Compartir

Carlos del Porto Blanco

En el vasto mundo de los microorganismos, las arqueas (o arqueobacterias) han capturado la atención de científicos y entusiastas por igual.

Esos diminutos seres, invisibles a simple vista, no solo han revolucionado la comprensión de la vida, sino que también han enseñado que la naturaleza siempre guarda sorpresas inesperadas. A ellas dedicaremos la columna de hoy.

En el campo de la investigación, el azar no favorece más que a los espíritus preparados. Louis Pasteur.

¿Qué son las arqueas?

Las arqueas (del griego archaios, que significa «antiguo») son un dominio de organismos unicelulares que conforman los tres dominios fundamentales de la vida: bacterias, eucariotas (grupo que incluye a plantas, animales y hongos) y arqueas. Durante mucho tiempo fueron confundidas con bacterias debido a su tamaño microscópico y su aparente simplicidad. Sin embargo, su ADN y sus procesos metabólicos son más cercanos a los de los eucariotas. Eso las convierte en un eslabón crucial para entender el origen de la vida compleja en la Tierra. Las investigaciones modernas han revelado que las arqueas son completamente únicas. No poseen núcleo celular como los eucariotas, pero su maquinaria molecular y sus membranas celulares difieren radicalmente de las bacterias.

Lo más sorprendente es que esas criaturas extremadamente adaptables prosperan en los ambientes más inhóspitos del planeta. Desde fuentes termales hirvientes hasta pozos de salmuera hipersalinos, pasando por las profundidades del océano donde la presión aplasta cualquier cosa, las arqueas demuestran una capacidad asombrosa para sobrevivir donde otras formas de vida fracasarían. Sus restos fósiles son tan antiguos como para ser un registro de los inicios de la vida en el planeta, con entre 3770 y 4280 millones de años.

Las arqueas son organismos procariotas, lo que significa que no tienen un núcleo definido. Dos de sus características singulares es su pared celular, diferente a la de las bacterias, y su capacidad para vivir en ambientes extremos. Existen tres grupos principales de arqueas: metanógenas, halófilas y termófilas. Las metanógenas producen metano y se encuentran en ambientes anaeróbicos, como los intestinos de los rumiantes. Las halófilas prosperan en ambientes salinos, mientras que las termófilas viven en aguas termales y géiseres.

El núcleo de las células eucariotas

Las células que conforman a los animales y plantas tienen un núcleo que guarda su ADN. Ese núcleo es el resultado de una fusión entre dos tipos de células diferentes hace miles de millones de años. Todo empezó cuando una célula procariota, es decir, una que no tiene núcleo, sino nucleoide, se ingirió a otra más pequeña, pero en vez de digerirla, la célula pequeña se quedó dentro de la grande y empezó a colaborar con ella. Así se formó una relación simbiótica en la que ambas células se beneficiaban de la presencia de la otra. La célula pequeña le proporcionaba energía a la grande, mientras que la esta última le ofrecía protección y nutrientes a la pequeña. Con el tiempo, esa relación se hizo tan estrecha que las dos células se fusionaron y formaron una sola. La célula pequeña se convirtió en el núcleo y la grande en el citoplasma. Así nació la primera célula eucariota, que dio origen a todos los organismos multicelulares que se conocen hoy.

Puede ser una imagen de texto que dice "Núcleo Nucléolo ?? E SINH CHAND Eucariota"

Esa hipótesis se llama endosimbiosis seriada y fue propuesta por la bióloga Lynn Margulis en 1967. Aunque al principio fue muy criticada, hoy en día cuenta con muchas evidencias que la respaldan. Por ejemplo, el ADN del núcleo tiene similitudes con el nucleoide de algunas bacterias, lo que sugiere que proviene de una célula procariota. Además, el núcleo tiene una doble membrana, como si fuera una célula dentro de otra.

El nucleoide de las bacterias.

