Es con pesar que recibimos, en ENV y en SEDIN, el fallecimiento de la biólogo Lynn Margulis. Margulis, una científica a la que yo admiraba mucho, nunca fue ajena a la polémica, habiendo llegado tan lejos como para calificar el neodarwinismo como «una verdadera peste» y afirmar que «Los críticos, incluyendo los críticos creacionistas, tienen razón en sus críticas. Pero éstos no tienen nada que ofrecer mediante el diseño inteligente o diciendo “Dios lo hizo”. No tienen alternativas científicas». Era una científica que no temía pensar creativamente, y tenía en nada el escarnio de sus colegas. Según el diario Telegraph, una respuesta a una solicitud de financiación que hizo decía: «Su investigación es pura basura. No se moleste nunca más en presentar ninguna solicitud».
Ilustración gráfica de la teoría endosimbiótica, donde se representan las supuestas etapas de la incorporación de una célula procariota por otra. Naturalmente, esta ilustración no constituye una verdadera explicación, que debería proponer unos mecanismos creíbles para resolver muchas dificultades que resultan insuperables desde un punto de vista mecanicista. Todo esto se detalla en el cuerpo de esta reseña. Para la fuente de la ilustración, pulsar aquí.
Lynn Margulis adoptó un punto de vista polémico acerca de cómo funciona la evolución, resaltando la importancia de las relaciones simbióticas y cooperativas sobre la competición. Este concepto de evolución inspiró lo que se reconoce actualmente como su idea más destacada, la noción de que la mitocondria eucariota —la central generadora de la célula— se adquirió por virtud de un suceso endosimbiótico. Esencialmente, la teoría endosimbiótica mantiene que las mitocondrias surgieron en virtud de una unión simbiótica de células procariontes. Se cree que el pariente viviente más cercano de la mitocondria es la alfaproteobacteria Rickettsia (Emelyanov, 2000; Andersson et al., 1998). También se cree que los cloroplastos aparecieron de forma parecida a partir de las cianobacterias fotosintéticas.
En noviembre de 2010, llamé la atención a un artículo en Nature escrito por Nick Lane y Bill Martin, que demostraba que la transición procarionte-eucarionte era efectivamente imposible sin que los requisitos energéticos pertinentes al más gigantesco suceso de manufactura génica en la historia de la vida sobre la tierra quedasen satisfechos por los procesos mitocondriales de fosforilación oxidativa y de la cadena de transporte de electrones. La célula bacteriana por sí sola no era capaz de satisfacer estos requisitos energéticos.
Las pruebas que se suelen proponer en favor de la teoría endosimbiótica incluyen lo que sigue:
- Las mitocondrias poseen un genoma circular (sin intrones e independiente del ADN nuclear) en el que la transcripción está acoplada a la traducción, lo que es característico del ADN bacteriano. Hay también otras destacables semejanzas. Por ejemplo, tanto en la mitocondria como en el Mycoplasma, el codón UGA especifica el aminoácido triptófano (Hayashi-Ishimaru et al., 1997; Martin et al., 1980; Inamine et al., 1990; Yamao, 1985), mientras que en código convenciona sirve como codón de paro.
- Las mitocondrias se dividen y replican independientemente de la división de la célula huésped y lo hacen de una forma similar a la fisión binaria, presentando homólogos de la proteína de división bacteriana FtsZ (Kiefel et al., 2004).
- Están encerradas en una membrana doble.
- Las mitocondrias y las bacterias son de un tamaño y forma similares.
El genoma circular de las mitocondrias
Como se ha observado, uno de los argumentos de fondo usados en favor de la tesis de la endosimbiosis señala a su genoma circular. Pero lo que con frecuencia no se hace notar son los casos en los que las mitocondrias eucariotas tienen genomas lineares con telómeros eucariotas (Rycovska et al., 2004; Nosek et al., 1998; Fukuhara et al., 1993). De hecho, dos cepas de la misma especie de levadura difieren con respecto a la linealidad o circularidad de su genoma mitocondrial (Fukuhara et al., 1993; Drissi et al., 1994).
En el caso de los cromosomas lineales, las enzimas ADN polimerasas no pueden replicar hasta el final del cromosoma. Esto se debe a que las enzimas no pueden sustituir el iniciador ARN terminal de la hebra rezagada. A no ser que haya un mecanismo para evitar esto, resultará en que los cromosomas irán acortándose en cada ronda de replicación (en los eucariontes, la enzima telomerasa une ADN extra a los extremos cromosómicos). Esto significa que la transición de circularidad a linealidad genómica —una hazaña en sí misma dados los cambios que tendrían que llevarse a cabo al modo de replicación— tiene que suceder en concierto con la evolución de un mecanismo para impedir el progresivo acotamiento del cromosoma. Una transición evolutiva de tal clase dista de ser algo trivial. El biólogo Albert de Roos escribe así:
[E]n los cromosomas mitocondriales lineales existen diversos mecanismos diferentes para «prevenir» el acortamiento, que van desde bucles muy cerrados y autoiniciantes a síntesis iniciadora asistida por proteínas (véase aquí). Las regiones teloméricas de los cromosomas mitocondriales no parecen tener una relación filogenética directa por cuanto usan otras proteínas y diferentes mecanismos de los de los telómeros nucleares. Así, es difícil deducir rutas evolutivas basándonos puramente en datos filogenéticos sobre telómeros y en mecanismos para la replicación de los extremos.
