14 septiembre, 2012

Reconstruyendo el metabolismo más primitivo

Usando herramientas bioinformáticas, investigadores estadounidenses han reconstruido una red metabólica representativa del último ancestro común de todos los seres vivos.

Si analizamos el árbol de la vida —un diagrama que pretende relacionar evolutivamente a todos los grupos de seres vivos de la Tierra— veremos que hay un punto inicial en el que todos convergen, un organismo que vendría a ser el ancestro de nuestros ancestros o simplemente el LUCA (Último Ancestro Común Universal, por sus siglas en inglés).

LICA2

La hipótesis de que todas las especies que conocemos en la actualidad tuvieron alguna vez un único ancestro común radica en las similaridades genéticas y fisiológicas que ellas comparten. Por ejemplo: la replicación del ADN, la síntesis de proteínas, la degradación de azúcares, el transporte de iones, o las secuencias de ciertos genes, son bastante similares incluso entre especies completamente diferentes como una jirafa y una bacteria.

Buscando al ancestro

En el 2003, un grupo de investigadores liderados por Kirk Harris de la Universidad de Colorado (EEUU) identificaron un pequeño grupo de genes conservados en los tres dominios de la vida (bacterias, arqueas y eucariotas) que podrían haber estado presentes —o por lo menos, genes relacionados a ellos— en el genoma de LUCA. Sin embargo, son las estructuras proteicas las características más conservadas de los seres vivos: si un aminoácido cambia, la proteína simplemente pierde su función.

Si analizamos las secuencias de aminoácidos que conforman una proteína veremos que hay porciones que pueden ser encontradas en otras proteínas incluso de organismos diferentes. A estas regiones se las conocen como dominios. Los dominios cumplen funciones claves dentro de una proteína: le dan forma, afinidad por otras moléculas, actividad catalítica para llevar a cabo reacciones químicas, etc. Considerando además que la aparición de un nuevo dominio es un hecho muy poco probable en comparación a la reutilización de uno ya existente, los biólogos los emplean para hacer estudios evolutivos más profundos.

En el 2007, los hermanos Caetano-Anollés y su equipo de la Universidad de Illinois (EEUU) hicieron un trabajo parecido al de Harris pero esta vez usando las secuencias de los dominios presentes en los tres reinos, logrando identificar las posibles estructuras proteicas presentes en LUCA.

Dos años más tarde, Vijayasarathy Srinivasan y Harold Morowitz de la Universidad George Mason (EEUU) estudiaron las reacciones bioquímicas —sin tomar en cuenta las enzimas que las catalizaban— de cuatro bacterias y una arquea, encontrando más de 250 comunes en todas ellas y sugiriendo que éstas también pudieron estar presentes en LUCA (siempre y cuando LUCA haya sido autótrofo).

Enzimas primitivas

Debido a que las secuencias genéticas, las estructuras proteicas y las rutas metabólicas no responden de la misma manera ante la presión selectiva y evolucionan a diferentes ritmos, cada uno revela diferentes aspectos de LUCA. Pero, ¿qué pasaría si sólo nos enfocamos en los puntos donde estos tres estudios coinciden? Pues tendríamos datos más certeros sobre el repertorio catalítico de LUCA. Esto fue precisamente lo que hicieron tres investigadores estadounidenses según un estudio publicado esta semana en PLOS ONE.

El equipo liderado por el biólogo computacional Ram Samudrala de la Universidad de Washington identificó un total de diez funciones enzimáticas —seis presentes en los tres estudios previos y cuatro en los dos primeros— que pudieron haber formado parte del metabolismo de LUCA.

De las seis funciones enzimáticas comunes a los tres estudios tenemos: tres transferasas, una oxidorreductasa, una liasa y una ligasa. Mientras que las otras cuatro, todas eran hidrolasas.

Además, los investigadores observaron que dentro de estos 10 grupos enzimáticos hay enzimas que usan metales como cofactores para llevar a cabo las reacciones. Esto es clave porque estudios previos sugieren que las metaloenzimas, como se les suele llamar, fueron las primeras en aparecer después de la transición de los péptidos prebióticos a los primeros péptidos funcionales.

Con estas 10 funciones enzimáticas se abre todo un abanico de rutas metabólicas que LUCA podría haber realizado, por ejemplo: la síntesis y degradación de importantes biomoléculas, desde la Coenzima A y pequeños azúcares hasta los N-glicanos y esfingolípidos.

Usando todos estos datos los investigadores reconstruyeron una ruta metabólica representativa que podría reflejar el metabolismo central de las formas de vida más primitivas, por ejemplo, de LUCA. La red comprende 119 nodos (reactantes o metabolitos) y 135 ramas (funciones enzimáticas). Las ramas pintadas de amarillo representan las seis funciones enzimáticas presentes en los tres estudios previos (secuencias genéticas, estructuras proteicas y reacciones bioquímicas conservadas), mientras que las verdes representan las cuatro funciones enzimáticas presentes en los dos primeros (secuencias genéticas y estructuras proteicas conservadas).

LUCA_metabolismo

Este estudio es nos muestra claramente que se puede producir un metabolismo relativamente grande y compleja usando un pequeño número de funciones enzimáticas. Si bien es cierto esto solo es una aproximación obtenida gracias al uso de herramientas bioinformáticas, gracias a ellas tenemos una idea de cómo pudo ser la vida primitiva.


Referencia:

ResearchBlogging.orgGoldman, Aaron David, Baross, John, & Samudrala, Ram (2012). The Enzymatic and Metabolic Capabilities of Early Life PLOS ONE DOI: 10.1371/journal.pone.0039912

1 comentario:

  1. Muy interesante, como todas las cosas que subís.
    Saludos David

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