Las bacterias poseen nucleoide y éste es una región del citoplasma donde se encuentra el ADN bacteriano. El ADN es la molécula que contiene toda la información genética de un organismo, como un manual de instrucciones para fabricar todas las proteínas que necesita. El ADN bacteriano es circular y muy largo, por lo que tiene que enrollarse y compactarse para caber en el espacio limitado de la célula. Para ello, cuenta con la ayuda de unas proteínas especiales que lo sujetan y le dan forma. El nucleoide no está separado del resto del citoplasma por ninguna membrana, como sí ocurre en el núcleo de las células eucariotas (que tienen núcleo definido). Eso significa que el ADN bacteriano está en contacto directo con el medio interno de la célula y puede interactuar con otras moléculas, como el ARN y las enzimas.

Nucleoide de la célula procariota

El nucleoide es una estructura dinámica y flexible que cambia de forma y tamaño según las condiciones ambientales y el ciclo celular de la bacteria. Por ejemplo, cuando la bacteria se va a dividir, el ADN se duplica y se forma un segundo nucleoide que se separa del primero y se dirige hacia los polos opuestos de la célula. Así, cada célula hija recibe una copia idéntica del ADN original y un nucleoide.

El nucleoide es una de las características distintivas de las bacterias y una fuente de diversidad genética. Además del ADN cromosómico, algunas bacterias tienen pequeñas moléculas de ADN circular llamadas plásmidos que se encuentran dispersas en el citoplasma o asociadas al nucleoide. Éstos contienen genes adicionales que pueden conferir ventajas a las bacterias, como la resistencia a los antibióticos o la capacidad de intercambiar material genético con otras bacterias.

Ahora se entenderá porque fue tan importante el nucléolo. En él se encuentran los ribosomas, que son los encargados de leer el ARN mensajero y de producir las proteínas que hacen funcionar a la célula. Cuantos más ribosomas tenga una célula, más proteínas podrá elaborar, y más complejas y diversas podrán ser éstas. Así, las arqueas con nucléolo fueron ganando ventaja sobre las que no lo tenían y empezaron a adquirir otras características que las hicieron más parecidas a las células eucariotas actuales, como la presencia de orgánulos (pequeños órganos dentro de la célula), una membrana nuclear (que separa el núcleo del resto de la célula) y una mayor variedad de formas y tamaños.

Un descubrimiento que cambió la biología

El estudio de las arqueas comenzó formalmente en 1977, gracias al trabajo pionero de un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Estados Unidos. Entre ellos los microbiólogos Carl Woese y George Fox. Sin embargo, su historia se remonta mucho tiempo atrás. En 1776, se observó por primera vez la producción de metano en el lago Mayor, Italia, lo que más tarde se asociaría con la actividad de microorganismos metanógenos. En 1882, se descubrió que la producción de metano en el intestino de los animales se debía a la presencia de algunos microorganismos. Se considera al año 1936, el que marcó el principio de la era moderna en el estudio de la metanogénesis, H.A Barker brindó las bases científicas para el estudio de su fisiología y logró desarrollar un medio de cultivo apropiado para el crecimiento de los metanógenos. En ese mismo año se identificaron los géneros Methanococcus y Methanosarcina.

Las primeras arqueas extremófilas se encontraron en ambientes calientes. En 1970, Thomas D. Brock de la Universidad de Wisconsin, Estados Unidos, descubrió a Thermoplasma, un arquea termoacidófila y en 1972 a Sulfolobus, una hipertermófila. Brock comenzó a trabajar en 1969 en el campo de la biología de los hipertermófilos con el descubrimiento de la bacteria Thermus.

En 1977, como ya se dijo, se identifica a las arqueas como el grupo procariota más distante al descubrir que los metanógenos presentan una profunda divergencia con todas las bacterias estudiadas. Ese mismo año se propone la categoría de superreino para ese grupo con el nombre de Archaebacteria. En 1978, el manual de Bergey le da la categoría de filo con el nombre de Mendosicutes y en 1984 divide al reino Procaryotae o Monera en cuatro divisiones, agrupándolas en la división Mendosicutes.

Las arqueas hipertermófilas se agruparon en 1984 bajo el nombre Eocyta, identificándolas como un grupo independiente de las entonces llamadas arqueobacterias (en referencia a los metanógenos) y las eubacterias, descubriéndose además que Eocyta era el grupo más cercano a las eucariotas. La relación filogenética entre metanógenos e hipertermófilos hace que en 1990 se renombre a Eocyta como Crenarchaeota y a las metanógenas como Euryarchaeota, formando el nuevo grupo Archaea como parte del sistema de tres dominios.

