Escribo para mí, para recordar algunas ideas que me interesan. Con el tiempo he descubierto que existe más o menos un nexo común en esas ideas. Aviso: Este blog no es un consultorio de salud.
Fig. 1. La gripe aviar desde 2020 ha estado saltando de especie animal en especie animal. Primero, depredadores que comen aves muertas por la gripe como leones marinos, osos y zorros. De ahí, el virus pasó a otros depredadores que viven en cautividad por su piel, las martas cibelinas y visones. De ahí a otros superdepredadores como los gatos domésticos. De ahí saltó al ganado y estamos esperando que llegue próximamente a humanos.
Fig. 2. Cada vez que un virus de la gripe aviar es capaz de entrar en una nueva especie, ese virus crece exponencialmente en la nueva población hasta que aparece un mutante que es capaz de entrar en la celula de una especie próxima.
Como el Sars-CoV-2 se volvió un virus supertransmisible
La respuesta corta es: el virus aumentó exponencialmente su población, surgió una mutación que se seleccionó porque fue muy exitosa transmitiéndose: Variabilidad/selección/expansión. Con el Covid-19 hemos aprendido que un virus, el Sars-CoV-2, puede volverse más transmisible si tiene una diana para una proteasa en la molécula de su espícula.
Fig. 4. La secuencia que codifica para la secuencia diana de la proteasa furina en el ARNm es ccu cgg cgg gca. Podemos entrar en la página del NCBI en donde se encuentran las secuencias de ADN del coronavirus. Si buscamos por CCTCGGCGGGCA encontraremos la secuencia en los 29000 nt de la secuencia que codifican para prolina-arginina-arginina-alanina (Hf, +, +, Hf)
Fig. 5. Papel de ASGR1 y KREMEN1 en la infección por SARS-CoV-2. Fuente
Como el gráfico de la figura 5 es demasiado molecular voy a dar una explicación más básica:
Fig. 6. El virus SARS-CoV-2 y su antecesor el SARS-CoV-1
El virus SARS-CoV-1 surgió en agosto de 2003. Era un virus con un letalidad elevada (1) de aproximadamente un 10%. Infectaba los pulmones (2) por lo que era poco transmisible ya que las personas no respiran exhalando profundamente el aire que retienen. La espícula del virus, que es la llave con la que el virus entra en la célula del pulmón, fue estudiada. Era una llave que le permitía entrar en las células de pulmón. Por eso, solo se replicaba en este órgano. En 2019 surgió un nuevo virus con una letalidad menor (5) del 1%. Este virus tenía una mutación que le dio la capacidad para infectar más células humanas (6). La mutación hizo que surgiese una nueva zona en la espícula que podía ser cortada por una furina humana, es decir, una proteasa que va a recortar la espícula dándole una forma diferente. De esa manera, el virus iba a tener la llave original (7), más una nueva llave, la modificada por la proteasa furina (8), y con esa nueva llave podía infectar las células del sistema respiratorio superior (9). La mutación que hizo que SARS-CoV-2 tenga dos llaves (10) le permitió expandirse por todo el planeta. Esa expansión aumentó la variabilidad del virus, y de esa enorme variabilidad surgió la selección de nuevas cepas más y más transmisibles.
Fig. 7. Expansión de la sucesión de cepas de SARS-CoV-2. Fuente
La industria farmacéutica preparada para fabricar vacunas frente a la gripe aviar
Según publica Medscape, los principales fabricantes de vacuna antigripal a nivel mundial han afirmado que podrían disponer de millones de dosis de vacuna frente a la gripe aviar unos meses después de la hipotética situación en la que una nueva cepa salte al humano. De momento, el brote actual de gripe en aves está causado por A/H5N1 del clado 2.3.4.4b, y los casos originados por ésta en humanos son excepcionales al ser muy bajo el riesgo de transmisión a los mismos. Los ejecutivos de tres de estas compañías (GSK, Moderna y CSL Seqirus) han comentado que ya están ensayando en humanos una vacuna que concuerda con el tipo de virus circulante. Sanofi, por su parte, ha expresado que están listos para iniciar la producción de la vacuna frente a H5N1 que ya tienen en stock, por si fuera necesario.
Recordemos que la mayoría de las vacunas para la gripe con potencial pandémico ya están pre-aprobadas por los regulatorios en base a los datos obtenidos en ensayos clínicos llevados a cabo con anterioridad.
Cuando una bacteria similar a Myxococcus xanthus inventó los primeros cadáveres, que eran células ingenuas que permitían que las egoistas estuviesen elevadas para poder propagarse en esporas, en ese momento, la muerte empezó a ser parte de la vida.
Hoy en día, existe una corriente de pensamiento, el transhumanismo, en el cual se propone que en el futuro, la muerte no sea destino, sino opción. En otras palabras, esta corriente de pensamiento aboga por la inmortalidad, al menos de aquellos que lo puedan pagar. Es un pensamiento muy atractivo entre muchos de los dueños de negocios de alta tecnología. Previamente ya hemos comentado qué problema supondría el tener una población de viejos ricos y poderosos y como el pueblo Yanomami de las selvas amazónicas de Venezuela y Brasil lo han resuelto elegantemente de la manera que ellos saben: con una historia que destila sabiduría.
La muerte ha existido desde el principio de los tiempos. Se morían aquellas mutaciones que no eran capaces de dejar descendencia, o que dejaban tan poca comparada con otros individuos que poco a poco iban siendo relegados en las poblaciones. La selección natural encarna a esa muerte con guadaña que elimina a aquellos genomas que no son demasiado eficientes en según que ambientes.
Para entender qué significa la selección natural en las clases empleamos una analogía con la selección artificial. La selección artificial funciona igual que la natural solo que en este caso es el granjero el que elimina a aquellos que no tienen la característica morfológica deseada. Por ejemplo, los perros, todas las razas proceden del lobo. El lobo y los perros son genéticamente similares, tanto que podemos cruzar perros con lobos todavía hoy en día y tener descendencia sana. Comparten más del 99.9% de los genes.
¿Cómo se llega a un pug, a un mastín o a un chihuahua a partir de lobos?
Las tribus actuales, como los Yanomami, siguen utilizando el método de domesticación que voy a describir. Suponemos que este método era utilizado por tribus durante el neolítico que es cuando se domesticó al perro. Las mujeres observaron que era más difícil quedarse embarazadas cuando estaban dando de lactar. De esa manera, cuando su hijo se destetaba es común que pongan a un animalito a mamar de sus pechos para continuar dando leche y de esta manera retrasar su nuevo embarazo. Esos animales crecían considerando a esas mujeres como sus madres naturales. Si en esa tribu, el uso que querían darle a ese perro es el de un animal que come las sobras y que se puede matar fácilmente cuando no hay otra cosa que comer, en cada camada que nace, y de media una perra pare ocho perritos, se mata a todos los perros menos al más pequeño y con menos pelo, a ese se le reserva para que cuando madure sexualmente pueda tener crías. Para una tribu, o una granja actual, es imposible mantener cada año a los ocho perros que nacen cada año. Si lo que quieres seleccionar fuese un perro guardián, en cada camada matarías a todos los perros y te quedarías solo con los más fuertes y robustos. De esa manera, a partir de un lobo se acaba teniendo una raza de mastines. Por lo tanto, aquellos que mueren son los primeros cadáveres. Su eliminación ayuda a que el genoma de esa especie vaya adaptándose cada vez mejor a la presión selectiva a la que está sometido.
Myxococcus xanthus y el nacimiento del cadáver
En el mundo bacteriano se ensaya la aparición del cadaver. Si partimos de una sóla bacteria de Myxococcus xantus y la dejamos tener, teóricamente toda la descendencia va a ser clónica ya que no existen las ventajas del sexo. ¿Podría haber mucha variabilidad intraespecífica al cabo de unas cuantas generaciones? ¿digamos un día?. Los experimentos de Richard Lenski con cultivos de larga duración de E. coli sugieren que puede haber mucha variabilidad intraespecífica a partir de un solo clon si se le deja tener las suficientes generaciones, estamos hablando de meses. Por esta razón, es poco probable que en 24 hr a partir de un clon la población sea diversa genéticamente. Probablemente para llegar a niveles en que la variabilidad intraespecífica llegue a ser notoria hagan falta más de un día. Si a la descendencia de 24 horas de crecimiento de Myxo se la pone en una placa con escasez de nutrientes entonces la bacteria comienza a formar un cuerpo fructífero. De ser una babosa (una colonia móvil de bacterias, una especie de manada de lobos) en busca de nutrientes pasa a ser una especie de seta. La mayor parte de las células del tallo son consideradas altruistas ya que forman el tallo para que las células egoístas se coloquen en la parte superior de la estructura para poder dispersarse lejos de la zona en la que las bacterias han detectado una falta de recursos. Las células egoístas tienen mayor probabilidad de llegar a un medio favorable. Serán favorecidas por la selección natural. Lo curioso es que estas células egoístas si las dejas crecer a su vez durante 24 h volverán a formar un cuerpo fructífero con células altruistas y células egoístas.
