La tomografía crioelectrónica proporcionó información sobre la estructura celular de un arqueón de Asgard recién cultivado que se ilustra aquí. Son notables los extensos filamentos del citoesqueleto de actina (naranja) en los cuerpos celulares y las protuberancias celulares, así como la envoltura celular única (azul). Crédito: © Margot Riggi, The Animation Lab, Universidad de Utah
Investigadores de la Universidad de Viena y ETH Zurich cultivan el microorganismo «eslabón perdido».
¿Qué condujo a la aparición de organismos complejos en la Tierra? Es una importante pregunta sin respuesta en biología. Investigadores del equipo de Christa Schleper en el Universidad de Viena y el equipo de Martin Pilhofer en ETH Zúrich han dado un paso para resolverlo. Los científicos lograron cultivar una arquea especial y caracterizarla con mayor precisión utilizando métodos microscópicos.
Este miembro de las arqueas de Asgard exhibe características celulares únicas y puede representar un «eslabón perdido» evolutivo para formas de vida más complejas, como animales y plantas. El estudio fue publicado recientemente en la revista Naturaleza.
Todas las formas de vida en la tierra se dividen en tres dominios principales: eucariotas, bacterias y arqueas. Los eucariotas incluyen los grupos de animales, plantas y hongos. Sus células suelen ser mucho más grandes y, a primera vista, más complejas que las células de bacterias y arqueas. El material genético de los eucariotas, por ejemplo, está empaquetado en un núcleo celular y las células también tienen una gran cantidad de otros compartimentos. La forma celular y el transporte dentro de la célula eucariota también se basan en un citoesqueleto extenso. Pero, ¿cómo se produjo el salto evolutivo hacia células eucariotas tan complejas?
Una de las teorías evolutivas más populares actualmente asume que los eucariotas (incluyendo animales, plantas y hongos) surgieron de la fusión de un arqueón de Asgard con una bacteria. Crédito: © Florian Wollweber, ETH Zürich
La mayoría de los modelos actuales asumen que las arqueas y las bacterias desempeñaron un papel central en la evolución de los eucariotas. Se cree que una célula primordial eucariota evolucionó a partir de una estrecha simbiosis entre arqueas y bacterias hace unos dos mil millones de años. En 2015, estudios genómicos de muestras ambientales de aguas profundas descubrieron el grupo de las llamadas arqueas de Asgard, que en el árbol de la vida representan a los parientes más cercanos de los eucariotas. Las primeras imágenes de células Asgard se publicaron en 2020 a partir de cultivos de enriquecimiento por parte de un grupo japonés.
Arqueas de Asgard cultivadas a partir de sedimentos marinos
El grupo de trabajo de Christa Schleper en la Universidad de Viena ahora ha logrado por primera vez cultivar un representante de este grupo en concentraciones más altas. Proviene de sedimentos marinos en la costa de Piran, Eslovenia, pero también es un habitante de Viena, por ejemplo, en los sedimentos del banco del Danubio. Debido a su crecimiento a altas densidades celulares, este representante puede estudiarse particularmente bien. “Fue muy complicado y laborioso obtener este organismo extremadamente sensible en un cultivo estable en el laboratorio”, informa Thiago Rodrigues-Oliveira, postdoctorado en el grupo de trabajo Archaea de la Universidad de Viena y uno de los primeros autores del estudio.
El coautor Rafael Ponce toma muestras de sedimentos marinos en el Canal Seca en Piran, Eslovenia. Crédito: © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Viena
Las arqueas de Asgard tienen una forma celular compleja con un citoesqueleto extenso
El notable éxito del grupo vienés de cultivar un representante de Asgard altamente enriquecido finalmente permitió un examen más detallado de las células por microscopía. Los investigadores de ETH en el grupo de Martin Pilhofer utilizaron un microscopio crioelectrónico moderno para tomar fotografías de células congeladas. “Este método permite una visión tridimensional de las estructuras celulares internas”, explica Pilhofer.
Micrografía electrónica de barrido de una célula de Lokiarchaeum ossiferum que muestra las protuberancias celulares largas y complejas. Crédito: © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Viena
“Las células consisten en cuerpos celulares redondos con extensiones celulares delgadas, a veces muy largas. Estas estructuras similares a tentáculos a veces incluso parecen conectar diferentes cuerpos celulares entre sí”, dice Florian Wollweber, quien pasó meses rastreando las células bajo el microscopio. Las células también contienen una extensa red de filamentos de actina que se cree que es exclusivo de las células eucariotas. Esto sugiere que las estructuras citoesqueléticas extensas surgieron en las arqueas antes de la aparición de los primeros eucariotas y alimenta las teorías evolutivas en torno a este evento importante y espectacular en la historia de la vida.
Perspectivas futuras a través del nuevo organismo modelo
“Nuestro nuevo organismo, llamado Lokiarchaeum ossiferum, tiene un gran potencial para proporcionar más información innovadora sobre la evolución temprana de los eucariotas”, comenta la microbióloga Christa Schleper. “Se han necesitado seis largos años para obtener un cultivo estable y altamente enriquecido, pero ahora podemos usar esta experiencia para realizar muchos estudios bioquímicos y también para cultivar otras arqueas de Asgard”. Además, los científicos ahora pueden usar los nuevos métodos de imágenes desarrollados en ETH para investigar, por ejemplo, las interacciones cercanas entre las arqueas de Asgard y sus socios bacterianos. Los procesos biológicos celulares básicos, como la división celular, también pueden estudiarse en el futuro para arrojar luz sobre el origen evolutivo de estos mecanismos en eucariotas.
Referencia: «Citoesqueleto de actina y arquitectura celular compleja en un archaeon de Asgard» por Thiago Rodrigues-Oliveira, Florian Wollweber, Rafael I. Ponce-Toledo, Jingwei Xu, Simon K.-MR Rittmann, Andreas Klingl, Martin Pilhofer y Christa Schleper, 21 diciembre 2022, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-022-05550-y
