Los científicos de Scripps Research y sus colaboradores han creado microorganismos que pueden recapitular características clave de organismos que se cree que vivieron hace miles de millones de años, lo que les permite explorar preguntas sobre cómo evolucionó la vida desde moléculas inanimadas a organismos unicelulares hasta el complejo y multicelularformas de vida que vemos hoy.
Al estudiar uno de estos organismos diseñados, una bacteria cuyo genoma consiste tanto en ácido ribonucleico ARN como en ácido desoxirribonucleico ADN, los científicos esperan arrojar luz sobre la evolución temprana del material genético, incluida la transición teorizada de un mundodonde la mayoría de la vida dependía únicamente de la molécula genética ARN a una donde el ADN sirve como el principal almacén de información genética.
Utilizando un segundo organismo diseñado, una levadura genéticamente modificada que contiene una bacteria endosimbiótica, esperan comprender mejor los orígenes de las plantas de energía celular llamadas mitocondrias. Las mitocondrias proporcionan energía esencial para las células de eucariotas, un amplio grupo de organismos, incluidos los humanos.que posee células complejas que contienen núcleos.
Los investigadores informan que diseñaron los microbios en dos documentos, uno publicado el 29 de octubre de 2018 en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias PNAS y otro publicado el 30 de agosto de 2018 en Revista de la Sociedad Americana de Química JACS .
"Estos organismos diseñados nos permitirán investigar dos teorías clave sobre los principales hitos en la evolución de los organismos vivos: la transición del mundo de ARN al mundo de ADN y la transición de procariotas a eucariotas con mitocondrias", dice Peter Schultz, PhD, autor principal de los artículos y presidente de Scripps Research. "El acceso a modelos de laboratorio fácilmente manipulables nos permite buscar respuestas a preguntas sobre la evolución temprana que antes eran intratables".
Los orígenes de la vida en la Tierra han sido una fascinación humana durante milenios. Los científicos han rastreado el arco de la vida hasta varios miles de millones de años y concluyeron que las formas más simples de vida surgieron de la sopa química primordial de la Tierra y posteriormente evolucionaron durante los eones en organismos demayor y mayor complejidad. Un salto monumental se produjo con la aparición del ADN, una molécula que almacena toda la información necesaria para replicar la vida y dirige a la maquinaria celular a hacer su tarea principalmente mediante la generación de ARN, que a su vez dirige la síntesis de proteínas, elcaballos de batalla moleculares en las células.
En la década de 1960, Carl Woese y Leslie Orgel, junto con el pionero del ADN Francis Crick, propusieron que antes del ADN, los organismos dependían del ARN para transportar información genética, una molécula similar pero mucho menos estable que el ADN, que también puede catalizar reacciones químicascomo las proteínas. "En la clase de ciencias, los estudiantes aprenden que el ADN conduce al ARN que a su vez conduce a las proteínas, que es un dogma central de la biología, pero la hipótesis del mundo del ARN lo pone de manifiesto", dice Angad Mehta, PhD, primer autor delos nuevos documentos y un asociado de investigación posdoctoral en Scripps Research: "Para que la hipótesis del mundo del ARN sea cierta, de alguna manera hay que pasar del ARN al genoma del ADN, sin embargo, cómo podría haber sucedido eso sigue siendo una gran pregunta entre los científicos".
Una posibilidad es que la transición se haya realizado a través de una especie de eslabón perdido microbiano, un organismo replicante que almacenaba información genética como ARN. Para el estudio de JACS, el equipo dirigido por Scripps Research creó la bacteria Escherichia coli que construye parcialmente su ADN con ribonucleótidos,los bloques de construcción moleculares que generalmente se utilizan para construir ARN. Estos genomas diseñados contenían hasta un 50 por ciento de ARN, lo que representa simultáneamente un nuevo tipo de organismo sintético y posiblemente un retroceso a miles de millones de años atrás.
Mehta advierte que su trabajo hasta ahora se ha centrado en caracterizar este genoma quimérico de ARN-ADN y su efecto sobre el crecimiento y la replicación bacteriana, pero no ha explorado explícitamente preguntas sobre la transición del mundo de ARN al mundo de ADN. Pero, dice, el hecho de que E. coli con la mitad de su genoma compuesto por ARN que puede sobrevivir y replicarse es notable y parece apoyar la posibilidad de la existencia de organismos evolutivamente transitorios que poseen genomas híbridos de ARN-ADN. El equipo de investigación de Scripps ahora está estudiando cómo los genomas mixtos de su ingeniería E. coli función y planes para usar la bacteria para explorar una serie de preguntas evolutivas.
