Antes de la primera encapsulación de las mitocondrias por las primeras células eucariotas, hace entre 1600 y 1800 millones de años, estas denominadas «potencias celulares» existían como bacterias de vida libre.

Ahora, AJ Avances de la ciencia Quédate Se sugieren los parientes vivos más cercanos de L. mitocondrias; Puede pertenecer a un género de bacterias marinas llamado eudidemonas. Este resultado también significa que el género podría ser el vínculo ancestral más cercano a los ancestros de las mitocondrias o proteomecondrias.

Análisis adicionales eudidemonas La especie podría agregar información sobre cómo podría haber sido el antiguo genoma de las mitocondrias primitivas. A su vez, esto podría revelar pistas sobre los orígenes evolutivos de los eucariotas, que representan la mayoría de las plantas, animales y hongos.

«El ancestro común más reciente del que descienden todos los eucariotas se denomina último ancestro común eucariota, o LECA. Todos los eucariotas tienen mitocondrias. Entonces, concluimos que LECA también tenía mitocondrias», explicó Barth Raval, biólogo evolutivo de la Universidad de Düsseldorf. . y primer autor relacionado Avances de la ciencia centrarse Ponga el nuevo descubrimiento en contexto. «Las mitocondrias juegan un papel clave en los procesos biológicos de las células eucariotas, como el ciclo celular y la muerte celular, en todos los eucariotas. Por lo tanto, sugerimos que jugaron un papel importante en la configuración de LECA».

Estos resultados también desafían investigaciones previas, que defendían un género diferente llamado rickettsia como parientes cercanos de la protomitocondria.

«Nunca estuve tan convencido rickettsia Y sus parientes pueden ser los ancestros de las mitocondrias». Mauro degli esposticientífica de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) y autora correspondiente del artículo.

Orígenes de orgánulos

Hace aproximadamente 1800 a 1600 millones de años, las mitocondrias se asentaron de forma permanente en organismos unicelulares llamados arqueólogos. Esta relación produjo innumerables beneficios esqueléticos y metabólicos. Sin embargo, es difícil decir qué instrucciones genéticas trajeron los protomitocondriones durante este convivencia interna Ocurrió.

«Por mucho que nos gustaría saber cómo era el ancestro mitocondrial, se extinguió hace 2 mil millones de años», dijo Raval. «Esto nos deja con enfoques indirectos en los que comparamos las características mitocondriales actuales con las características bacterianas actuales para encontrar la mejor coincidencia».

A fines de la década de 1990, trabajó como conexión rickettsia El género Protomitochondrion acaba de ser publicado. rickettsia Las bacterias son parásitos intracelulares anaerobios. Las especies más comunes transmitidas por garrapatas Rickettsia rickettsiacuales causas fiebre maculosa de las Montañas Rocosas. Debido a las características intracelulares y anaeróbicas del género, los investigadores pensaron que podría contener Efectos arqueológicos de la protomitocondria.

«En las bacterias, no podemos tener fósiles que sean estados intermedios», dijo Espousti. «Sin embargo, podemos ver las características genómicas que quedan como restos vestigiales de sistemas biológicos que ya no se usan o que se han fragmentado en los genomas actuales».

Uno de esos vestigios sería la capacidad de biosintetizar cardiolipina. Este lípido recubre la membrana mitocondrial y no puede ser producido por eucariotas unicelulares. Los genes para metabolizar este lípido fueron introducidos indiscutiblemente por la proteomechondria en las células eucariotas huésped. Intuitivamente, la historia de estos genes debería ser detectable en el ADN de cualquier posible pariente mitocondrial.

Esposito pronto se dio cuenta de esto rickettsia La especie carece de la capacidad de biosintetizar cardiolipina además de varias otras características metabólicas importantes. Sin embargo, luchó por encontrar candidatos de reemplazo adecuados dentro de las proteobacterias. Esta clase taxonómica está muy extendida, que incluye rickettsia se ha sospechado durante mucho tiempo que contiene parientes protomitocondriales.

Pero la clase de bacterias alfa es muy diversa y todavía se está estudiando. En realidad, eudidemonas Y el sistema Iodidimonadales se acaba de descubrir en 2016.

«[The Iodidimonas genus only] Se puede identificar como un candidato potencial para la bacteria protomitocondria después de que se disponga de suficiente información sobre su genoma”. Otto Geigerespecialista en genómica ambiental de la UNAM y primer autor del artículo.

A medida que surgieron más clases taxonómicas de bacterias alfa, Geiger y el grupo ampliaron su búsqueda de restos arqueológicos de protomitocondrias.

Seguimiento de pistas genéticas a través del tiempo

En su primer paso, los investigadores crearon una lista de verificación de rasgos metabólicos protomitocondriales. Como era de esperar, esos parámetros incluían la biosíntesis de cardiolipina. También se incluyó el metabolismo de lípidos a base de ceramidas, o esfingolípidos. Esta habilidad es común en eucariotas pero rara vez en bacterias.

