotosíntesis.
En experimentos que no tengo tiempo para mostrar aquí,
hemos podido eliminar estos compuestos metilados en Rhodopseudomonas palustris,
y encontrar que incluso para el proceso de la fotosíntesis anoxigénica
no se les necesita, así que al parecer no tienen un rol directo en el metabolismo.
Pero lo que parece ser importante es que ellos están involucrados en la respuesta al estrés, y es probable
que esto se manifieste a través de efectos en la permeabilidad y la fluidez de la membrana.
Potencialmente hay otros roles y esperamos los descubrimientos futuros para eliminar el menú de opciones
que estas moléculas están sirviendo en términos de su función biológica en las células modernas.
Muy bien, así que para resumir lo que espero haberles mostrar de esta historia, podemos utilizar
los estudios de las bacterias modernas para profundizar en la génesis de los metabolismos antiguos.
Y aunque todavía hay mucho trabajo por hacer, tenemos un futuro muy interesante
por delante, donde tenemos estos compuestos notablemente geostables
que están en rocas increíblemente antiguas, que se remontan más de dos millones de años,
y tenemos que poder interpretarlos con rigor. En el caso de estos hopanos bacterianos 2-metilados,
parece que realmente ya no son los mejores indicadores de la fotosíntesis oxigénica.
Sin embargo, podrían ser buenos indicadores de las respuestas al estrés microbiano y otras cosas.
En el futuro esperamos entender cuáles son sus funciones biológicas
en tanto las cianobacterias como otros organismos que los hacen. Y tenemos que utilizar estas moléculas
como firmas biológicas de maravillosos inventos en la historia de la biología celular.
Así que con esto me gustaría agradecer a la gente de mi laboratorio
a la que me he referido, que hicieron este trabajo.
Ha sido una colaboración de muchos años que comenzó en Caltech con el el estudiante Sky Rashby,
co-asesorado por mi colega Alex Sessions, y en colaboración con mi colega Roger Summons en MIT.
Luego fue continuada por dos investigadores postdoctorales, principalmente Paula Welander y Dave Doughty,
Paula haciendo el trabajo con Rhodopseudomonas palustris y Dave con Nostoc,
y ahora continuando con Rhodopseudomonas, ayudado en el trabajo filogenético por Maureen Coleman
y en microscopía por Ryan Hunter.
Y el Instituto Médico Howard Hughes, la NASA y la NSF han contribuido a nuestra investigación.