La evolución de la vida a través de la simbiosis

Acaban de descubrir un organelo singular y, me atrevo a decir, esperado por muchos científicos. Se llama nitroplasto porque realiza una función fundamental para la vida en el planeta: la transformación del nitrógeno atmosférico en amonio, proceso que se creía reservado solo a algunas especies de procariontas, organismos unicelulares sin núcleo, como las bacterias y arqueobacterias.

El nitrógeno es un elemento esencial para todas las formas de vida en la Tierra, ya que es parte de las proteínas y del ADN, el material hereditario. La fijación biológica del nitrógeno es la única manera de ponerlo a disposición de los seres vivos que no pueden asimilarlo directamente, sino transformado en moléculas accesibles para las plantas, que a su vez son consumidas por los animales.

Las células eucariontas, a diferencia de las procariontas, tienen un núcleo y organelos, estructuras delimitadas por membranas con funciones especiales. Los organelos más conocidos son la mitocondria, donde se genera la energía de la célula a partir de los alimentos, y el cloroplasto de las plantas, donde se realiza la fotosíntesis o la captación de carbono para formar azúcares. A estos organelos se ha agregado el nitroplasto, encontrado en el alga unicelular marina Braarudosphaera bigelowii, que forma parte del fitoplancton. Evidencias previas señalaban que B. bigelowii contenía una cianobacteria endosimbionte fijadora de nitrógeno, que bajo microscopía electrónica aparecía como un “cuerpo esferoide lamelar” en el citoplasma. Ahora, investigadores norteamericanos y japoneses, utilizando tomografía de rayos X suaves, obtuvieron imágenes tridimensionales de la célula algal que demuestran la estrecha relación entre el núcleo y los organelos.

Mientras que el nitroplasto carece de la capacidad de asimilar carbono, el cloroplasto sí lo hace, convirtiendo el carbono en azúcares. Estos, a su vez, son utilizados por la mitocondria para producir energía, que es empleada por el nitroplasto para fijar nitrógeno, un proceso que requiere un gasto energético enorme, pero que al final produce amonio. En conjunto, los organelos proporcionan los elementos básicos para que el alga pueda crecer y reproducirse de forma independiente a partir de elementos químicos externos (ver Massana R. The nitroplast: A nitrogen-fixing organelle. Science. 2024 Apr 12; 384(6692):160).

Recuerdo que, en mis días de estudiante, en los pasillos del Centro de Investigación sobre Fijación de Nitrógeno (hoy Centro de Ciencias Genómicas) se discutía la posibilidad de que “las bacterias simbióticas fijadoras de nitrógeno de las raíces del frijol estén en el camino evolutivo para convertirse en organelos”. Sin duda, quien hablaba de esta idea había leído muy bien, sino es que admiraba, a Lynn Margulis, investigadora norteamericana, proponente y defensora a ultranza de la Teoría Endosimbiótica del origen de las células eucariontas.

Margulis, a lo largo de sus investigaciones, argumentó que el neodarwinismo –la síntesis moderna de la evolución– carecía de explicación para el surgimiento de las complejas células eucariontes. Asimismo propuso, basándose en numerosos ejemplos, que bacterias ancestrales parecidas a las actuales proteobacterias, se asociaron endosimbióticamente con células eucariontas ancestrales proporcionando el metabolismo enérgetico y recibiendo nutrientes a su vez. Con el tiempo, estas bacterias fueron perdiendo muchos de sus genes e intercambiando otros con el núcleo celular, hasta convertirse en un organelo como la mitocondria. Más tarde, una cianobacteria fotosintética siguió el mismo camino, fue internalizada en las células ancestrales que dieron origen a las células vegetales, formando el cloroplasto.

Aunque estas ideas fueron recibidas con escepticismo por los biólogos neodarwinistas más recalcitrantes, los biólogos modernos hemos sido testigos de la paulatina acumulación de evidencias favorables a la teoría endosimbiótica. Por ejemplo, la mitocondria y el cloroplasto tienen genomas significativamente pequeños pero sin duda similares en estructura y función a los que tienen las bacterias, como sucede también en el nitroplasto. La simbiosis, a una escala de millones de años, es un agente de innovación biológica poderosísimo. El alga unicelular B. bigelowii, cuyo origen evolutivo ha sido trazado 100 millones de años atrás es un buen ejemplo de ello, y uno muy prominente entre los miles de asociaciones endosimbióticas presentes en protistas, plantas y animales.