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El árbol de la vida (LUCA)

Para empezar este apasionante recorrido de la vida que inunda cada rincón de nuestro planeta, hay que remontarse mucho tiempo atrás. En un tiempo donde un joven Sol brillaba un 30% menos que en la actualidad y donde una joven Tierra giraba en torno a él, sin oxígeno en su atmósfera y que en su superficie la lava y las erupciones volcánicas eran constantes. Aun siendo hoy totalmente un misterio cuáles fueron los acontecimientos que dieron origen a la aparición de la vida, los científicos siguen buscando esas respuestas. Uno de los pioneros fue el químico Stanley Miller, quien a través de sus experimentos reprodujo lo que pudieran haber sido las condiciones de nuestro planeta en el pasado y cuyo resultado fue la obtención de las moléculas fundamentales para el surgimiento de la vida.

La diversidad celular en nuestro planeta viene determinada por la división de tres grandes dominios: bacterias, arqueas y eucariotas. Actualmente sabemos que estos tres tipos de células proceden de una antecesor en común, que se le conoce como LUCA (de sus siglas en inglés “último ancestro común universal”).

¿Qué o quién fue LUCA?

La vida sobre la Tierra se originó hace más de 3500 m.a (millones de años). Donde la síntesis prebiótica de moléculas, la aparición y formación del ARN autocatalítco (ácido ribonucleico) y la traducción de sus secuencias en los primeros polipéptidos, dieron origen a la primera célula procariota. Recientemente se han descubiertos estos fósiles de organismos procariotas, que datan de hace 3800 m.a. Así que podemos situar a LUCA como el origen del árbol de la vida, que dará origen a la aparición y diversificación de los tres dominios que pueblan el planeta.

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Sin embargo, existe una amplia variedad de opiniones con respecto al estado celular y la complejidad de este organismo. Entre ellas están: su modo de aparición, la evolución de su metabolismo y la naturaleza de su material genético.

Es decir, si hubo un ancestro primitivo que presentaba una relación genotipo-fenotipo rudimentaria y un genoma de ARN compuesto por numerosos minicromosomas que evolucionó posteriormente hasta convertirse en un LUCA con un genoma de ARN, o si LUCA ya había alcanzado una etapa posterior de la evolución, con una composición de ARN/ADN o ADN como material genético.

Por ello, sigue siendo una cuestión que se halla en debate. Para otros autores, LUCA es el antepasado directo de bacterias y arqueas, siendo los eucariotas el producto de un proceso de fusión entre ambos. Por otra parte, los acontecimientos recientes sobre el origen de los virus y su posible papel en la evolución han abierto nuevas perspectivas sobre la aparición y la herencia genética de LUCA.

Actualmente contamos con un material muy preciado, los genomas. Éstos podrían ayudarnos a reconstruir este árbol y aproximarnos a este primer organismo. El esquema que podemos ver en la imagen está basado en la comparación del ARN ribosómico, pero que en la actualidad, las posiciones de arqueas, bacterias y eucariotas sigue modificándose.

¿En qué consiste ese análisis del genoma?

 

lucaUno de los estudios que se lleva a cabo es saber que proteínas son codificadas por el genoma, que científicamente se conoce como el proteoma, que nos informa de su presencia en la célula. Y que su conocimiento puede servir para saber las características del organismo.

Hoy día, hay una gran cantidad de genomas secuenciados y por tanto conocemos el contenido genético de los descendientes de LUCA. Con estas secuencias genéticas conocidas es posible compararlas entre ellas, permitiendo realizar una distribución de los genes con un origen en común y distribuir así filogenéticamente a los distintos organismos. Una vez realizada esa distribución se estudian esas proteínas y evaluar qué componentes pudieron derivar del ancestro en común.

Todo esto se lo debemos a Carl Woese, un microbiólogo estadounidense que falleció el 30 de diciembre de 2012 y fue quien creó la nueva taxonomía basada en la secuenciación del ARN ribosomal 16S y 18S, que comparten todos los seres vivos del planeta y que apenas ha variado. Él fue quien descubrió el dominio de las arqueas. Además él, propuso el dominio de las bacterias como las raíces del árbol de la vida. Posteriormente, se debatió esta hipótesis y se propuso a LUCA como un organismo protoeucariota, es decir, un antepasado de la línea celular con una entidad bien distinta de las bacterias y arqueas.