Además, los genes mitocondriales a menudo poseen intrones (Lang et al., 2007). Estos predominan en particular en el ADNmt de hongos y plantas. El código genético de las mitocondrias puede ser también ligeramente diferente del de las bacterias (Jukes y Osawa, 1990).
Replicación del ADN mitocondrial
Se oye con frecuencia la afirmación de que la replicación del ADN circular de las mitocondrias se parece a la fisión binaria bacteriana. Aunque es cierto, al menos en ciertos respectos, hay también importantes diferencias. Por ejemplo, muchos de los componentes clave son de origen eucariota, y el comienzo de la replicación en el bucle (D) de Desplazamiento (Fish et al., 2004; Clayton, 1996) no es el mismo que en el caso de la replicación del ADN bacteriano.
Doble Membrana
Se afirma con frecuencia que la doble membrana de las mitocondrias constituye prueba de su origen endosimbiótico. Pero hay importantes diferencias entre las membranas bacterianas y las mitocondriales. Albert de Roos observa:
La membrana bacteriana es una de las características básicas que distinguen a las bacterias de los eucariontes, véase algunos ejemplos aquí. A fin de que las membranas de las mitocondrias se pareciesen a las bacterianas, deberían compartir características como una pared celular con peptidoglicano y lipopolisacáridos, tinción de Gram y sensibilidad a los antibióticos. Se han visto algunos efectos de los antibióticos tanto en bacterias como en mitocondrias, pero el efecto es menor, mientras que el uso de antibióticos se basa en el principio de que distinguen entre bacterias y eucariontes, incluyendo la mitocondria (aquí). Hasta entonces, la selección de unas pocas y aparentes semejanzas, mientras se ignoran las muchas diferencias, no indica un origen bacteriano para las mitocondrias. Al contrario, que sus membranas sean tan diferentes así como el hecho de que casi todos los genes son codificados por el núcleo constituye sobre todo una prueba en contra de un origen bacteriano.
Aunque se puedan encontrar algunas características compartidas, debemos ser conscientes que las membranas bacterianas y las eucariotas son fundamentalmente diferentes. Parece prácticamente imposible cambiar todas las características fundamentales de la membrana bacteriana y sustituirlas por una equivalente eucariota sin perder la integridad de la membrana. Las diferencias entre las membranas de las mitocondrias y las paredes celulares de las bacterias hacen que la teoría endosimbiótica sea difícil desde un criterio mecanicista. Parece bien claro que las membranas bacterianas no cambian fácilmente a otras membranas, y, francamente, no contemplo ningunos escenarios mediante los que cambiar todos estos componentes de la membrana sin alterar la aptitud de manera drástica.
El tamaño y la forma de las mitocondrias
El argumento que se basa en el tamaño y la forma de las mitocondrias ha sido puesto del revés en años recientes, y se ha transformado de un argumento en favor de la endosimbiosis a uno en contra. En la literatura se reconoce actualmente que estos orgánulos se comprenden mejor como estructuras reticulares dinámicas (véase este enlace para referencias).
Las micrografías electrónicas que exhibían secciones transversales de mitocondrias presentaban la mitocondria como una esfera. Sin embargo, cuando se contemplan modelos 3D del orgánulo, la realidad es algo diferente. Se pueden contemplar algunas de estas imágenes aquí, aquí, aquí o aquí.
La ausencia de mecanismo
De lejos, el mayor desafío a la teoría del origen endosimbiótico de las mitocondrias eucariotas es la ausencia de un mecanismo viable, quizá de forma más particular con respecto a la transferencia de genes desde la mitocondria al núcleo.
Para empezar, tenemos las variantes en el código genético convencional. Esto significa que, a lo largo de su transferencia al núcleo, los genes se tendrían que «recodificar» de modo que se ajustasen al código genético convencional. Por ejemplo, reconocer UGA como codón de paro en lugar de como el codón para el triptófano (o viceversa) causaría un caos en la célula.
En segundo lugar, las proteínas mitocondriales elaboradas en los ribosomas en el citoplasma eucariota se tienen que identificar como tales para asegurar que sean enviadas de manera apropiada (esto se hace normalmente adjuntando una «etiqueta« en forma de un tramo extra de polipéptido a la proteína). Esto exigiría una modificación coincidente del gen estructural correcto (lo que parece improbable). El biólogo Timothy G. Standish observa:
- Si los genes fueran a desplazarse de las mitocondrias al núcleo, tendrían de alguna manera que adquirir las secuencias de señales necesarias para señalar para el transporte antes que pudieran ser funcionales.
