Una simbiosi marina obre la porta a comprendre millor l'evolució de les nostres cèl·lules

Les cèl·lules humanes, així com les dels animals, plantes, fongs i altres organismes eucariotes, van sorgir originalment fa centenars de milions d'anys a partir de l'associació simbiòtica de bacteris primitius que, fins aleshores, vivien de manera independent. Això va suposar un salt en la complexitat de la vida sense precedents, ja que alguns bacteris van passar a ser els orgànuls de les cèl·lules que els contenien, permetent així la compartimentació i el control de funcions d'origen bacterià dins la cèl·lula eucariota.

"Aquesta és la teoria de l'endosimbiosi, postulada per Lynn Margulis", apunta Francisco Cornejo, investigador de l'Institut de Ciències del Mar del Consell Superior d'Investigacions Científiques (ICM-CSIC). 

"L'exemple més notable de cianobacteris que es van convertir en orgànuls", afegeix Cornejo, "és el dels cloroplasts, amb els quals les cèl·lules vegetals realitzen la fotosíntesi". Tot i això, aquests processos van començar fa més de 1000 milions d'anys, per la qual cosa són molt difícils d'estudiar.

Ara, un treball que apareix a la prestigiosa revista Cell i que lidera Francisco Cornejo, de l'ICM-CSIC, juntament amb Keisuke Inomura, de la Universitat de Rhode Island (EUA), se centra en una relació simbiòtica molt més recent, que "va sorgir fa uns 100 milions d'anys, cosa que ens permet explorar l'evolució de la formació d'orgànuls als primers passos", aclareix Cornejo.

Es tracta de la simbiosi marina entre el cianobacteri C. Atelocyanobacterium thalassa (coneguda com a UCYN-A), i l'espècie de microalga haptofita Braarudosphaera bigelowii. 

"UCYN-A és un cianobacteri endosimbiont, és a dir, és un simbiont que viu a l'interior de la seva cèl·lula hostatgera", explica Jonathan Zehr, investigador de la Universitat de Califòrnia (USA), "i que ha perdut molts gens típics de cianobacteris, la qual cosa suggereix que podria estar convertint-se en un orgànul”.

Simbionts i orgànuls amb proporcions de mida similars

L’equip investigador ha estudiat la relació entre la mida dels cianobacteris, els orgànuls i el de les cèl·lules de microalgues en diverses espècies properes a B. Bigelowii que habiten a diferents zones de l'oceà Pacífic.

Tenir un ampli espectre de mostres de diferents regions oceàniques va permetre als investigadors observar relacions simbiòtiques de diferents mides, cosa que va ser clau per descobrir que hi havia una proporció de mides conservada entre els microorganismes que formen part d'aquesta simbiosi.

Tot i tractar-se d'algues microscòpiques, hi ha una gran variació en la longitud de les seves cèl·lules (des dels 2-3 micròmetres de l'espècie de microalga més petita, fins als 20-30 de l'espècie més gran), i totes allotgen llinatges de UCYN-A genèticament diferents, encara que estretament relacionats. En tots els casos, hi ha una proporció constant entre la mida de les microalgues i la mida dels seus cianobacteris endosimbionts, és a dir, que la mida del cianobacteri endosimbiont varia de forma proporcional a la mida de la cèl·lula de la microalga.

El treball demostra, i això és el més innovador, que la relació entre la mida de la cèl·lula de B. Bigelowii i la mida del cianobacteri UCYN-A és proporcional i molt semblant a la relació de mida que hi ha entre una cèl·lula eucariota i els seus orgànuls. 

"Aquesta relació de mida no és aleatòria, sinó que és el reflex de l'optimització dels costos i beneficis d'un metabolisme coordinat, cosa que permet maximitzar l’eficàcia biològica de la simbiosi i, de manera més general, de les cèl·lules eucariotes", explica Mick Follows, coautor de l'estudi i investigador del Massachusetts Institute of Technology (USA).

I és que la relació entre el cianobacteri UCYN-A i la microalga B. Bigelowii és una simbiosi obligada. El cianobacteri no és capaç de viure de forma independent, apunta Cornejo, "perquè li falten rutes metabòliques per obtenir alguns nutrients essencials; aquí és on entra en joc la seva microalga hostatgera, que li proporciona allò que no és capaç de sintetitzar per ella mateixa". A canvi, el cianobacteri UCYN-A té una capacitat molt especial, la de convertir el nitrogen atmosfèric en amoni mitjançant un procés conegut com la fixació de nitrogen, per la qual cosa pot subministrar amoni a la seva microalga hostatgera, un nutrient molt difícil d'aconseguir moltes zones de l'oceà. Així, els autors acaben suggerint que el cianobacteri UCYN-A podria estar en el procés de convertir-se en orgànul fixador de nitrogen, el nitroplast.

A causa de la gran similitud que hi ha entre aquesta simbiosi i les que van donar lloc a cèl·lules més complexes fa milions d'anys, l'estudi conclou que les proporcions de mida tenen un paper fonamental en les relacions simbiòtiques que van originar l'aparició d'estructures cel·lulars més complexes en la cèl·lula eucariota, com els mitocondris o els cloroplasts, cosa que obre una nova perspectiva a l'estudi de processos fonamentals de l'evolució de la vida.

Imatge superior: Fotografia de la simbiosi entre l'alga haptòfita B. bigelowii i el cianobacteri UCYN-A (cortesia de Wing Kwan Esther Mak i Kyoko Hagino) / Imatge inferior: Composició d'imatges preses amb microscòpia d'epifluorescència de diferents llinatges amb diferents mides cel·lulars de la simbiosi entre B. bigelowii i UCYN-A.