«También esperamos que la protomitocondria pueda formar ceramidas y tal vez incluso esfingolípidos complejos», dijo Geiger. Esta predicción se debe, en parte, al hecho de que las ceramidas son esenciales para ayudar a formar quistes mitocondriales, o sus membranas internas plegadas.

A través de análisis genómicos, el equipo encontró que las enzimas para la biosíntesis de ceramida en eucariotas provenían de un ancestro bacteriano dentro de una subclase de bacterias llamada Caulobacteridae, una subclase completamente diferente de Rickettsidae, que defendieron anteriormente. rickettsia pertenece el género.

«La especulación evolutiva anterior no tuvo en cuenta esta posibilidad potencial», dijo Geiger.

Además de la biosíntesis de cardiolipina y esfingolípidos, los científicos también examinaron módulos genómicos de arqueas, incluido uno llamado operón de Cox. Se cree que las alfaproteobacterias adquirieron el operón de Cox a través de Transferencia lateral de genes de una categoría separada de bacterias. El operón permitió que las alfaproteobacterias sobrevivieran mejor en el ambiente cada vez más oxigenado proterozoico océanos Hoy en día, los grupos de genes del operón sobreviven en bacterias vivas.

Detección de factores de Cox eudidemonas Otro resultado inesperado. Los módulos genéticos relacionados con el operón estaban directamente relacionados con una estructura mitocondrial llamada complejo III con su equivalente bacteriano sospechado durante mucho tiempo, el complejo bc1. La identificación del complejo bc1 proporcionó evidencia adicional de que las protomitocondrias pertenecían a la subclase Caulobacteridae, en lugar de a la subclase Rickettsidae.

Junto con esta evidencia, el grupo descubrió que el orden Iodidimonadales contiene un tesoro oculto de genes que conectan las mitocondrias de los bacteriófagos. Ellos demostraron que eudidemonas El orden sexual puede conducir a la biosíntesis de esfingolípidos y cardiolipina. Todos los signos apuntan a eudidemonas Siendo el género los descendientes vivos del protomitocondrio.

Estos aprendizajes también refuerzan la historia de la evolución de los eucariotas unicelulares. Las células eucariotas utilizan la biosíntesis de ceramida y cardiolipina para realizar la señalización mitocondrial e inducir una forma de mitocondria específica. autofagia. Este proceso celular permite que las células reciclen sus partes dañadas e innecesarias. Al igual que la autofagia, la mitofagia es la autodigestión y el reciclaje de las mitocondrias.

«[Mitophagy] Ha sido modificado, o asimilado, para digerir no solo los endosimbiontes, sino también las partículas de alimentos procarióticos que ingiere, y este estilo de vida se llama alimentación. fagocitosis Al evaluar los efectos del estudio, dijo Raval, la ingestión de protomitocondrias le dio a las células huésped la capacidad de engullir otras moléculas de nutrientes y desarrollar complejidad celular para acelerar este proceso digestivo.

Las protomitocondrias esencialmente dieron a los primeros anfitriones de LECA el conjunto de herramientas de mitofagia que finalmente ayudó a transformarse en todo lo que abarca el dominio Eukarya en la actualidad.

“De LECA descendieron todas las ramas de eucariotas más o menos diversas”, resumió Rafal.

Del laboratorio a las aguas termales

En el futuro, Esposti, Geiger y sus colegas planean comenzar a muestrear especies dentro de eudidemonas Restringir su búsqueda a los descendientes vivos más cercanos de protomitocondrias y parientes mitocondriales en la actualidad. Espousti está trabajando con Alejandro Sanchez-Flores, coautor del estudio, W.L.L metagenómica Especializados en la UNAM, para crear sondas moleculares que puedan identificar mejor eudidemonas miembros de los manantiales geotérmicos.

«Hasta ahora, los parientes protomitocondriales más prometedores de la cepa Iodidimonadales se han encontrado en manantiales japoneses de origen geotérmico», dijo Esposti. “México es rico en manantiales de este tipo y la comunidad microbiana de algunos de estos manantiales ya ha sido explorada, aunque superficialmente”.

Mientras tanto, Geiger planea comparar las enzimas que producen cardiolipina y ceramidas en eudidemonas bacterias a las de los eucariotas unicelulares. Hacerlo, dijo, ayudaría al grupo a «aprender más sobre la evolución específica de estas vías a medida que experimentan una transformación endosimbiótica» y estudiar cómo el conjunto de habilidades metabólicas de las protomitocondrias fue beneficioso cuando se incrustaron en las células huésped.

Por supuesto, este no es el final de la conspiración que rodea a las protomitocondrias, reconocen.

«Lo más probable es que surjan estudios genéticos complejos para desafiar nuestra propuesta de estudio», dijo Espositi. «Por lo tanto, el debate sobre qué bacterias originaron las mitocondrias probablemente continuará hasta que, algún día, surja evidencia experimental clara».

[Credit for related images: NIH]