A nivel biológico el mejor y más exitoso ejemplo de mestizaje o de simbiosis es la aparición de la célula eucariota. De eso tratará el siguiente capítulo. Pero antes, tenemos que deleitarnos con un nuevo mecanismo por el cual la vida se organiza. Un mecanismo que fue desarrollado por las bacterias. En concreto, una de esas bacterias sociales, Myxococcus xanthus, es la que los científicos emplean para descifrar un mecanismo que podríamos denominar "El poder de uno necesita la estupidez del otro". Esta frase pertenece al pastor luterano Dietrich Bonhoeffer
Un principio de este mecanismo es la multicelularidad, es decir, que exista un número alto de clones. Esto es novedoso porque para que la evolución basada en la competición ocurra tenemos que tener una población diversa. La diversidad genética es básica, bien por mutaciones, por recombinaciones, por sexo. La selección natural ocurre sobre una población diversa. El mecanismo "El poder de uno necesita la estupidez del otro" se genera a partir de la uniformidad de múltiples individuos.
Evolución por la estupidez del otro. Una célula, a la izquierda, se reproduce hasta formar un conglomerado clónico. De repente, por un mecanismo que todavía se está desentrañando, una de esas células se convierte en él, célula en rojo, y a partir de ese momento, yo y todas las que son como yo, células azules, vamos a trabajar para él.
Este es el mecanismo que desarrolla Myxococcus xanthus en situaciones de estrés alimenticio. El protozoo eucariota Dyctiostelium discoideum, también lo emplea. Lo emplean los insectos sociales de la clase hymenoptera como hormigas, abejas y avispas y los isópteros como las Termitas. Lo emplean las ratas topos. Y lo más asombroso... todos los seres pluricelulares utilizan este mecanismo... sí, los seres humanos también. Lo que voy a contar a continuación va a cambiar la forma en que, estimado lector, te ves a ti mismo.
Como trabajar con monos es complicado, hacerlo con bacterias es más sencillo. La bacteria social Myxococcus xanthus es una bacteria modelo y lo es gracias a su ciclo celular que consta de cuatro estadíos a saber:
Ciclo vital de Myxococcus xanthus. En la etapa 1, la bacteria crece por división binaria como lo hacen todas las bacterias, de una se divide en dos, esas dos en cuatro... Cada bacteria lleva una existencia individual. Este estadío es el que tiene lugar cuando hay abundancia de alimento. Cuando el alimento comienza a escasear, M. xanthus se agrupa en lo que se viene a llamar una "manada de lobos" 2. En este estadío M. xanthus forma un enjambre de células que van perseguir a bacterias de otras especies para rodearlas y eliminarlas mediante enzimas hidrolíticas para luego alimentarse de sus restos. Cuando la comida comienza a escasear de veras y ya no compensa hacer expediciones en busca de comida, las bacterias comienzan a formar un pedestal. En el tope de ese pedestal una serie de bacterias se van a convertir en esporas. Esas esporas se van a dispersar y si por casualidad una de ellas aterriza en un lugar en donde hay abundante alimento, la espora germina, es decir se abre, y de ella surge una nueva célula de Myxococcus (Veiicer et al. 2000)
El suicidio altruista
Cuando los cultivos de bacterias comienzan a quedarse sin nutrientes, las bacterias dejan de dividirse. Sienten que vienen tiempos difíciles. Cuando la falta de alimento ya afecta a las funciones metabólicas básicas de la población, una parte de la población comete suicidio para alimentar al resto de la población. ¿Qué es lo que hace que unas se suiciden y otras persistan? Esta es una línea de investigación básica activa actualmente. ¿Debemos entender a las bacterias como individuos o como organismos sociales? De lo que resulte de estas investigaciones tendrá impacta en cómo los humanos nos vemos a nosotros mismos.
Las bacterias viven y mueren en compleja comunidades que recuerdan en muchos sentidos a un organismo multicelular. La liberación de feromonas hace que las bacterias de una población respondan de manera concertada cambiando patrones de expresión genética, un fenómeno que se llama percepción de quorum. Quorum es una palabra latina que se refiere a la cantidad necesaria de personas para tomar una decisión. Las bacterias pueden agregarse, unirse formando estructuras como los llamados biofilms, que son comunidades fuertemente unidas de células. Desde este punto de vista el suicidio puede ser beneficiosa para una comunidad bacteriana multicelular. Es el caso del suicidio cuando hay una infección vírica pero también en el caso de daño por factores tóxicos donde la célula que se suicida dona sus nutrientes y componentes celulares a sus vecinas en lugar de gastar recursos de sus vecinas en intentos inútiles de reparase a sí misma. Es interesante notar que en muchas especies de hormigas, cuando una de ella siente que está infectada por un virus toma el camino opuesto al hormiguero para morir sola alejada de sus congéneres.
Las células egoístas son un remedo de las células reproductivas, espermatozoides y óvulos, mientras que las células altruístas seríamos nosotros sin gónadas: un portador que sólo trata de pasar las células egoístas a la siguiente generación. Como decía el autor teatral Maurice Maeterlinck "Los vivos somos los muertos de vacaciones". Durante esas vacaciones que es nuestra vida buscamos desesperadamente un background genético (vease pareja) apropiado-a para mezclar genes y darle a nuestra descendencia mayores oportunidades de tener éxito en su vida. Pero... ¿Quién le enseña a las células a ser egoistas?
Si estas hormigas estuviesen huyendo de algo, por ejemplo fuego, o un depredador, la que se queda sola después de haber ayudado a los demás ¿Cómo la definiríamos?
Los virus nos enseñan egoísmo
Hay diferentes mecanismos para que una bacteria se suicide. Uno muy interesante es el de la toxina-antitoxina. Cada uno de estos módulos toxina-antitoxina consiste en dos genes que especifican la producción de dos componentes: una toxina estable y una antitoxina inestable que actúa de antídoto contra la toxina. Estos módulos se descubrieron por primera vez en E. coli y el origen de su existencia son los plásmidos. Los plásmidos son moléculas de ADN extracromosómico que se transmiten independientemente del ADN cromosómico de las bacterias y pueden ser considerados como parásitos. La cuestión es que si la bacteria pierde los plásmidos morirá porque la toxina es más estable, dura más tiempo, mientras que la antitoxina se degrada más rápido. El resultado es que la antitoxina ejecuta a la bacteria. Por eso se llama módulo de adicción porque la bacteria se hace adicta a la antitoxina, necesita la antitoxina para seguir viviendo. También podemos decir que se hace adicta al plásmido que produce ambas de manera que no puede deshacerse del plásmido sin perecer ella también.
Algunos virus bacteriófagos que infectan a las bacterias también producen módulos de adicción de este tipo que sirven para que la célula no pueda eliminarlos y para impedir las infecciones por otros virus. Si otro virus entra en la célula y hace desaparecer el fago inicial la bacteria completa desaparecerá y así no puede avanzar la infección por el virus competidor. Sistemas toxina-antitoxina similares a los módulos de adicción se han integrado en el cromosoma de las bacterias. El más conocido es el mazEF.
Otros bacteriófagos han desarrollado defensas antisuicidio, es decir, defensas contra estos sistema toxina-antitoxina. Estos virus tienen genes que producen un antídoto similar a la antitoxina del módulo de adicción, con lo que evita el suicidio de la bacteria. Pero no sólo eso, estos bacteriófagos son capaces de captura el sistema genético toxina-antitoxina y transferirlo a otras especies de bacterias que carecían de este sistema antifago. Esto parece contraproducente para el fago ya que proporciona a la bacteria un mecanismo de lucha contra ellos, pero si lo pensamos más despacio vemos que tiene lógica porque al transferir un sistema de defensa a otras bacterias -del que ellos tienen la llave-, los fagos se aseguran que esas bacterias sólo van a poder ser infectadas por ellos.
¿Qué es lo que te hace egoísta?
