Una investigación responde a un gran enigma de la evolución: cómo las células simples dieron lugar a las complejas

Todas las ramas de la ciencia tienen preguntas fundamentales sin respuestas que suponen el horizonte al que miran los investigadores. En biología, una de ellas es cómo las células simples (procariotas), como las bacterias, dieron lugar hace 2.000 millones de años a las complejas (eucariotas), necesarias para el desarrollo de organismos multicelulares. La colaboración de investigadores españoles de la biología, la física y la computación en distintas universidades ha hallado una respuesta y una fórmula matemática que lo demuestra, según publica PNAS: la limitación para seguir aumentando el tamaño de las proteínas llevó a un cambio de estrategia que recurrió a la genética para una modificación única, abrupta y crucial en la vida.

Jordi Bascompte, profesor de Ecología de la Universidad de Zúrich, premio Margalef y coautor del estudio, recuerda cómo el bioquímico británico Nick Lane, investigador del University College de Londres, admitía en su libro La cuestión vital (Ariel, 2016): “No se conocen intermediarios evolutivos entre el estado morfológicamente simple de las procariotas y el inquietantemente complejo ancestro común de las eucariotas. Todos estos atributos de la vida compleja se encuentran en un vacío filogenético, un agujero negro en el corazón de la biología”. La investigación que se publica hoy aporta luz a esta zona oscura y fundamental para entender qué y por qué somos.

Hasta hace 2.000 millones de años, las células pudieron hacerse más complejas alargando proteínas para completar procesos de regulación genética más sofisticados, pero esta estrategia era limitada: la evolución tenía que encontrar otro camino. De forma abrupta, sin pasos intermedios, como el proceso físico del magnetismo en los metales o del agua líquida al hielo, esa célula simple comenzó a usar partes del ADN que no codifican proteínas, como los intrones (mal llamados ADN basura), para regular la información genética.

La teoría endosimbiótica propuesta por Lynn Margulis establece que dos células simples se unieron (se suele ejemplificar como que una se comió a otra) en una relación simbiótica (de beneficio mutuo) que permitió el desarrollo de la mitocondria, la central energética de la vida, y otros orgánulos.

“Eso explica el principio”, argumenta Bascompte. Su investigación, desarrollada junto a Enrique M. Muro (investigador en física y biología computacional en la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz), Fernando J. Ballesteros (astrobiólogo y doctor en Física por la Universidad de Valencia) y Bartolo Luque (doctor en Ciencias Físicas por la Universidad Politécnica de Catalunya), es complementaria. “El origen simbiótico está establecido, la evidencia es muy fuerte y hemos de asumir que fue así, pero quedaba por explicar cómo, a partir de ahí, se pudo llegar a un nuevo sistema de regulación genética que permitiera mantener este nuevo nivel de organización celular y nuestro trabajo aporta luz en esta dirección”, detalla el biólogo catalán.

“Después de ese origen simbiótico, la nueva célula tiene que organizar esa complejidad. Para ello, necesita no solo ese primer momento de simbiosis sino una serie de cambios que le permiten una nueva forma de regulación genética. Alargar las proteínas había sido la única vía desde el origen de la vida para una mayor sofisticación del proceso de regulación genético, pero llega un momento en que no es factible. Con proteínas cortas, el tiempo requerido o las restricciones que hay para plegarlas son relativamente menores. Pero, a medida que la longitud de la proteína crece, las restricciones para su plegamiento funcional se hacen cada vez más grandes, ya que el espacio de posibilidades se hace enorme”, precisa Bascompte. La evolución se topa con un límite computacional.

El biólogo lo ejemplifica con el clásico problema informático de las rutas logísticas: el camino más eficaz entre dos o tres destinos es simple, pero a medida que crece la red de reparto, la dificultad y, por ende, el tiempo de cómputo para encontrar una solución aumenta muy rápidamente.