Así pues para llevar a cabo todo este estudio, hay que contar con toda la maquinaria de transcripción y traducción, para intentar deducir la evolución del material genético y la complejidad de LUCA. Y es por ello, que todo este camino evolutivo lleva a que éste organismo pudo tener presente todo este mecanismo complejo, muy similar a la células modernas. Es decir, se trataría por tanto de un organismo ancestral complejo. Siempre hay que destacar que éste corresponde a la base del árbol que dio lugar posteriormente a la diversificación de los tres dominios, y que anterior a LUCA, hubo una serie de fases evolutivas a nivel celular o precelulares, con una menor complejidad.

¿Qué características metabólicas tenía LUCA?

Llegado a este punto, hay que tener en cuenta que hay dos puntos de vista sobre el origen de las primeras células, en cuanto a su metabolismo energético: autótrofo o heterótrofo. En cualquier caso, LUCA no era un descendiente inmediato de estas células primitivas.  Un análisis de la filogenia de las familias de genes implicados en el metabolismo energético sugiere que LUCA estaba dotado de un amplio espectro de capacidades bioenergéticas.

Una de las rutas metabólicas mejor conocidas y que es universal en los tres dominios es la glucólisis, ruta metabólica que cataboliza la glucosa para la obtención de energía en forma de ATP. Además de otras rutas, como la síntesis de aminoácidos y nucleótidos, dotarían a LUCA de la capacidad de fabricar sus propios componentes esenciales.

La siguiente imagen muestra una visión esquemática de una posible reconstrucción de LUCA

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Otro gran problema que representa LUCA es la composición de los que pudo ser su membrana celular, algo difícil de resolver con respecto a su metabolismo y la composición de material genético tal y como hemos visto anteriormente. Es posible que tuviera membranas de tipo bacteria y eucariota distintas a las de arqueas.

¿Qué conclusiones podemos extraer?

Como podemos ver es muy difícil llegar a un consenso, para poder reconstruir a LUCA. Se ha sugerido que contaba de un sistema de procesamiento genético y un metabolismo central complejo, tal y como muestran las últimas investigaciones.

Y como no, queda mucho por resolver sobre la presencia de su genoma, el tipo que poseía, y de la procedencia de las membranas celulares.

Finalmente, nos encontramos en la base de la diversificación de los dominios bacteria, arquea y eucariota, otro gran mundo al que se le puede dedicar mucho tiempo para explicar las diferencias entre ellos y volver a especular en qué orden evolutivo aparece cada uno de ellos.

Imágenes de: http://my.opera.com/tutoriabiologiaUBAXXI/blog/unidad y http://www.investigacionyciencia.es/investigacion-y-ciencia/numeros/2009/11/el-origen-de-las-clulas-1173

Bibliografia
    • Nicolas Glansdorff, Ying Xu and Bernard Labedan, The Last Universal Common Ancestor: emergence, constitution and genetic legacy of an elusive forerunner, Biology Direct 2008.
    • Marc P. Hoeppner, Paul P. Gardner, Anthony M. Poole, Comparative Analysis of RNA Families Reveals Distinct Repertoires for Each Domain of Life, Computational Biology 2012.
    • Toni Gabaldon, El origen de las células, Investigación y Ciencia 2009.
    • Alberts, Unidad y diversidad de las células, Introducción a la Biología Celular 2ª Edición 2005.

About Sergio Pomares

Sergio es Licenciado en Biología por la Universidad de Alicante en 2010 con la doble licenciatura en Bioquímica en 2012 en la Universidad Miguel Hernández de Elche. Ha trabajado como becario en el Área de Toxicología del Karolinska Institutet de Estocolmo (Suecia) gracias a una Beca Leonardo Da Vinci y en la actualidad está matriculado en el Máster de Bioingeniería de la Universidad Miguel Hernández de Elche.

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