La confrontación. Interactuar de tú a tú con los demás. Saber que dependes exclusivamente de ti mismo. Que más vale que seas espabilado para distinguir amigos de enemigos. Que tienes que reproducirte rápido. En el caso de los virus es bastante fácil seguir estos preceptos. En el caso de las bacterias es fácil cuando interaccionan bacterias de distintas especies, pero ¿Qué pasa con poblaciones de la misma especie, del mismo clon? Es más sencillo engañarlas para que tengan comportamientos altruistas en favor del grupo. La homogeneidad hace que las bacterias clónicas dejen de ser totalmente individuos independientes para empezar a actuar como organismos sociales, similares a las colonias de hormigas o termitas, en donde los individuos trabajan y se reproducen como un grupo.
Te olvidas de que eres un individuo cuando hay mandatos de orden superior, como los mecanismos genéticos que hacen que te suicides para que tus moléculas sirvan para alimentar al resto de la colonia. Hemos visto como en el caso de los bacteriófagos de Pseudomonas aeruginosa presentan también comportamientos de suicidio a favor de la especie. El extremo de este comportamiento "altruista" somos los organismos pluricelulares, que no solo vivimos para mantener a las células sexuales hasta que sea el momento de generar nuestra descendencia, sino que, nuestras células son diferenciadas una y otra vez para formar tipos de células distintas: musculares, cardiacas, neuronas, adipocitos... capaces de formar tejidos y un organismo complejo entero.
Marionetas antes de ser cadáveres
Carlo Collodi (1826-1890), pseudónimo de Carlo Lorenzini, nació en Florencia, donde su padre era cocinero de una familia aristocrática no fue un escritor reconocido con una extensa obra. Sin embargo, su libro Pinocchio es el libro más impreso en el mundo después de los libros religiosos.
Niños convertidos en burro. Fotograma de la película Pinocho de Disney.
Es inquietante la historia de la Isla de los Juegos, en donde los niños "educados" en el ocio y entretenimiento acaban convertidos en los burros que tiran del carro del amo. Supongo que para un hijo de un cocinero de una familia aristocrática, escapar del destino de ser burro de carga era una cuestión vital. Al fin y al cabo, cuando nuestro padre ha muerto, no tenemos que esperar mucho a verlo en el espejo cuando envejecemos.
Nos queda claro que somos finitos, y que esto es necesario para que exista la infancia. Esta finitud no significa que seamos insignificantes. Al contrario, le da valor a un tiempo que es escaso. Lo que no debemos es ser esclavos. En el último libro que dio a la imprenta Immanuel Kant "El conflicto de las facultades", propone que, la moral y la ética nace de la libertad; porque solamente en libertad se puede cumplir con el deber, que nace del derecho. Solamente, en libertad, en autonomía, el hombre es capaz de comprometerse. La autonomía es por tanto fundamental para definir la identidad.
Las células de los seres pluricelulares son marionetas del genoma de la especie. Ese código genético que veíamos al principio, va generando proteínas que se van a unir al ADN activando unos genes, luego otros, esos genes darán proteínas que ordenadas en el espacio y el tiempo generarán seres maravillosos. Esos seres serán más simétricos, más hermosos, más espectaculares... y habrá los que no lo sean tanto, y no tendrán tanta suerte para pasar sus genes a las siguientes generaciones. Habrá quien no deje descendencia pero deje su mensaje, su ideas, sus obras. La cultura de los humanos comienza a perpetuarse de manera independiente a sus creadores, de una manera muy biológica. Este fenómeno de replicación cultural ha servido para que el biólogo Richard Dawkins acuñase el término meme. En las teorías sobre la difusión cultural, un meme es la unidad teórica más pequeña de información cultural transmisible de un individuo a otro, de una mente a otra, o de una generación a la siguiente. Igual que la evolución biológica se basa en la reduplicación de unidades de información llamadas «genes», la evolución cultural se basa en la reduplicación de unidades de información llamadas «memes». Pero, volvamos a la biología...
Cuando se forma el zigoto después de la fusión del espermatozoide con el óvulo, este comienza a dividirse, forma una morula, luego una blástula y por último una gástrula
De izquierda a derecha: morula, blástula y por último una gástrula
Los animales se van a dividir en dos grandes grupos: protóstomos y deuteróstomos. Básicamente en los deuteróstomos, la primera abertura del embrión (blastoporo) se convierte en ano. En cambio, en los protóstomos, se convierte en la boca.
A este grupo de células se las va a manejar diferenciándolas a distintos tipos de células. Es interesante observar cómo un grupo de genes, los genes Hox, han servido para diferenciar a los animales que tienen un eje anterior posterior, como es el caso humano. Los genes Hox evolucionaron a partir de uno ancestral gracias a las duplicaciones génicas. Estas duplicaciones acabaron formando los diferentes grupos de genes Hox. Los Hox se encuentran agrupados dentro de un cromosoma siguiendo un determinado orden y este mismo orden es el que siguen al expresarse en el organismo. Es decir, que el orden que muestran en el cromosoma se corresponde con el orden de expresión en el eje anteroposterior del animal. Es decir, los genes del extremo derecho se expresan antes y en la parte anterior del animal, y los del extremo izquierdo después y en la parte posterior. Esta propiedad se conoce como principio de colinearidad temporal y espacial, y se cumple en todos los grupos de genes Hox aun cuando éstos estén dispersos en el genoma.
Con el tiempo se descubrió que estaban presentes incluso en los animales que no mostraban un eje anteroposterior diferenciado, es decir, que no poseían una cabeza ni una cola como tal. Aunque no agrupados, existen homólogos de los genes Hox en las esponjas, medusas o ctenóforos
Vayamos por partes, como sugería Jack el Destripador. Si nos centramos en los genes Hox de los animales bilaterales , que básicamente son todos los animales excepto animales muy primitivos que viven en colonias como las esponjas, cnidarios (medusas y anémonas) y ctenóforos (similares a medusas) podemos construir un árbol filogenético que tenga un ancestro común como punto de partida. Este ancestro común lo se denomina ACB (Ancestro Común de los Bilaterales). Este ACB era un gusano marino de hace -550 ma. Este hipotético organismo ancestral ya era bilateral y mostraba las características propias de los animales bilaterales: un extremo anterior con boca, uno posterior con ano. Sus tejidos y órganos estaban más desarrollados que los grupos animales no bilaterales. Estas características las podéis observar en la siguiente imagen.
El ACB ya tenía tejido muscular (en naranja), un sistema nervioso central con un “protocerebro” (en amarillo), un órgano largo bombeador análogo al corazón (en azul) y órganos sensoriales y apéndices en la boca (en rojo y negro, respectivamente). A partir de este ACB surgirían todos los animales bilaterales que conocemos hoy día: por un lado los protóstomos y por otro los deuteróstomos (Lemons and McGinnis, 2006)
La increible diversificación y expansión de los animales con un eje antero-posterior definido que surgen a partir del ancestro ACB se debe a la evolución diversificadora de su grupo de genes Hox. En concreto nos referimos al grupo de ocho genes que en la siguiente figura se encuentra en la base de la bifurcación en dos grandes ramas del árbol genealógico.
En la base del árbol de la misma se muestra un cnidario con genes Hox dispersos. A continuación en la base de la que se bifurcan las dos ramas principales tenemos la organización del grupo de genes Hox del organismo ACB. La rama izquierda muestra los genes Hox fragmentados de los protóstomos, como el gusano plano Schistoma mansoni, causante de la esquistosomiasis, los nematodos o los insectos representados por la mosca de la fruta. La rama derecha muestra los deuteróstomos, que presentan grupos de genes Hox organizados linealmente en cromosomas (Lemons and McGinnis, 2006)
El número y organización de los genes Hox de un organismo están relacionados con su plan corporal. La evolución ha provocado numerosos cambios en el número de genes Hox, y esto ha contribuido a la evolución morfológica de los distintos grupos de animales. Algunos ejemplos son el complejo plan corporal de los vertebrados reflejo de su extraordinaria regulación, los 7 grupos de genes Hox de los peces (reflejo de su gran variedad morfológica), la escasez de genes Hox en nematodos y platelmintos (correlacionada con su arquitectura corporal tan simple), y un largo etcétera.
Los parásitos que siempre sufren una evolución característica que implica la pérdida de genes que nos les hacen falta. Tiene sentido. Demasiados genes para un ambiente tan constante y determinado como el cuerpo de un hospedador no harían más que interferir con esa solución de compromiso a la que llegan con su hospedador los parásitos muy evolucionados. Si los genes Hox están involucrados en simetría bilateral, extremidades... el parásito Schistosoma mansoni, que produce la enfermedad conocida como esquistosomiasis o bilharzia, tiene solo 4 genes Hox dispersos.
