Los científicos son testigos de una evolución celular increíblemente rara. La última vez que sucedió esto fue hace mil millones de años, aparecieron plantas.

El nacimiento del nitroplasto

En un descubrimiento sin precedentes, los investigadores han documentado un raro salto evolutivo en el que una especie de alga absorbió una cianobacteria y se fusionó en un solo organismo. En el proceso, la cianobacteria se convirtió en un orgánulo. Este evento, conocido como endosimbiosis primaria, transformó la cianobacteria en una parte funcional de las algas, de manera similar a cómo los microbios antiguos se convirtieron en mitocondrias y cloroplastos, los generadores de energía de las plantas y animales actuales.

Este orgánulo recientemente identificado, llamado «nitroplasto», representa sólo el cuarto caso conocido de endosimbiosis primaria, en el que una célula procariótica más pequeña es absorbida por una célula eucariota más grande y se convierte en parte integral de ella. El nuevo organismo dos en uno tiene la notable capacidad de extraer nitrógeno directamente del aire, una hazaña que sus antepasados ​​no pudieron lograr. La última vez que la evolución vio un evento primario de endosimbiosis, que sepamos, aparecieron las plantas.

Los nitroplastos evolucionaron a partir de una cianobacteria llamada Atelocianobacterium thalassa (UCYN-A) son absorbidos por algas unicelulares. Braarudosphaera bigelowii. Este evento tuvo lugar hace sólo 100 millones de años, concluyeron recientemente los investigadores.

Esto significa que, contrariamente a las relaciones simbióticas típicas en las que las plantas dependen de bacterias externas para la fijación de nitrógeno, en B. bigelowii, esta capacidad está internalizada. Hasta ahora se pensaba que sólo algunos procariotas, como las bacterias, tenían esta capacidad. B. bigelowii es, hasta ahora, el único eucariota capaz de convertir el nitrógeno en amoníaco por sí solo.

El camino al descubrimiento

El camino hacia este descubrimiento no fue rápido ni sencillo. En 1998, Jonathan Zehr, profesor de ciencias marinas en la Universidad de California en Santa Cruz, encontró una secuencia de ADN que insinúa la existencia de una cianobacteria fijadora de nitrógeno entonces desconocida en el Océano Pacífico. Esto marcó el comienzo de una búsqueda que involucró a muchos investigadores de todos los continentes.

Kyoko Hagino, paleontóloga de la Universidad de Kochi en Japón, enfrentó un desafío paralelo mientras intentaba cultivar cuidadosamente una especie de alga. Esta especie eventualmente sería la huésped del misterioso organismo UCYN-A. Su éxito, después de más de 300 intentos fallidos anteriores, permitió a los científicos examinar UCYN-A y sus interacciones con su huésped en el laboratorio.

Según la investigación, la relación entre UCYN-A y sus algas hospedadoras se caracteriza por un intercambio sincronizado de nutrientes. Su metabolismo está vinculado.

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

Pruebas más convincentes provinieron de técnicas avanzadas de imágenes desarrolladas por investigadores del Laboratorio de Berkeley. Utilizando un método tomográfico de rayos X suaves, los científicos capturaron claramente la dinámica del orgánulo durante la división celular. Las imágenes mostraron que UCYN-A está intrínsecamente ligada al proceso de las células de las algas.

Finalmente, los investigadores analizaron las composiciones proteicas de UCYN-A. Descubrieron que aproximadamente la mitad de las proteínas de UCYN-A se derivan del alga huésped. Estas proteínas del huésped están marcadas con una secuencia de aminoácidos que guía a la célula para transportarlas al nitroplasto.

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

El orgánulo más nuevo de la naturaleza

Los hallazgos de estos esfuerzos internacionales y de largo plazo, publicados recientemente en Una célula y Cienciamuestran cómo UCYN-A ha evolucionado desde estar simplemente estrechamente asociado con un alga hasta convertirse en una parte integral de su estructura celular: un orgánulo.

La aparición del nitroplasto es sólo el cuarto ejemplo conocido de endosimbiosis primaria. Los otros tres ejemplos son las mitocondrias (que se cree que se originaron a partir de la interacción de bacterias aeróbicas de una célula eucariota ancestral), los cloroplastos (que se originaron a partir de una célula huésped eucariota que ingiere una cianobacteria fotosintética) y otra estructura similar a un cloroplasto llamada cromatóforo. Estos orgánulos evolucionaron hace más de mil millones de años.

El nitroplasto no sólo es importante para mejorar nuestra comprensión de la evolución celular, sino que también tiene implicaciones significativas para sistemas ecológicos y agrícolas más amplios.

La síntesis de fertilizantes a base de amoníaco a partir del nitrógeno atmosférico, iniciada a principios del siglo XX mediante el proceso Haber-Bosch, ha aumentado significativamente la productividad agrícola y el crecimiento de la población mundial. Sin embargo, este proceso también es responsable de aproximadamente el 1,4% de las emisiones de carbono en todo el mundo. Durante años, los científicos han explorado formas de aprovechar la fijación natural de nitrógeno en la agricultura para reducir la dependencia de los procesos industriales. Nitroplast y sus capacidades pueden allanar el camino para tecnologías agrícolas nuevas y sostenibles.

«Este sistema es una nueva perspectiva sobre la fijación de nitrógeno y puede proporcionar pistas sobre cómo se podría diseñar un orgánulo de este tipo en plantas de cultivo», dijo Tyler Coale, investigador postdoctoral en UC Santa Cruz y primer autor del nuevo estudio.