Esa estrategia biológica alternativa, que la investigación traduce en un algoritmo matemático que predice la solución evolutiva, fue la regulación genética, continuar generando ADN que ya no codifique para alargar proteínas, regiones (intrones) que contribuyen a esa nueva solución. “Lo que permiten es hacer permutaciones, incrementar el número de soluciones y por tanto hace más sencillo el hallar una de estas soluciones para poder desarrollar niveles de complejidad mayores”, simplifica Bascompte.

Para mostrar su propuesta, el equipo ha desarrollado un modelo de crecimiento multiplicativo de los genes que explica esos patrones biológicos y hace una serie de predicciones sobre la distribución de longitudes de genes y proteínas. “Todas se ven cumplidas por los datos”, resalta el profesor de Ecología en Suiza. “El modelo es una forma de mostrar los límites de la estrategia previa basada exclusivamente en las proteínas y cómo la evolución pudo sortear este límite manteniendo un mecanismo de crecimiento genético conservado a lo largo de la evolución”, añade.

El trabajo no solo aporta una solución a uno de los grandes enigmas de la biología, sino que, además, cristaliza una colaboración iniciada hace 30 años entre científicos de distintas ramas que compartieron entonces despacho y pizarra donde volcaban sus anhelos de respuestas. “Esa interdisciplinariedad y esa búsqueda de puentes entre disciplinas se gestó en ese momento. Fue un momento muy gratificante”, recuerda.

Bascompte admite que el trabajo tiene limitaciones, como la imposibilidad de disponer de organismos de hace 2.000 millones de años y tener que inferir el paso evolutivo a partir de bacterias y hongos actuales.

Pero, a pesar de esa limitación, creen que han hallado no sólo la respuesta al qué sucedió hace 2.000 millones de años sino el cómo. En este sentido, Bascompte recuerda cómo su “gran maestro [Ramón] Margalef decía que en biología hay pocas leyes fundamentales y en todo caso todas son del tipo prohibido pasar”. Ese tipo de restricción fue la que se encontró la vida ante la imposibilidad de seguir alargando proteínas y la solución fue abrupta, sin fases intermedias. “Cualquier forma alternativa habría sido una solución inestable que no habría sido capaz de sobrevivir las perturbaciones”, explica. Y concluye: “El poder reconciliar la contingencia de la evolución y la universalidad de la física te permiten realmente entender la belleza de la vida”.

El biotecnólogo César de la Fuente, de la Universidad de Pensilvania, considera “fascinante” el trabajo que publica PNAS por “abordar de manera innovadora uno de los grandes misterios de la biología”.

“Los autores han analizado más de 33,000 genomas diferentes y han descubierto que existe una relación universal y matemáticamente clara entre la longitud promedio de los genes y su variabilidad, que se mantiene desde las bacterias más simples hasta organismos tan complejos como los vertebrados”, resalta De la Fuente, ajeno al estudio.

“Lo que más me llama la atención”, añade el investigador premio Princesa de Girona, entre otros, “es cómo el estudio conecta esta observación biológica con un marco conceptual propio de la informática y las matemáticas. Plantean que el surgimiento de las células eucarióticas pudo haber sido una especie de “transición de fase” algorítmica, comparable a cuando el agua pasa de líquida a sólida”.

“Personalmente, encuentro muy interesante esta analogía entre la evolución biológica y los algoritmos computacionales. Este enfoque permite hacer predicciones concretas, por ejemplo, estimar que las primeras células eucarióticas aparecieron hace aproximadamente 2,600 millones de años, o que existe una longitud crítica de los genes (alrededor de 1,500 pares de bases) en la que se produjo este salto evolutivo. Creo que este trabajo nos da una perspectiva única sobre cómo ciertas limitaciones físicas y computacionales han influido profundamente en nuestra historia evolutiva. Ayuda a explicar cómo la vida alcanzó la complejidad necesaria para permitir la existencia de organismos multicelulares, incluyendo plantas, animales y, por supuesto, a nosotros mismos”, concluye.