Los genes Hox son interesantes porque nos enseñan como se generan los múltiples patrones corporales de los vertebrados. Por ejemplo, el linaje de las serpientes hace varios millones de años los genes Hox10 perdieron la habilidad de suprimir el desarrollo de vértebras con costillas en la parte torácica y posterior. Este evento mutacional de supresión dio lugar a un esqueleto alargado y sin extremidades. De esta manera, vislumbramos los hilos que mueven a las marionetas pluricelulares.
Para saber más:
Velicer, G., Kroos, L. & Lenski, R. Developmental cheating in the social bacterium Myxococcus xanthus . Nature 404, 598–601 (2000). https://doi.org/10.1038/35007066
Domink Refract et al., Altruism can evolve when relatedness is low: evidence from bacteria committing suicide upon phage infection. 2013 Proc R Soc B 280: 20123035
Derek Lemons y William McGinnis (2006). Genomic evolution of Hox gene clusters. Science, 313 (5795), pp: 1918-1922.
El metabolismo aeróbico podría ser más antiguo de lo que se pensaba. Se ha descubierto recientemente un grupo de bacterias productoras de oxígeno, que evolutivamente podían haber aparecido antes que los organismos fotosintéticos en la Tierra. Estas bacterias consumen el oxígeno que ellas mismas producen. Este hallazgo además tiene importancia para entender otras formas de colonizar habitats poco usuales, como los que encontramos en Marte o Titán
Existe un grupo de microorganismos capaces de respirar el oxígeno que ellas misma generan (Ettwig, 2010), sugiriendo que esto microorganismos podían haber existido en la Tierra consumiendo oxígeno antes de que las cianobacterias y las plantas lo produjeran. El mecanismo utilizado por estas bacterias muestra que, hace mucho tiempo, estos microorganismos emplearon el metano (fuente de carbono y energía que existe también en lunas de otros planetas del sistema solar) produciendo un oxígeno que era empleado para respirar por ellos mismos.
Esta bacteria productora de oxígeno, llamada provisionalmente Methylomirabilis oxyfera vive en lodos lacustres pobres en oxígeno y ricos en metano. Los compuestos que esta bacteria oxida son metano, nitrato y nitrito. Hasta el momento de este descubrimiento sólo se habían identificado tres mecanismos de producción de oxígeno: la fotosíntesis, la reducción de cloratos y la conversión enzimática de especies reactivas de oxígeno.
Las bacterias anaerobias vivían solas en la Tierra hace 2500 millones de años sin oxígeno, por eso tenían que encontrar otros elementos a los que ceder electrones, por eso utilizaban minerales ricos en hierro (Fe) y el manganeso (Mn), es decir, eran capaces de respirar piedras.
El Profesor David Richardson, de la Universidad de East Anglia, descubrió que las bacterias emiten los electrones sobrantes fuera de su cuerpo a través de la pared bacteriana, para que sean aceptados por piedras ricas en estos compuestos, o sea, emiten descargas eléctricas al exterior. Según este investigador estas bacterias anaerobias utilizan petróleo como alimento y "piedras" para respirar, es decir, como aceptoras de electrones.
La Shewanella, prima de nuestra E. coli es una bacteria capaz de reducir metales pesados. La respiración celular de estas bacterias no se limita a los metales pesados; dicha bacteria también puede usar sulfatos, nitratos y cromatos cuando crece anaeróbicamente.
Limonita, también conocida como hierro de los pantanos se forma por deposiciones de hierro originadas por el metabolismo de cierto grupo de bacterias.Es una forma muy porosa, con escasa densidad y muy ligera. Es frecuente observar a simple vista restos vegetales (de hecho está formada por multitud de hebras de raicillas).
La vida estaba presente durante todo el Arcaico limitada a los organismos procariotas.
Hace unos 3500 millones de años, durante la Era Paleoarcaica, las bacterias comienzan con la fotosíntesis, que inicialmente era anoxigénica, por lo que no desprende oxígeno. En la actualidad, las bacterias verdes del azufre y no del azufre, y las bacterias púrpura realizan este tipo de fotosíntesis. No sería hasta hace unos 2800 millones de años, durante la Era Neoarcaica, cuando surjan los primeros organismos capaces de realizar la fotosíntesis oxigénica (como las cianobacterias) y comiencen a liberar oxígeno molecular al medio ambiente.
Uno de los eventos más importantes del Proterozoico fue el aumento de la concentración de oxígeno en la atmósfera de la Tierra. Aunque el oxígeno producido como sustancia de desecho por la fotosíntesis comenzó a producirse ya hace 2800 millones de años, en el Eón Arcaico, el porcentaje de oxígeno en la atmósfera se mantuvo probablemente a sólo un 1% al 2% de su nivel actual hasta que los sumideros químicos (oxidación de azufre y hierro) se saturaron hace aproximadamente 2450 millones de años, cuando comienza la Gran Oxidación. Las formaciones de hierro bandeado, que proporcionan la mayor parte de mineral de hierro del mundo son el resultado de estos sumideros químicos de oxígeno. La formación de estas estructuras cesó hace 1.900 millones de años.
Durante el proterozoico es cuando aparece la primera célula eucariótica, a partir de la simbiosis de varias bacterias. Este grupo de seres vivos se les conoce como el nombre de protozoos. Cuando los protozoos comienzan a formar los primeros seres pluricelulares es cuando empiezan a aparecer los primeros fósiles. De este tipo de fósiles se conservan innumerables ejemplos en el yacimiento de Ediacara. A partir de entonces ocurre una explosión de formas pluricelulares. Es en ese momento cuando entramos en el eón Fanerozoico, que comienza hace 542 millones de años y que dura hasta nuestros días. El periódo más antiguo del Fanerozoico es el periódo Cámbrico.
Las glaciaciones como motor de la evolución
Glaciaciones-Tierra helada (Miracle Planet II). Fuente: Director Hideki Tazuke. Oliver Julien. Producido por NHK
Min 20. Las bacterias metanogénicas hace 2000 millones de años vivían en todos los océanos del planeta liberando metano. El metano es un gas invernadero mucho más potente que el CO2
Si el metano en la atmósfera terrestre era capaz de mantener la temperatura de la Tierra por encima de los 0ºC (por debajo de esa temperatura el agua se congela)
Min 20:50 la atmósfera hace 2000 millones de años era rojiza debida al metano. Las metanobacterias liberaban metano sin parar. Es entonces cuando aparecen las cianobacterias. Al producirse 02 en grandes cantidades el metano se redujo
La reducción del metano fue drástica por lo que privada de su metano la Tierra comenzó una glaciación masiva conocida como Glaciación euroniana
Min 36:25 Tras el segundo periodo de glaciación ocurrido hace 600 millones de años la concentración del oxígeno en la atmósfera pasó del 1% a 20% ¿Cómo ocurrió esto? Min 37:25: A pesar del hielo, los volcanes seguían siendo muy activos y producían CO2 que se acumulaba en la atmósfera, no disuelto en el agua como ocurre ahora. Esto era así porque no había agua líquida. Se encontraba toda en forma de hielo. Al aumentar el CO2 aumentó el efecto invernadero provocando que el hielo se fundiese. El calor continuó, al llegar el agua de mar a 45ºC se produjeron grandes ciclones de 10.000 km/hr. El fosforo y otros nutrientes que se encontraban en el fondo del océano durante la gran glaciación surgieron de los fondos gracias a las tormentas. Ello provocó un rico caldo que fue aprovechado por las cianobacterias para producir una cantidad ingente de oxígeno que pasó del 1% de la atmósfera a 20%, similar al 21% de hoy en día.
Esto generó dos grandes saltos en la evolución: el primero el paso de las células procariotas a las eucariotas, el segundo paso, el de los organismos unicelulares a los multicelulares.
La relación entre las glaciaciones y los saltos evolutivos quedaría así:
Cuando se representa el tiempo geológico se suele representar en eones. Un Eón es el mayor de los períodos en que se considera dividida la historia de la Tierra desde el punto de vista geológico y paleontológico. Hay solamente cuatro eones: Hádico, Arcaico, Proterozoico y Fanerozoico. Los tres primeros se agrupan en un único supereón, el Precámbrico.