En febrero de 2023 se descubrió que un grupo de arqueas sí presentan nucléolo, rompiendo por completo el paradigma de la microbiología, eso gracias a una colaboración entre la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional Autónoma de México (FC-UNAM), el Instituto de Biología (IB-UNAM) y la King Abdullah University of Science & Technology (KAUST) de Arabia Saudita.

Volviendo a la historia inicial, «Por supuesto que son bacterias», cuenta el microbiólogo Ralph Wolfe que le contestó a su colega Carl Woese cuando éste le comunicó que los microorganismos generadores de metano que habían incluido en sus estudios genéticos tenían que ser diferentes de las bacterias y de todos los demás seres vivos conocidos. Se acababa de descubrir las arqueas, un increíble hallazgo que cambiaría por completo la clasificación de la vida.

Woese descubrió que ciertos microorganismos no encajaban ni en el grupo de las bacterias ni en el de los eucariotas, utilizando técnicas avanzadas de secuenciación genética. Ese hallazgo llevó a la propuesta de un tercer dominio de la vida, lo que redefinió el árbol evolutivo de la biología. Woese fue ampliamente reconocido por su trabajo, aunque inicialmente enfrentó el escepticismo. Hoy, su contribución es considerada uno de los avances más importantes en la historia de la biología.

Desde que el último ancestro común universal —o LUCA— comenzó a diversificarse, surgieron dos linajes claramente diferenciados. El linaje de las bacterias, y el de las arqueas. Las arqueas son organismos procariotas —sin núcleo celular— pero con unas características únicas que las diferencian de las bacterias. Hasta aquí, todo está bastante claro. Pero el siguiente paso del proceso ya es más complicado.

¿Se separaron las eucariotas de las arqueas antes de que ellas se diversificaran o, por el contrario, proceden de un grupo específico de arqueas? Si la respuesta correcta es la primera, entonces la vida se compone de tres dominios separados: bacterias, arqueas y eucariotas. Pero, si la correcta es la segunda alternativa, la vida solo estaría formada por dos dominios reales: bacterias y arqueas, y los organismos eucariotas solo serían una forma particular, evolucionada de las arqueas y por tanto, pertenecientes a ese dominio; del mismo modo que para algunos investigadores las aves son, en realidad, un grupo de dinosaurios. La respuesta a esa pregunta no solo resolvería un complejo rompecabezas, sino que además forma parte de la respuesta a la gran pregunta: “¿de dónde venimos?”.

Durante el año 2015, un grupo de investigadores de la Universidad de Uppsala, Suecia, descubrió un nuevo linaje de arqueas en el fondo del mar, cerca de las fuentes hidrotermales que emergen, entre Noruega y Groenlandia, en el extremo norte de la dorsal atlántica; en un escarpado paraje a más de 2000 metros de profundidad, muy cercano a una formación que recibe el nombre del Castillo de Loki. Y ese nuevo linaje resultó ser mucho más importante de lo que se podría pensar en un principio.

En ese descubrimiento, se observó que se trataba de un grupo excepcional de arqueas. Su genoma codificaba para un amplio repertorio de proteínas que, hasta entonces, se pensaba que eran propias de las eucariotas, y mostraba una gran capacidad de remodelar sus membranas celulares. ¿Podría ser la respuesta a ese gran dilema que atenazaba a la biología evolutiva?

Son organismos con rasgos ambiguos, pertenecientes a un grupo, pero con características de otro, como un gigante que se hace pasar por un dios. Organismos capaces de remodelar sus membranas, como quien cambia de piel y adquiere aspectos distintos con su poder de transformación. Organismos clave en un dilema controvertido y que ha generado confusión a los científicos. Aquellos investigadores no pudieron encontrar mejor excusa para darle nombre al nuevo linaje descubierto que Lokiarchaeota.

