Los científicos descubren el primer orgánulo fijador de nitrógeno

Los libros de biología modernos dicen que sólo las bacterias pueden tomar nitrógeno de la atmósfera y convertirlo en una forma utilizable para la vida. Las plantas que fijan nitrógeno, como las legumbres, lo hacen albergando bacterias simbióticas en los nódulos de las raíces. Pero un descubrimiento reciente anula esta regla.

En dos artículos recientes, un equipo internacional de científicos describe el primer orgánulo fijador de nitrógeno conocido dentro de una célula eucariota. El orgánulo es el cuarto ejemplo en la historia de endosimbiosis primaria, el proceso mediante el cual una célula procariótica es fagocitada por una célula eucariota y evoluciona más allá de la simbiosis hasta convertirse en un orgánulo.

«Es muy raro que surjan orgánulos a partir de este tipo de cosas», dijo Tyler Coale, investigador postdoctoral en UC Santa Cruz y primer autor de uno de los dos artículos recientes. «La primera vez que pensamos que esto sucedió, dio origen a toda la vida compleja. Todo lo más complicado que una célula bacteriana debe su existencia a ese evento», dijo, refiriéndose al origen de las mitocondrias. «Hace aproximadamente mil millones de años, volvió a suceder con el cloroplasto, y eso nos dio las plantas», dijo Coale.

El tercer caso conocido involucra a un microbio parecido al cloroplasto. El descubrimiento más reciente es el primer ejemplo de un orgánulo fijador de nitrógeno, al que los investigadores llaman nitroplasto.

Un misterio que dura décadas

El descubrimiento del orgánulo implicó un poco de suerte y décadas de trabajo. En 1998, Jonathan Zehr, distinguido profesor de ciencias marinas en la Universidad de California en Santa Cruz, encontró una breve secuencia de ADN de lo que parecía provenir de una desconocida cianobacteria fijadora de nitrógeno en el agua de mar del Océano Pacífico. Zehr y sus colegas pasaron años estudiando el misterioso organismo, al que llamaron UCYN-A.

Al mismo tiempo, Kyoko Hagino, paleontóloga de la Universidad de Kochi en Japón, intentaba laboriosamente cultivar algas. Resultó ser el organismo huésped de UCYN-A. Le tomó más de 300 expediciones de muestreo y más de una década, pero Hagino finalmente cultivó con éxito las algas en cultivo, lo que permitió a otros investigadores comenzar a estudiar conjuntamente UCYN-A y las algas marinas que alberga en el laboratorio.

Durante años, los científicos han considerado que UCYN-A es un endosimbionte estrechamente asociado con un alga. Pero los dos estudios recientes sugieren que UCYN-A coevolucionó con su huésped en el pasado en simbiosis y ahora cumple los criterios para ser un orgánulo.

Orígenes de los orgánulos

En un artículo publicado en Celúla En marzo de 2024, Zehr y sus colegas del Instituto Tecnológico de Massachusetts, el Institut de Ciències del Mar de Barcelona y la Universidad de Rhode Island muestran que la relación de tamaño entre UCYN-A y sus algas hospedadoras es similar entre diferentes especies de algas haptofíticas marinas Braarudosphaera. bigelowi.

Los investigadores utilizan un modelo para demostrar que el crecimiento de la célula huésped y UCYN-A están controlados por el intercambio de nutrientes. Sus metabolismos están vinculados. Esta sincronización en las tasas de crecimiento llevó a los investigadores a llamar a UCYN-A «similar a un orgánulo».

«Esto es exactamente lo que sucede con los orgánulos», dijo Zehr. «Si nos fijamos en las mitocondrias y los cloroplastos, es lo mismo: crecen con la célula».

Pero los científicos no llamaron con seguridad a UCYN-A un orgánulo hasta que confirmaron otras líneas de evidencia. En el artículo de portada del periódico Cienciapublicado hoy, Zehr, Coale, Kendra Turk-Kubo y Wing Kwan Esther Mak de UC Santa Cruz, y colaboradores de la Universidad de California, San Francisco, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, la Universidad Nacional Oceánica de Taiwán y la Universidad de Kochi en Japón, muestran que UCYN-A importa proteínas de sus células huésped.

«Esta es una de las características de algo que pasa de un endosimbionte a un orgánulo», dijo Zehr. «Empiezan a desechar trozos de ADN, y sus genomas se hacen cada vez más pequeños, y empiezan a depender de la célula madre para transportar esos productos genéticos, o la proteína misma, al interior de la célula».

Coale trabajó en la proteómica del estudio. Comparó las proteínas que se encuentran dentro del UCYN-A aislado con las que se encuentran en toda la célula huésped de la alga. Descubrió que la célula huésped produce proteínas y las marca con una secuencia de aminoácidos específica, que le indica a la célula que las envíe al nitroplasto. Luego, el nitroplasto importa las proteínas y las utiliza. Coale identificó la función de algunas proteínas y éstas llenan los vacíos en algunas vías dentro de UCYN-A.

«Es como un rompecabezas mágico que realmente encaja y funciona», dijo Zehr.

En el mismo artículo, los investigadores de la UCSF muestran que UCYN-A se replica en sincronía con la célula de alga y se hereda como otros orgánulos.

Perspectivas cambiantes

Estas líneas de evidencia independientes dejan pocas dudas de que UCYN-A ha superado el papel de un simbionte. Y mientras que las mitocondrias y los cloroplastos evolucionaron hace miles de millones de años, el nitroplasto parece haber evolucionado hace unos 100 millones de años, lo que brinda a los científicos una perspectiva nueva y más reciente sobre la organelogénesis.

El orgánulo también proporciona información sobre los ecosistemas oceánicos. Todos los organismos necesitan nitrógeno en una forma biológicamente utilizable, y UCYN-A es mundialmente importante por su capacidad para fijar nitrógeno de la atmósfera. Los investigadores lo han encontrado en todas partes, desde los trópicos hasta el océano Ártico, y fija una cantidad significativa de nitrógeno.

«No es un jugador más», dijo Zehr.

El descubrimiento también tiene el potencial de cambiar la agricultura. La capacidad de sintetizar fertilizantes de amoníaco a partir del nitrógeno atmosférico permitió que la agricultura (y la población mundial) despegara a principios del siglo XX. Conocido como proceso Haber-Bosch, hace posible alrededor del 50% de la producción mundial de alimentos. También crea enormes cantidades de dióxido de carbono: alrededor del 1,4% de las emisiones globales provienen de este proceso. Durante décadas, los investigadores han intentado encontrar una manera de incorporar la fijación natural de nitrógeno a la agricultura.

«Este sistema representa una nueva perspectiva sobre la fijación de nitrógeno y podría proporcionar pistas sobre cómo se podría diseñar un orgánulo de este tipo en plantas de cultivo», dijo Coale.

Pero muchas preguntas sobre UCYN-A y su alga huésped siguen sin respuesta. Los investigadores planean profundizar en cómo funcionan UCYN-A y las algas y estudiar diferentes cepas.

Kendra Turk-Kubo, profesora asistente de UC Santa Cruz, continuará la investigación en su nuevo laboratorio. Zehr espera que los científicos encuentren otros organismos con historias evolutivas similares a la de UCYN-A, pero como el primero de su tipo, este descubrimiento entrará en los libros de texto.