La vida aparece en el eón Arcaico, hace 4000 millones de años. De este periodo nos quedan los fósiles llamados estromatolitos que se comienzan a formar hace 3.500 millones de años, con una abundancia máxima hace 1250 millones de años. Posteriormente se redujo su abundancia y diversidad, si bien actualmente continúan formándose en algunos lugares. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que los primeros estromatolitos con origen microbiano confirmado son de hace 2724 millones de años
Estromatolitos como estos se pueden observar en Australia. Fuente
Las dos grandes glaciaciones, del periodo huroniano (hace 2200 ma) y criogénico (hace 600 ma) fueron responsables de la aparición de la célula eucariota y de los seres multicelulares
Para saber más:
Ettwig, K. F. et al. Nitrite-driven anaerobic methane oxidation by oxygenic bacteria. Nature 464, 543-548 (25 March 2010).
Los siete reinos de los seres vivos ¿Incluimos a los virus y a las computadoras?
La clasificación más reciente de los seres vivos data del 2015 y presenta 7 reinos que iré nombrando empezando por los que primero aparecierons sobre la Tierra: Archaebacteria, Eubacteria, Protozoa, Chromista como grupos unicelulares. Dentro de los pluricelulares tenemos tres grupos Fungi, Animalia y Plantae. En la figura 1 estos 7 reinos están en negrilla
Fig. 1. Clasificación de la vida. La línea de tiempo va desde la izquierda a la derecha, siendo la izquierda hace 4500 millones de años y la derecha el momento actual. Las interacciones competitivas tienen lugar al comienzo de los tiempos. Cuando coexisten virus y bacterias las relaciones parasíticas fueron un autentico motor de evolución. Durante la aparición de la célula eucariota las relaciones simbióticas cobraron gran relevancia. La aparición de los organismos pluricelulares, como hongos, animales y plantas implicaron el desarrollos de una nueva estrategia que se basó en alienar células idénticas para que trabajasen en beneficio de las únicas células con la posibilidad de vivir: las células sexuales. Autor: Esteban Fernández
Más abajo podéis leer sobre los cromista, que es un reino creado en 1998 y que agrupa a las algas unicelulares. De los otros seis reinos contamos con innumerables ejemplos con los que estamos familiarizados. En la figura 1 he querido incluir a los organismos sin una membrana celular, los virus, a los que considero organismos vivos como ya he argumentado en este blog.
He introducido a los robots, computadores, inteligencias artificiales, como entidades vivas que no dependen de una código basado en ácidos nucleicos sino en un código binario basado en apagados, los ceros, y encendidos, los unos.
¿Cómo interpretamos esta clasificación de la vida?
Hace 4500 millones de años, cuando aparecen los primeros ribozimas, la competencia era, presumiblemente, la relación entre individuos más importante. La competencia por dejar más descendencia en esa sopa de moléculas que era la Tierra por aquel entonces. Cuando aparecieron las primeras células, las arqueobacterias, los virus comenzaron a parasitarlas. El parasitismo se unió a la competencia como un mecanismo de relación de los virus con las células, de los virus respecto a otros virus y de las bacterias frente a otras bacterias. En el próximo capítulo veremos como la bacteria X (se llama así, no es broma) cuando se cultiva con amebas acaba viviendo en el interior de estos protozoos y si se eliminan con un antibiótico la ameba se muere, probando de esta manera que han llegado a establecer una relación de dependencia mutua. La simbiosis es un tipo de relación entre individuos de distintas especies. Es una relación complicada como veremos. Vamos a ver brevemente el caso de los líquenes como un ejemplo de simbiosis.
Los líquenes son una cooperativa de hongo, algas y recientemente se ha descubierto que también de bacterias. Los hongos construyen la casa y las algas viven dentro como si fuesen la mortadela de un bocadillo. Muchos amantes del altruísmo han visto en esta asociación la prueba que valida al altruísmo como un motor de la evolución (Kropotkin, Margulis...). Pero ¿Qué hay detrás de esta imagen bucólica de comuna hippy?
Un grupo de investigadores españoles y alemanes han publicado un artículo muy interesante sobre el líquen Cetraria aculeata. Este líquen puede vivir en sitios muy muy distintos tales como las costas del Mediterraneo, las llanuras heladas de la Antártida, regiones áridas del Asia Central o la Patagonia. La mayor parte de los organismos que viven en la Antártida son incapaces de vivir en sitios calidos y soleados como el Mediterraneo.
Esta capacidad sorprendente de adaptación se debe a la habilidad del líquen para secuestrar o para reclutar a nuevos simbiontes que les permitan vivir en los nuevos hábitats. Muchos líquenes son capaces de crear estructuras para mantener distintas cianobacterias aisladas porque quizás juntas no se lleven bien. Para ello crean unas estructuras llamadas cefalodios. En este sentido el líquen más que funcionar como una comuna funcionaría como una pensión en donde cada huesped tendría su propia habitación. Estos investigadores descubrieron que C. aculeata cambia de simbiontes según el área geográfica en donde viva. No hay fidelidad sino puras relaciones de conveniencia.
La habilidad de los líquenes para eliminar bacterias simbióticas como compañeras de viaje e incorporar a otras bacterias recuerda la habilidad del Mr Potato para cambiar de piezas. Esto le permite al líquen conquistar ambientes muy distintos. Este tipo de interacciones ha animado a algunos investigadores a crear una nueva teoría sintética: la Teoría Hologenómica de la Evolución.
Finalmente, llegamos a la cuarta forma de interacción que denomino "estupidizar" que consiste en que una célula crea copias de si misma y hace que esas copias trabajen para el beneficio de unas pocas. Este es el caso de los humanos, como veremos más adelante. Y por último... tenemos la suerte de que en nuestra generación hemos sido testigos de la aparición de la inteligencia artificial. ¿Podrá ser considerada un organismo vivo?
¿Existen bacterias que parasiten a otras bacterias? La teoría endosimbiótica de Mereschkowski
La mitocondria surgió como orgánulo hace 2000 millones de años (pensemos que la Tierra surge hace 4540 millones de años). Poco es lo que sabemos sobre la conversión de una bacteria de vida libre a un simple orgánulo celular de una célula mayor: la célula eucariota que es la célula de los animales, las plantas y los hongos.
Un trabajo publicado por Martín Wu, biólogo de la Universidad de Virginia, plantea el siguiente escenario: las mitocondrias fueron bacterias parásitas y sólo se convirtieron en organismos simbióticos y por tanto beneficiosos cuando cambiaron de "chupar" el ATP a producirlo para el consorcio simbiótico. Es decir, las bacterias Gram negativas que luego dieron lugar a las mitocondrias hacían en un origen exactamente lo contrario que hacen las mitocondrias hoy en día.
La teoría endosimbiótica explica la aparición de la célula eucariota, es decir, con el material hereditario dentro de un núcleo.
Fig. 2. Teoría endosimbiótica. Modificado de un dibujo original de lynn Margulis
La "teoría endosimbiótica" ya había sido propuesta por Konstantin Mereschkowski. La hipótesis de que el cloroplasto de los vegetales procede de la unión de una bacteria se remonta a 1883 (Schimper). Y respecto a las mitocondrias, uno de sus descubridores (Richard Altmann) ya las consideraba por esas fechas estructuras autónomas con vida propia, microorganismos. Por desgracia, la parte de la "teoría endosimbiótica" que es más original de Margulis es precisamente la más endeble y controvertida, mientras que las hipótesis pre-margulianas del origen bacteriano de la mitocondria y el cloroplasto están abrumadoramente probadas y se consideran hoy en día hechos científicos.
Los protozoos son el producto de una simbiosis de una arqueobacteria y una bacteria Gram -
Los protozoos son un grupo de organismos eucariotas unicelulares que, generalmente son heterótrofos y se alimentan de otros seres vivos mediante un proceso de fagocitosis. Todos los protozoos están formados por una única célula. A excepción del grupo de las Euglenas, que realizan la fotosíntesis en distintos hábitats de agua dulce, prácticamente todos los protozoos son heterótrofos. Es decir, por regla general, los protozoos obtienen la materia y la energía que necesitan para vivir de la degradación de la materia orgánica, como los animales y los hongos. Se alimentan por fagocitosis, normalmente se alimentan de otros organismos unicelulares, especialmente bacterias, cromistas e incluso otros protozoos.
El metabolismo de los protozoos es exclusivamente aerobio. A excepción de dos grupos (Metamonada y Archamoebae), que son anaerobios (no toleran el oxígeno), la mayoría de protozoos realizan la respiración aerobia, es decir, requieren de oxígeno para llevar a cabo sus reacciones metabólicas de obtención de energía. No tienen una cobertura celular rígida. A diferencia de los cromistas, que tienen una cobertura rígida los protozoos están desnudos. Gracias a que están "desnudos" pueden realizar la fagocitosis.