Pero era el principio. En pocos años, más y más arqueas íntimamente relacionadas con las de Loki se fueron encontrando, nuevos grupos filogenéticamente relacionados entre sí, con capacidades únicas y distintas al resto de las arqueas. Recibieron el nombre de ‘arqueas de Asgard’, el hogar de los dioses nórdicos. Otros Aesir y Vanir recibieron el honor de ser los portavoces de los nuevos grupos de arqueas. Por supuesto, Odin, Padre de Todos, recibió su clado Odinarchaeota, íntimamente relacionado con los grupos que reciben sus nombres en honor a Baldr, Hermod y Thor —tres de los hijos de Odin—.

Los gigantes Kari, Gerd y Jord —madre de Thor—, Hodar, el dios ciego o Heimdall, el vigilante, también tienen sus grupos de arqueas, e incluso la aterradora diosa del inframundo, Hela, hija de Loki, ha recibido tal honor. Entre los grupos más basales en la filogenia —es decir, con rasgos más primitivos— ser encuentra un grupo en honor a Borr, padre de Odin. Estudios posteriores encontraron aún más linajes, cuyos nombres propuestos otorgan el honor a Sigyn, la esposa de Loki; Njord, dios del mar —con unos hermosos pies, según dice el mito—, Sif, esposa de Thor, y Freyr, hijo de Njord y dios de la lluvia y de la fertilidad junto a su hermana Freyja.

Entre todo ese panteón de arqueas de nombres nórdicos se infiltra, no obstante, un visitante inesperado procedente de otra mitología: el grupo Wukongarchaeota, que recibe el nombre en honor al rey mono Sun Wukong, de la cultura china de la dinastía Tang. Un intento de los investigadores que descubrieron el linaje, asociados a la Universidad de Shenzhen, en China, de incorporar una pizca de su mitología en el nórdico entramado de las arqueas de Asgard.

El estudio de esas arqueas no resulta sencillo. Son organismos difíciles de obtener. Las primeras muestras ni siquiera pudieron ser cultivables; se obtuvieron sus datos genómicos desde muestras directas obtenidas del ambiente.

Con el tiempo se han ido incorporando nuevas muestras, incluso se ha logrado cultivar una especie de arquea de Loki. Desde el principio, proporcionaron a los investigadores un fuerte apoyo en forma de pruebas científicas de que, probablemente, el ancestro arqueano de las células eucariotas formase parte del mismo grupo, es decir, que todas las eucariotas probablemente descienden —o mejor dicho, descendemos— de las arqueas de Asgard. Descubrimientos posteriores han encontrado pruebas de la existencia de nucleoides condensados en algunas arqueas de Asgard que podrían ser los precursores del núcleo celular de las eucariotas. Sin embargo, la conclusión no es tan sólida como hubieran querido los investigadores.

Hay otra hipótesis que puede explicar la aparente proximidad entre las características de esas arqueas y las eucariotas. La transferencia horizontal de genes es un proceso mediante el cual un organismo transmite genes a otro organismo distinto —ya sea de forma directa o indirecta, por ejemplo, mediante virus—, causando lo que se podría denominar transgénicos naturales. Es un proceso que hasta hace poco se creía marginal, pero que en realidad ha ocurrido con frecuencia en la historia de la evolución, y entre organismos unicelulares procariotas, como pueden ser bacterias o arqueas, se puede dar con muchísima facilidad.

Existe la posibilidad de que las arqueas ancestrales de las células eucariotas, o incluso las primeras eucariotas auténticas, transfirieran los genes que codifican para sus proteínas a los ancestros de las arqueas de Asgard, y que ese sea el motivo por el que se encuentran hoy esos genes en Thor, Loki y compañía. Esa hipótesis se refuerza por el hecho de que el paso de la más compleja de las arqueas de Asgard a la más simple de las células eucariotas implica muchas transiciones evolutivas que aún no han sido observadas en la naturaleza. Sin embargo, esos procesos debieron darse necesariamente en algún grupo, dado que los eucariotas existen, por lo que esta hipótesis solo desplaza el problema a otro lugar ignoto.

Importancia de las Arqueas.

Las arqueas no solo son fascinantes desde el punto de vista biológico, sino que también tienen un papel crucial en los ecosistemas. Por ejemplo, las metanógenas son esenciales en el ciclo del carbono, ayudando a descomponer materia orgánica y liberar metano, un gas de efecto invernadero. Además, algunas arqueas son utilizadas en biotecnología, como en la producción de biocombustibles y en procesos industriales.