- Mientras que las secuencias de señales parecen tener secciones con significado en ellas, según Lewin (1997, p251) la homología de secuencia entre las diferentes secuencias no es evidente, de modo que no podría haber una secuencia estándar que se adjuntase a los genes cuando estos fuesen trasladados de las mitocondrias al núcleo.
- Como alternativa, si los genes para las proteínas mitocondriales existían en el núcleo antes de la pérdida de genes en las mitocondrias, persiste el problema: ¿de dónde procedieron las secuencias de señales? ¿Y de dónde vinieron los mecanismos para desplazar proteínas con secuencias de señales en las mismas?
Albert de Roos explica:
Todas las teorías evolutivas tienen que ofrecer una explicación en términos mecanicistas acerca de cómo debiera o pudo haber sucedido para poder ser sometidas a prueba. Lo difícil en el caso de la teoría endosimbiótica es que no propone un verdadero mecanismo, y la mayor parte de libros de texto ofrecen la simplista ilustración de una célula que engloba a otra célula que luego pasa a ser una mitocondria. Desafortunadamente, no es así de sencillo. Hay una diferencia entre el proceso de la endosimbiosis y su incorporación en la línea germinal, lo que demanda cambios genéticos. ¿Cuáles fueron estos cambios? ¿Qué fue el huésped? ¿Se trató de una fusión?, ¿fue un englobamiento?, ¡cómo consiguió la mitocondria su segunda membrana?, ¿cómo llegaron a integrarse y a coordinarse dos genomas en una célula? La teoría es también intensamente teleológica, lo que se ilustra mediante el término tan ampliamente utilizado de «esclavización». Pero, ¿cómo se captura otra célula, cómo se reemplazan sus proteínas y sus genes sin afectar sus funciones existentes? La existencia de endosimbiontes bacterianos obligados en algunos eucariontes actuales se presenta a menudo como un sustitutivo de un mecanismo, pero dichos endosimbiontes bacterianos siguen siendo bacterias y no dan origen a nuevos orgánulos. Así, antes de poder hablar de la endosimbiosis como una teoría científica susceptible de ensayo, necesitamos un escenario mecanicista que por ahora es inexistente.
Cuando tratamos de contemplar un escenario mecanicista basado en la teoría endosimbiótica, nos encontramos inmediatamente con problemas. Las mutaciones genéticas que permiten a las bacterias medrar en el citoplasma no serían estratégicas para la supervivencia. Las células anaeróbicas no sobreviven generalmente en un medio que contenga oxígeno, mientras que el endosimbionte necesitaría oxígeno para presentar una ventaja en aptitud. Los dos organismos competirían al principio por fuentes de energía, por cuanto las bacterias son usuarias de la ATP y no la exportan. La amplia transferencia de genes necesaria para la teoría endosimbiótica haría estragos en un genoma complejo, debido a que la frecuente inserción de tramos aleatorios de ADN mitocondrial perturbaría las funciones existentes. Además, la transferencia génica es un proceso en múltiples etapas donde los genes tienen que ser trasladados al núcleo, se tiene que soslayar el diferente código genético de las mitocondrias, los genes tienen que expresarse de forma correcta, así como importarse de vuelta a las mitocondrias para poder ser funcional. En conjunto, los escenarios mecanicistas para la teoría endosimbiótica implican muchos intermedios no funcionales, o bien serían llanamente perjudiciales para un organismo. Por tanto, la teoría endosimbiótica se enfrenta con el concepto de gradualismo que forma la base de la moderna teoría de la evolución.
Además, esta transferencia génica tiene que haber sucedido en un tiempo extremadamente temprano en la historia de los eucariontes, lo que reduce sustancialmente la ventana de tiempo en la que pudo haber ocurrido dicha transferencia.
Resumen y conclusión
En tanto que encontramos ejemplos de semejanza entre las mitocondrias eucariotas y las células bacterianas, hay otros ejemplos de diferencias fundamentales. Además, la absoluta carencia de una base mecanicista para la asimilación endosimbiótica de las mitocondrias debería —como mínimo— dar razón a la cautela y a demandar pruebas muy espectaculares para la teoría que se propone. Por ahora, no obstante, no existen tales pruebas, y esto da una causa justificable al escepticismo ante tal tesis.
Fuente: Evolution News – On the Origin of Mitochondria: Reasons for Skepticism on the Endosymbiotic Story
Redacción: Jonathan M © 2012 - Evolution News and Views - www.evolutionnews.org
Traducción y adaptación: Santiago Escuain — © SEDIN 2012 - www.sedin.org
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