Los protozoos también pueden comportarse como patógenos. De hecho, hay importantes parásitos para el ser humano que son protozoos, como por ejemplo Naegleria fowleri, conocida como la ameba comecerebros, Plasmodium, que se alimenta de los glóbulos rojos humanos que causa la malaria, Leishmania, Giardia, Trypanosoma cruzi que causa el mal de Chagas. Los protozoos como reino surge hace 2.500 millones de años. Los protozoos fueron los primeros organismos eucariotas de la Tierra.
Aparecieron hace entre 2.500 y 2.300 millones de años, una época en la que se estaba produciendo la Gran Oxidación, es decir, la oxigenación de la atmósfera terrestre gracias a la acción de las cianobacterias. Por lo tanto, todos los otros organismos eucariotas tienen su origen en estos protozoos.
No forman colonias. A diferencia de los cromistas, que, como las algas, pueden formar agregaciones de células hasta dar lugar a cuerpos visibles a simple vista, los protozoos nunca forman colonias. Siempre viven de forma individual y, pese a que pueden formar comunidades, nunca llegan a agregarse en cuerpos que simulan a un organismo pluricelular.
A pesar de que el sexo tal y como lo conocemos fue inventado por los protozoos, la mayoría se reproducen de forma asexual. Es decir, la célula replica su material genético y simplemente se divide en dos aunque también puede hacerlo por gemación, generando así dos clones. La reproducción sexual por fusión de gametos es poco frecuente, pero hay especies que la realizan. Se puede decir por tanto que los protozoos desarrollaron el sexo tal y como lo conocemos los humanos. En estas páginas ya me he referido que de cierta manera, la parte viva de los humanos, es decir, nuestras células sexuales siguen siendo protozoos. Somos protozoos con una dotación cromosómica haploide que viven en un ambiente pluricelular que somos nosotros
Los protozoos son capaces de moverse activamente. Según la Teoría Endosimbiótica Seriada, tal como la proponía Lynn Margulis, los protozoos son eucariotas que proceden de una endosimbiosis adicional con una bacteria Gram negativa similar a las espiroquetas. Al no haber ADN extracromosómico en los protozoos relacionado con estas posibles espiroquetas esta hipótesis no ha sido probada. El movimiento de los protozoos puede ser por flagelos, cilios, o movimimientos ameboides.
El otro gran grupo de eucariotas unicelulares es el de los cromistas
Los cromistas proceden de los protozoos y las cianobacterias y dan origen a las plantas
Los cromistas constituyen un grupo de organismos unicelulares que surgen a partir de los protozoos a resultas de un evento endosimbiótico entre ese protozoo ancestral y una cianobacteria hace aproximadamente 1.700 millones de años. Se estima que los primeros cromistas fueron algas verdes y rojas (las responsables de las mareas rojas) que surgieron hace entre 1.700 y 1.500 millones de años. Por ese motivo, como grupo tienen tendencia clara a la fotosíntesis, aunque hay especies heterótrofas e incluso parasitarias, que cuentan con un exoesqueleto y que suelen encontrarse en ecosistemas acuáticos.
Fig. 2. Microalga. Autor Esteban Fernández
Debido a su enorme diversidad como grupo, es difícil establecer unas características comunes a todos los cromistas
Fig. 3. Microalga. Autor Esteban Fernández
Los cromistas son unicelulares y también pueden formar colonias. De ahí que las algas tengan tamaños macroscópicos. Y es que distintos cromistas pueden agregarse para formar estructuras visibles a simple vista. Pero como no hay especialización en tejidos, no se trata de un organismo pluricelular. Pese a estar unidas, cada célula es independiente. La mayoría de las especies de cromistas son fotosínteticas. Sus células disponen de las enzimas y pigmentos necesarios para, por una parte, convertir la energía lumínica en energía química y, por otro lado, consumir este combustible para sintetizar materia orgánica a partir de la captación del dióxido de carbono.
Una de las principales características de los cromistas ya que es compartida por todas las especies de este grupo, es la presencia de una cubierta rígida, una especie de exoesqueleto que puede adquirir formas y tamaños muy variados que hace que, bajo el microscopio, resulten asombrosos. Esta armadura les ofrece tanto rigidez como protección. Además, al igual que las plantas, que tienen en los cromistas a sus antepasados, tienen pared celular por en el exterior de la membrana plasmática y por debajo del exoesqueleto. Esta pared celular es rica en celulosa y les otorga, además de rigidez, la posibilidad de comunicarse con el exterior. Por tanto, las plantas proceden de los cromistas. De las algas que vivían a las orillas de los lagos, hace 540 millones de año
Aunque los cromistas son precursores de las plantas, como células unicelulares disponen de sistemas de movilidad. Poseen flagelos o cilios que se prolongan a través del exoesqueleto y que les permiten moverse. ¿Puede que esta movilidad sea resultado de otro evento simbiótico con una bacteria Gram negativa móvil como puede ser una especie de espiroqueta? Esta era una de las hipótesis de trabajo de Lynn Margulis que no ha sido todavía demostrada.
La reproducción es muy diversa entre los cromistas. La mayoría optan por la reproducción asexual, que permite generar muchos invididuos, aunque algunas especies de cromistas, además de esta vía asexual, pueden optar por la reproducción sexual, generando gametos.
Y el verbo se hizo carne (y se traduce a proteínas)
Ya tenemos un texto escrito en ARN. Un texto de cuatro letras constituidas por los cuatro nucleótidos adenina, citosina, guanina y uracilo. Ya hemos visto, que incluso en un texto lineal como lo es una molécula de ARN puede existir dopplergangers: secuencias invertidas, especulares, complementarias... La unidimensionalidad esconde estructuras de dos dimensiones... esas estructuras van a dar una molécula tridimensional, y esa molécula, por medio de la selección natural irá cambiando en el tiempo, es decir, va a reflejar la cuarta dimensión en su composición.
El estudio de significados ocultos en los textos del Pentateuco, que en la tradición hebrea forman la Torá, núcleo de la religión judía (Génesis, Éxodo, Levítico, Números y Deuteronomio, tuvo su origen en la España de los siglos XII y XIII, especialmente en las juderías de Guadalajara y Zaragoza. La lectura cabalística artificial utiliza tres mecanismos analíticos básicos: Gematría, Notaricón, Temurá. Cada letra del alfabeto hebreo, como elemento creador tiene asignado un número, lo que confiere significados crípticos a la Torá.
Si un texto alfabético admite ese grado de complejidad, pensemos en ese mundo de ribozimas replicándose en el barro, evolucionando... alcanzando niveles altísimos de sofisticación. De repente, esa información escrita en cuatro letras da un salto cuando una máquina, el ribosoma, del que hablaré más adelante, les permite traducir la información del ARN a un código químicamente más versátil: las proteínas basadas en cadenas de aminoácidos. De repente, el verbo, las ribozimas, se hacen carne.
Fig. 1. La creación de Adán por Miguel ángel. El verbo se hizo carne.
Para convertir, traducir, toda la información que acumula el ARN necesitamos un código para traducir esa información a un nuevo código. Por ese motivo, vamos a ver
¿Qué es el código genético?
Para explicar el código genético voy a utilizar otro código muy utilizado como analogía: el código máquina de nuestros computadores. La información digital se guarda en ceros y unos, los famosos bits, es decir un código binario: O es apagado y 1 es encendido, por que se trata de un soporte electrónico electrónico. La información biológica se guarda en cuatro "bases nitrogenadas" basadas en química de carbono: adenina; uracilo; citosina y guanina. La unidad de información informática es el octeto, conocido como byte, es decir, una combinación de ocho elementos, ceros y unos. La unidad biológica es el triplete, es decir, combinaciones de tres bases nitrogenadas. Si hacéis un poco de cálculo os daréis cuenta que un byte tiene 256 combinaciones posibles (2x2x2x2x2x2x2x2 = 256). Es decir, que 256 octetos nos sirven para tener el alfabeto latino, todos los signos de puntuación e incluso comandos. Cuando en 1963 los informáticos eligieron este código lo pensaron de la siguiente manera: con dos dígitos puedo representar 22 caracteres, es decir 4 caracteres, con tres dígitos 23 caracteres. Para 120 caracteres, 27 =128. Al final se decidieron por un código basado en 8 dígitos ya que 28 = 256 y así podían representar las letras del alfabeto latino, el griego, minúsculas y mayúsculas, los números y distintos comandos... se olvidaron de asignar un byte de 8 dígito para nuestra letra Ñ. De esta manera, el código binario de apagados y encendidos podía codificar todos los símbolos que necesitamos. En el caso del ARN lo que la selección natural benefició fue...