Algunos hitos relacionados con las arqueas

  • 1977: Carl Woese y George Fox publican su descubrimiento de las arqueas, utilizando técnicas de secuenciación de ARN ribosomal para demostrar que son un dominio distinto de la vida.
  • Años 1980: Se descubre que las arqueas metanogénicas juegan un papel crucial en el ciclo del carbono.
  • 1996: Se secuencia el genoma completo de Methanococcus jannaschii, una arquea metanógena que vive en fuentes hidrotermales. Ese hito confirmó que las arqueas tienen genes únicos que no se encuentran en bacterias o eucariotas.
  • 2005: Investigadores descubren una nueva clase de arqueas, conocida como Thaumarchaeota, que juegan un papel crucial en el ciclo global del nitrógeno.
  • 2007, un equipo de científicos encontró arqueas en el Lago Vida, en la Antártida, un lugar tan extremo que parece sacado de otro planeta
  • 2020: Un equipo internacional identifica arqueas en sedimentos marinos profundos, sugiriendo que podrían haber existido desde los primeros días de la Tierra.
  • 2024: Investigadores de la Universidad de Monash revelan que las arqueas producen hidrogenasas, enzimas clave para la sostenibilidad energética

 

Para curiosos

 

  1. Las arqueas y la cerveza: En 2018, un grupo de investigadores descubrió que algunas arqueas halófilas podrían ser utilizadas en la producción de cerveza. Su capacidad para metabolizar azúcares en condiciones extremas abrió la puerta a aplicaciones industriales insospechadas.
  2. El error de Darwin: Charles Darwin, en su famoso libro “El origen de las especies”, sugirió que la vida podría haber comenzado en un «pequeño estanque cálido». Aunque no lo sabía, las arqueas termófilas que viven en ambientes similares podrían ser la clave para entender cómo surgió la vida en la Tierra.
  3. Arqueas en el espacio: En 2017, científicos de la NASA cultivaron arqueas en condiciones que simulaban el ambiente de Marte. Los resultados sugieren que esos organismos podrían sobrevivir en el Planeta Rojo, lo que aumenta las esperanzas de encontrar vida extraterrestre.
  4. Arqueas en Yellowstone: famoso parque nacional de Estados Unidos. En la década de 1960, un grupo de científicos recolectó muestras de agua caliente de las fuentes termales del parque. Al analizarlas, descubrieron un tipo de arquea termófila que podía sobrevivir a temperaturas superiores a los 80 grados Celsius. Ese descubrimiento no solo amplió el conocimiento sobre los límites de la vida, sino que también condujo al desarrollo de la técnica de PCR (reacción en cadena de la polimerasa), una herramienta esencial en la biología molecular y en la lucha contra enfermedades como la covid-19.
  5. Arqueas metanogénicas, producen metano como subproducto de su metabolismo. Esos microorganismos han sido encontrados en el tracto digestivo de vacas y otros rumiantes. De hecho, se estima que las emisiones de metano de las vacas contribuyen significativamente al calentamiento global.

Cerrando

Hoy en día, las arqueas son objeto de numerosas investigaciones debido a su potencial en biotecnología. Por ejemplo, algunas especies de arqueas pueden descomponer plásticos o limpiar derrames de petróleo, lo que las convierte en aliadas clave para abordar problemas ambientales. Además, su estudio puede proporcionar pistas sobre el origen de la vida en la Tierra y, quizás, incluso en otros planetas.

Las arqueas son mucho más que simples microorganismos. Son una prueba viviente de la diversidad y complejidad de la vida, y su estudio ha permitido repensar conceptos fundamentales sobre la evolución y la biología. Desde su descubrimiento en los años 70 hasta los avances actuales, esas criaturas siguen desafiando las expectativas y abriendo nuevas puertas al conocimiento. Como dijo Carl Sagan, «somos polvo de estrellas», pero también somos herederos de un legado microscópico que aún estamos aprendiendo a comprender.

¿Quién sabe qué nuevos secretos revelarán las arqueas en el futuro? Lo único seguro es que, en ese viaje científico, cada descubrimiento acerca un poco más el entender el milagro de la vida.

Referencias

 

Etiquetas: -