Hace más de 1.500 millones de años ocurrió algo trascendental: dos células pequeñas y primitivas se convirtieron en una. Quizás más que cualquier acontecimiento (salvo el origen de la vida misma), esta fusión cambió radicalmente el curso de la evolución en nuestro planeta.
Una célula terminó dentro de la otra y evolucionó hasta convertirse en una estructura que los escolares aprenden a denominar “la central eléctrica de la célula”: la mitocondria. Esta nueva estructura proporcionó una tremenda ventaja energética a su anfitrión, una condición previa para la evolución posterior de vida multicelular compleja.
Pero eso es sólo una parte de la historia. La mitocondria no es la única estructura importante dentro de las células eucariotas complejas. Está el núcleo rodeado de membrana, guardián del genoma. Hay todo un sistema de membranas internas: el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi, lisosomas, peroxisomas y vacuolas, esenciales para producir, transportar y reciclar proteínas y otras cargas dentro y alrededor de la célula.
¿De dónde vinieron todas estas estructuras? Con acontecimientos perdidos en el pasado lejano y pocos rastros que sirvan como pistas evolutivas, es una cuestión muy difícil de abordar. Los investigadores han propuesto varias hipótesis, pero sólo recientemente, con algunas herramientas y técnicas nuevas, los biólogos celulares han podido investigar los inicios de esta intrincada arquitectura y arrojar algo de luz sobre sus posibles orígenes.
Una fusión microbiana
La idea de que los eucariotas se originaron a partir de la fusión de dos células se remonta a más de 100 años, pero no fue aceptada ni conocida hasta la década de 1960, cuando la fallecida bióloga evolutiva Lynn Margulis articuló su teoría de la endosimbiosis. La mitocondria, dijo Margulis, probablemente se originó a partir de una clase de microbios conocidos como alfaproteobacterias, un grupo diverso que hoy incluye la bacteria responsable del tifus y otra importante para la ingeniería genética de las plantas, entre muchas otras.
No se sabía nada sobre la naturaleza de la célula huésped original. Los científicos propusieron que ya era bastante complicado, con una variedad de estructuras de membrana en su interior. Una célula así habría sido capaz de engullir e ingerir cosas, una característica eucariota complicada y energéticamente costosa llamada fagocitosis. Podría ser así como la mitocondria llegó por primera vez al huésped.
Pero esta idea, llamada hipótesis de las “mitocondrias tardías”, no explica cómo o por qué la célula huésped se había vuelto compleja para empezar.
En 2016, el biólogo evolutivo Bill Martin, el biólogo celular Sven Gould y el bioinformático Sriram Garg, de la Universidad de Dusseldorf en Alemania, propusieron un modelo muy diferente conocido como hipótesis de las “mitocondrias tempranas”. Argumentaron que, dado que hoy en día ninguna célula primitiva tiene estructuras de membrana interna, parece muy poco probable que una célula las hubiera tenido hace más de 1.500 millones de años.
En cambio, razonaron los científicos, el sistema de endomembrana (toda la mezcolanza de partes que se encuentran hoy dentro de las células complejas) podría haber evolucionado poco después de que la alfaproteobacteria se estableciera dentro de una célula huésped relativamente simple, de un tipo de una clase llamada arquea. Las estructuras de la membrana habrían surgido de burbujas o vesículas liberadas por el ancestro mitocondrial.
Las bacterias de vida libre arrojan vesículas todo el tiempo, por todo tipo de razones, señalan Gould, Garg y Martin, por lo que parece razonable pensar que continuarían haciéndolo cuando estuvieran encerradas dentro de un huésped.
Con el tiempo, estas vesículas se habrían especializado en las funciones que las estructuras de membrana desempeñan hoy en día dentro de las células eucariotas. Incluso se fusionarían con la membrana de la célula huésped, lo que ayudaría a explicar por qué la membrana plasmática de los eucariotas contiene lípidos con características bacterianas.
Las vesículas podrían haber cumplido una importante función inicial, afirma el bioquímico Dave Speijer de la Universidad de Ámsterdam. El nuevo endosimbionte habría generado muchas sustancias químicas venenosas llamadas especies reactivas de oxígeno, al oxidar ácidos grasos y quemarlos para obtener energía. «Estos destruyen todo, son tóxicos, especialmente en el interior de una célula», dice Speijer. Secuestrarlos dentro de vesículas habría ayudado a mantener la célula a salvo de daños, afirma.
Otro problema creado por el nuevo huésped también podría haberse solucionado haciendo barreras de membrana, añaden Gould, Garg y Martin. Después de la llegada de la alfaproteobacteria, fragmentos de su ADN se habrían mezclado con el genoma del huésped arqueal, interrumpiendo genes importantes. Solucionar esto significaría desarrollar maquinaria para separar estas piezas extrañas (hoy se las conoce como intrones) de las copias de ARN mensajero de los genes, de modo que esas instrucciones de producción de proteínas no se confundan.
Pero eso creó otro problema más. La maquinaria productora de proteínas (el ribosoma) funciona extremadamente rápido, uniendo varios aminoácidos por segundo. Por el contrario, el sistema de eliminación de intrones de la célula es lento y elimina aproximadamente un intrón por minuto. Entonces, a menos que la célula pudiera mantener el ARNm alejado de los ribosomas hasta que el ARNm se procesara adecuadamente, la célula produciría muchas proteínas inútiles y sin sentido.
La membrana que rodea el núcleo proporcionó una respuesta. Al actuar como una barrera espacial, permite que el empalme del ARNm termine en el núcleo antes de que el ARNm libre de intrones se traduzca en el fluido interno de la célula, el citosol. «Esta es la presión selectiva detrás del origen del núcleo», dice Martin. Para formarlo, las vesículas secretadas por el endosimbionte se habrían aplanado y envuelto alrededor del genoma, creando una barrera para mantener alejados a los ribosomas pero aún permitiendo que las moléculas pequeñas pasaran libremente.