Un código degenerado
El código genético tiene 64 combinaciones posibles (4x4x4 = 64). El código genético codifica para 20 aminoácidos que son los elementos con los que se construyen las proteínas, las proteínas son cadenas de aminoácidos. Además el código tiene un triplete para comenzar la lectura y tres tripletes para finalizar la lectura. El código tiene cuatro letras: A, G, C y U, que se agrupan de tres de en tres. Esto da lugar a 64 combinaciones diferentes (4x4x4). Sin embargo sólo hay 20 aminoácidos diferentes que están en las proteínas. Del código genético se dice que es "degenerado" porque varios codones sirven para especificar un mismo aminoácido.
Fig. 2. Este gráfico consta de 4 colores que representan las cuatro propiedades químicas que tienen los aminoácidos. Así, los aminoácidos pueden ser ácidos (rosa), básicos (morado), neutros (verdes) o hidrofóbicos (amarillos). Se intuye que existe una conexión, unos lazos "familiares" entre el código ARN y el código químico exhibido por las propiedades químicas de estos veinte aminoácidos. Los aminoácidos además de propiedades químicas también tienen distintos tamaños, así tenemos al aminoácido más pequeño, la glicina y tenemos aminoácidos grandes como la arginina o el triptófano.
Gracias a este código, los ribozimas pudieron traducir su información basada en 4 nucleótidos a un código de 20 aminoácidos. ¿Qué ventaja tienen los aminoácidos frente a los nucleótidos? bien, primero hay aminoácidos de tamaño pequeño y de tamaño grande. Los hay ácidos, básicos, hidrofílicos de carga neutra e hidrofílicos. Por lo tanto el código es ahora más versátil.
Cada tres bases del ARNm especifican un aminoácido
Un triplete o codón es una secuencia de tres nucleótidos del ARNm, secuencia que determina la formación de un aminoácido específico. Teniendo en cuenta que existen cuatro ribonucleótidos diferentes (U, C, A y G), hay 64 tripletes distintos.
Un mismo aminoácido puede ser codificado por diferentes tripletes
Existen 64 tripletes distintos y hay solamente 20 aminoácidos diferentes, por lo que codones diferentes determinan el mismo aminoácido. A esto se le llama degeneración del código genético. Los codones que especifican el mismo aminoácido se denominan sinónimos.
Como consecuencia de la degeneración del código genético, muchas mutaciones en la tercera base de un codón son fenotípicamente silentes, es decir, el codón mutado especifica el mismo aminoácido que el codón normal.
Los tripletes no se solapan
Cada codón es una secuencia de ribonucleótidos, y no comparte ninguno de ellos con los codones adyacentes en la cadena de ARNm. Por ejemplo: La secuencia 5´AUGCCGUAUGUGUUUUAA 3´ sería 5´AUG CCG UAU GUG UUU UAA 3´
La lectura del código es continua, sin interrupciones
Cualquier pérdida o ganancia de un sólo ribonucleótido produce a partir de ese punto un cambio en todos los aminoácidos desde el lugar de la alteración. El código genético actual ha podido evolucionar desde otros códigos mas simples, pero en éstos códigos los nucleótidos también tuvieron que leerse de tres en tres, ya que, de no ser así, el cambio en la pauta de lectura habría "destruido" la información genética que se había ido acumulando.
Fig. 3. Código genético. Cada tres nucleótidos tenemos un aminoácido. Por ejemplo, AUG codificaría para el aminoácido metionina, CAU codificaría para el aminoácido histidina. El triplete CAC también codificaría para histidina dado que se trata de un código degenerado. El asterisco rojo señala el triplete AUG que codifica para el aminoácido Metionina así como para señalar al primer triplete de la secuencia. Los tripletes UAA, UAG y UGA no codifican para aminoácidos y significan que se ha acabado la secuencia que se va a traducir a aminoácidos. Los colores hacen mención a las cuatro distintas propiedades químicas que exhiben estos veinte aminoácidos: rojo para los aminoácidos con propiedades ácidas, azul los aminoácidos básicos, amarillos para los aminoácidos hidrófilos neutros y verde para los aminoácidos hidrofóbicos. Ahora, el código de cuatro nucleótidos puede tener distintos tamaños de aminoácidos y además cuatro propiedades químicas que expanden el significado químico de la información genética.
PROBLEMA 1: Imaginemos una secuencia de ARN 5´AUGAAACAUGUACGUCGCAUACGACAAUAA 3´ Las secuencias de ARN se leen de 5´a 3´. ¿Puedes traducirla a aminoácidos? ¿Cuáles serían las propiedades químicas de esos aminoácidos?
Solución: Nt Metionina Lisina Histidina Valina Arginina Arginina Isoleucina Arginina Glutamina ct (Habréis notado que en el ARN señalamos los extremos con 5´y 3´mientras que con las proteínas hablamos de Nt y Ct). Las propiedades químicas de principio a final serían, primer aminoácido Metionina= Hidrofóbico, segundo aminoácido lisina = básico, tercero básisico, cuarto hidrofóbico, quinto básico, sexto básico, séptimo hidrofóbico, octavo hidrofóbico, noveno básico y décimo aminoácido hidrofílico neutro.
La evolución del código informático es tan similar que debemos recordarlo. Los pioneros de la computación escribían su código en código máquina, esto es, en ceros y unos. La forma que tenían para escribir este código en un soporte que pudiese ser leído por las computadoras eran las tarjetas perforadas.
Fig. 4. Tarjeta perforada en formato binario que contiene un programa w: IBM 1130. Estas tarjetas, o un mazo de estas tarjetas se colocaban en una tolva de entrada y el computador las leía una a una. De esa manera, el disco duro, que eran las tarjetas perforadas, pasaba a la memoria temporal o memoria RAM de la computadora. Fuente: Arnold Reinhold
Para un humano, escribir en ceros y unos no es intuitivo, por lo que pronto, los informáticos desarrollaron los lenguajes ensambladores como un intento de sustituir el código de ceros y unos en un código basado en comandos escritos en palabras usando nuestro alfabeto.
Como un computador puede interpretar y ejecutar sólo el código máquina basado en ceros (apagado del procesador) y unos (encendido), existen programas especiales, denominados traductores, que traducen programas escritos en un lenguaje de programación al lenguaje máquina de la computadora. En el caso del código genético, el código "máquina" basado en secuencias de ARN, con su código de adenina, citosina, guanina y uracilo, se traduce a proteínas basadas en los 20 aminoácidos mediante un traductor llamado ribosoma.
El código es aplicable a todos los organismos de la tierra
Esto significa que un triplete determinado producirá siempre el mismo aminoácido, en cualquier organismo. Esto es así por que todos los seres vivos del planeta, y me refiero a virus, bacterias, protozoos, hongos, vegetales y animales procedemos de un único antepasado. Una estructura de ARN con capacidad de traducir su información a un código de aminoácidos. Esta estructura surgió por evolución y tuvo tanto éxito que todos somos sus descendientes. Todos los seres vivos estamos emparentados. Por ese motivo, un gen humano puede ser leído en una bacteria, o un virus puede hacer que su ARN sea leído en una célula humana. Esto es la base de la ingeniería genética.
Hay una excepción a esta universalidad: el código genético mitocondrial es diferente en algunos organismos, de manera que los aminoácidos determinados por el mismo triplete o codón son diferentes en el núcleo y en la mitocondria.
¿Por que esa estructura de ARN que podía traducir a su código es nuestro antepasado?
Por que tuvo éxito al desarrollar una cubierta proteica que le hizo poder salir del barro para conquistar todo el planeta. Todos los seres vivos procedemos del mismo ribozima, el que desarrolló el ribosoma que le permitió sintetizar proteínas con las que protegerse y abandonar la seguridad de las capas del barro húmedo.
A los ribozimas que vivían entre las capas de las arcillas y podían traducir su código de ARN a un código de aminoácidos gracias a una máquina molecular llamada ribosoma se les llama protovirus: virus ARN con cubierta proteica y ribosoma.
Fig. 5. En un mundo sin células los protovirus (virus de ARN, cápside proteica y ribosomas) vivían felizmente. Solo tenían que abrir su cápside y sus ribosomas comienzan a traducir su información en proteínas. Las moléculas necesarias para su replicación están libres en la sopa biológica
Se ha descubierto recientemente en Brasil unos virus, los tupanvirus, que conservan parte de un ribosoma ancestral. Los protovirus ancestrales constaban de ARN y una cápside proteica que los protegía. Cuando se replicaban, es decir, hacían copias de si mismos, la cápside se desarmaba y el ARN hacía copias de si mismo mediante la ARN polimerasa. Esto sucedía en la sopa biológica ancestral. En esta sopa ancestral abundaban libremente azúcares, pequeños lípidos, aminoácidos y nucleótidos.