Por ejemplo, una pregunta es si la presencia de ARN conduce a una rápida deriva genética: grandes cambios en la secuencia génica en una población a lo largo del tiempo. Los científicos teorizan que la deriva genética masiva ocurrió rápidamente durante la evolución temprana, y la presencia en el genoma de ARNpodría ayudar a explicar cómo ocurrió el cambio genético tan rápido.
En el artículo publicado en PNAS , los investigadores informan que diseñaron otro modelo de laboratorio para un hito evolutivo que se cree que ocurrió hace más de 1.500 millones de años. Crearon una levadura dependiente de la energía de las bacterias que viven en su interior como un parásito beneficioso o "endosimbionte".permítales investigar los orígenes antiguos de los organelos pequeños, similares a bacterias y mitocondrias que producen energía química dentro de las células de todos los organismos superiores.
Se cree ampliamente que las mitocondrias evolucionaron de bacterias comunes que fueron capturadas por organismos unicelulares más grandes. Llevan a cabo varias funciones clave en las células. Lo más importante, sirven como reactores de oxígeno, utilizando O 2 para hacer la unidad básica de energía química de las células, la molécula ATP. Tan crucial como las mitocondrias son para las células, sus orígenes siguen siendo algo misteriosos, aunque hay claros indicios de descendencia de un organismo más independiente, ampliamente asumido como una bacteria.
Las mitocondrias tienen una estructura de doble membrana como la de algunas bacterias y, nuevamente, como las bacterias, contienen su propio ADN. Los análisis del genoma mitocondrial sugieren que comparte un ancestro antiguo con la bacteria Rickettsia moderna, que puede vivir dentro de las célulasde sus anfitriones y causan enfermedades. Un apoyo más fuerte para el origen bacteriano de la teoría de las mitocondrias provendría de experimentos que demuestran que las bacterias independientes podrían transformarse, en una progresión similar a la evolución, en simbiontes similares a las mitocondrias. Con ese fin, los científicos de Scripps Researchdiseñado E. coli bacterias que podrían vivir, depender y proporcionar asistencia clave a las células de Saccharomyces cerevisiae, también conocida como levadura de panadería.
Los investigadores comenzaron modificando E. coli por carecer del gen que codifica la tiamina, lo que hace que las bacterias dependan de las células de levadura para esta vitamina esencial. Al mismo tiempo, agregaron a la bacteria un gen para el translocase ADP / ATP, una proteína transportadora, de modo que el ATP producido dentro delLas células bacterianas serían suministradas a sus huéspedes de células de levadura, imitando la función central de las mitocondrias reales. El equipo también modificó la levadura para que sus propias mitocondrias fueran deficientes en el suministro de ATP. Por lo tanto, la levadura dependería de las bacterias para las mitocondrias normales.basada en la producción de ATP.
El equipo descubrió que algunas de las bacterias modificadas por ingeniería genética, después de ser modificadas con proteínas de superficie para protegerlas de ser destruidas en la levadura, vivieron y proliferaron en armonía con sus huéspedes durante más de 40 generaciones y parecieron ser viables indefinidamente ".Las bacterias modificadas parecen acumular nuevas mutaciones dentro de la levadura para adaptarse mejor a su nuevo entorno ", dice Schultz.
Con este sistema establecido, el equipo intentará evolucionar E. coli para convertirse en orgánulos similares a las mitocondrias. Para lo nuevo E. coli el endosimbionte, adaptarse a la vida dentro de la levadura podría permitirle una oportunidad para adelgazar radicalmente su genoma. E. coli la bacteria, por ejemplo, tiene varios miles de genes, mientras que las mitocondrias han desarrollado un conjunto reducido de solo 37.
El equipo de investigación de Scripps completó el estudio con más experimentos de sustracción de genes, y los resultados fueron prometedores: descubrieron que podían eliminar no solo el E. coli gen de tiamina, pero también los genes subyacentes a la producción de la molécula metabólica NAD y el aminoácido serina, y aún así obtener una simbiosis viable.
"Ahora estamos en camino de demostrar que podemos eliminar los genes para producir los 20 aminoácidos, que comprenden una parte significativa de la E. coli genoma ", dice Schultz." Una vez que lo hayamos logrado, pasaremos a eliminar genes para la síntesis de cofactores y nucleótidos, y dentro de unos años esperamos poder obtener un genoma endosimbiótico verdaderamente mínimo."
Los investigadores también esperan utilizar sistemas similares de huésped endosimbionte para investigar otros episodios importantes en la evolución, como el origen de los cloroplastos, los orgánulos que absorben la luz que tienen un papel similar a las mitocondrias en el suministro de energía a las plantas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Investigación Scripps . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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