Y es en esta sopa biológica donde los protovirus vivían felices haciendo lo que más nos gusta a los seres vivos: reproducirnos, demostrarle al mundo que nuestro relato si merece la pena y que tenemos que producir muchas copias, más copias que nuestros vecinos y prevalecer en la cuarta dimensión que es la del tiempo. Pero, como todas las situaciones felices siempre viene alguien a estropear la fiesta.
¿Cómo surge un supervirus por recombinación de dos virus?
La tragedia para los protovirus ya se venía mascando desde hacía tiempo. En ese paraíso que era un planeta con océanos y ríos ricos en moléculas orgánicas los protovirus solo debían de replicarse. Esto planteaba un problema: para dividir su ARN los protovirus debían desemsamblar su cubierta proteica y copiar su ARN, luego, los ribosomas traducían parte de su información para hacer las proteínas de la cápside que se autoensamblaban porque estaban hechas de aminoácidos complementarios, en forma y en cargas eléctricas.
Esto planteaba un problema: su ARN estaba desnudo, rodeado de otros ARNs desnudos... y claro, tanta desnudez llevaba a cierta concupiscencia genética. El resultado: protovirus recombinantes, es decir, producto del entrecruzamiento genético entre protovirus similares. Esto que aquí cuento es algo que todavía existe y ocurre. ¿Acaso no habéis leído que el SARS-CoV-2 que ha causado la pandemia del Covid-19 es un supervirus que surgió por la recombinación entre un virus humano y virus de murciélago? El mecanismo por el que aparecen supervirus es muy similar a lo que ocurría cuando no había células y los protovirus vivían replicándose en la sopa biológica.
Fig. 6. Cuando dos virus, en el interior de una célula o antiguamente, dos protovirus en la sopa biológica, se replicaban tenían que desnudarse. Si dos virus distintos comparten el mismo espacio pueden recombinar y el virus recombinante encapsidarse con lo que tendríamos un virus mosaico de los dos virus precedentes. Normalmente, los virus productos de este tipo de recombinación suelen originar supervirus como ha sido el caso del SARS-CoV-2
El problema de que encapsides ARN de otro virus que no sea el tuyo te hace un poco ser un virus cachón. Y eso es un problema, en las novelas venezolanas y también en el mundo de los protovirus. Normalmente los virus cachudos o recombinantes suelen ser supervirus responsables de pandemias.
Otro de los problemas que tenían estos virus de ARN era que el ARN es un buen soporte de información, pero de repente aparición un soporte mejor: el ADN. El ADN es similar al ARN de doble cadena solo que su azúcar está menos oxidado, y como sabemos el oxígeno es muy reactivo, por lo tanto, que la molécula soporte de la información esté menos oxidada la hace más resistente. Esto era bueno para virus muy grandes que ya tenían una información valiosa que merecía conservar y que no sufriese tantas mutaciones. Además, una de las bases, la timina, sustituía al uracilo del ARN. La timina es similar al uracilo solo que es un poco más grande ya que tiene un grupo metilo extra. Esto hace que la molécula de ADN sea más rígida que el ARN y por tanto más compacta y menos expuesta a rupturas.
En los tiempos en los que solo había ribozimas y protovirus, éstos ya fueron capaces de desarrollar protovirus de ARN y protovirus ADN. Ahora, la información genética tenía un soporte que era capaz de resistir de manera más eficaz a las mutaciones. Esto permitía que los protovirus de ADN fuesen cada vez más ricos en información.
Y en esto que aparecieron los primeros organismos biológicos basados no en una cubierta proteica, sino en una envoltura grasa: la membrana formada por una bicapa lipídica. En ese momento, la vida se dividió en dos clasificaciones: Acytotas constituídos por los protovirus y Cytota formado por las nuevas estructuras con bicapa lipídica que serían similares a las arqueobacterias actuales. El prefijo "Arqueo-" significa "antiguo, arcaico, primitivo" y procede del griego "archaio"
Fig. 7. Cuando aparecen las arqueobacterias el primer efecto fue acaparar toda la sopa biológica, todas las ricas moléculas orgánicas que hasta ese entonces habían estado libres. Los protovirus tuvieron que ingeniárselas para invadir el interior de las células y tomar lo que hasta aquel entonces había sido suyo.
¿Qué ventaja tiene una membrana plasmática frente a una cápside proteica? Dos grandes ventajas, por un lado son capaces de almacenar los nutrientes que antes estaban libres y dos en las células con membrana plasmática el ADN nunca está fuera de la célula y por tanto es difícil que su ADN sufra recombinaciones indeseadas y que "Luis Alfredo" sea hijo de quien tiene que ser y no del lechero.
Cuando apareció las primeras células, las arqueobacterias, con una membrana lipídica que les permitía duplicar su material genético dentro de una barrera, su membrana, todo cambió. Las bacterias primitivas comenzaron a crecer masivamente. La mayoría de las sustancias orgánicas que conformaban la sopa biológica pasaron al interior del citoplasma de las nuevas entidades biológicas.
Los protovirus estaban quedando sin su hábitat natural ¿A dónde se iban los nutrientes? bien, los nutrientes estaban siendo secuestrados en el interior de las arqueobacterias, así que los virus que fueron capaces de entrar en el interior de las arqueobacterias se encontraron con la sopa biológica que se les estaba robando. Y comenzaron a entrar y salir de las arqueobacterias. Entraban para poder dividirse en la sopa biología del citoplasma bacteriano, salían para buscar nuevas arqueobacterias. En esto apareció un protovirus mutante, un protovirus que carecía de los genes que codificaban para los ribosomas, por tanto, se dividían más rápido. ¿Es esto importante? lo vamos a ver
Fig. 8 El resultado del problema 2, más abajo, explica por qué hoy en día ya no tenemos prácticamente protovirus 1,2 y 3 (excepto los tupanvirus) sino virus, sin ribosomas, porque utilizan el ribosoma de la célula en la que se repliquen 4,5 y 6. Por lo demás, puede haberlos parásitos de células de eubacterias, de eucariotas, con cápside y membrana o solo con cápside, de ARN o de ADN.
PROBLEMA 2: Cuando no existían bacterias toda la vida sobre la Tierra era vírica. Eran protovirus de ARN que tenían ribosomas. Estos virus se replicaban en la sopa biológica (en Ecuador en el locro biológico). Cuando aparecieron las bacterias, éstas tenían una membrana que diferenciaba fuera de dentro. Las bacterias metieron dentro todo lo que les interesaba de la sopa biológica. Los protovirus al quedarse sin su alimento sufrieron una presión selectiva que favoreció a aquellos virus que sabían como penetrar en el interior de las bacterias y alimentarse de lo que antaño había sido suyo. Nacieron los virus como entidades parásitas de las células. Muchos biólogos siguen diciendo, de forma equivocada, que los virus no son entidades vivas porque se tienen que alimentar de una célula metabólicamente activa. Si es por eso, podríamos incluir en la categoría de virus a muchas personas que no son capaces de subsistir sin su tarjeta de crédito. ¿Cómo perdieron los protovirus sus ribosomas? porque hoy en día los virus actuales no tienen ribosomas. Como siempre la solución está en la selección natural. Imaginemos dos virus A y B. El virus A es un protovirus, tiene ribosomas, y su ARN tiene 60.000 bases. El virus B perdió los genes de los ribosomas y por esa razón tienen 40.000 bases. No necesita codificar ribosomas porque puede utilizar los de la bacteria que infecta. Ambos virus infectan y se replican en el interior de bacterias. Si la ARN polimerasa copia a una velocidad de 1000 bases por minuto, y en los cromosomas de A y B existe un solo ORI. ¿Cuánto tiempo tarda cada virus en replicarse? ¿Cuánta descendencia tendrá cada virus al cabo de seis horas?
Solución: Virus A 30 minutos virus B 20 minutos. En 6 horas tendremos de A 4096 virus, y de B tendremos 262144. Si en vez de horas hablásemos de miles de años podemos entender porqué los virus actuales carecen de ribosomas.
Como vemos en el problema 2, en biología, el que se reproduce mantiene su discurso genético, su información hereditaria en la cuarta dimensión. Los que no se reproducen son flor de un día y desaparecen de la línea de tiempo.
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