Los científicos han descubierto el primer orgánulo fijador de nitrógeno

Los libros de texto de biología modernos afirman que sólo las bacterias son capaces de tomar nitrógeno de la atmósfera y convertirlo en una forma habitable. Las plantas que fijan nitrógeno, como las legumbres, lo hacen albergando bacterias simbióticas en los nódulos de sus raíces. Pero el último descubrimiento pone patas arriba esta regla.

En dos artículos recientes, un equipo internacional de científicos describe el primer orgánulo fijador de nitrógeno conocido dentro de una célula eucariota. El orgánulo es el cuarto ejemplo en la historia de la endosimbiosis primaria: el proceso mediante el cual una célula procariótica es fagocitada por una célula eucariota y evoluciona más allá de la simbiosis hasta convertirse en un orgánulo.

«Es muy raro que surjan orgánulos a partir de este tipo de cosas», dijo Tyler Cole, investigador postdoctoral en UC Santa Cruz y primer autor de uno de los dos artículos recientes. «La primera vez que pensamos que esto sucedía, dio origen a todas las formas de vida complejas. Todo lo más complejo que una célula bacteriana debe su existencia a este evento», afirmó, refiriéndose al origen de las mitocondrias. «Hace aproximadamente mil millones de años, eso volvió a suceder con los cloroplastos y eso nos dio las plantas», dijo Cole.

Un tercer ejemplo bien conocido involucra un microbio similar al cloroplasto. El último descubrimiento es el primer ejemplo de un orgánulo fijador de nitrógeno, que los investigadores llaman nitroplasto.

Un misterio de décadas

Descubrir el orgánulo requirió un poco de suerte y décadas de trabajo. En 1998, Jonathan Zehr, distinguido profesor de ciencias marinas de la Universidad de California en Santa Cruz, encontró una breve secuencia de ADN de lo que parecía ser de una desconocida cianobacteria fijadora de nitrógeno en el agua de mar del Pacífico. Zahr y sus colegas pasaron años estudiando el misterioso objeto, al que llamaron UCYN-A.

Mientras tanto, Kyoko Hagino, paleontóloga de la Universidad de Kochi en Japón, intentaba activamente cultivar algas. Resultó ser el organismo huésped de UCYN-A. Se necesitaron más de 300 expediciones de muestreo y más de una década, pero Hagino finalmente logró cultivar las algas en cultivo, lo que permitió a otros investigadores comenzar a estudiar UCYN-A y sus algas marinas hospedadoras juntas en el laboratorio.

Durante muchos años, los científicos consideraron que UCYN-A era un endosimbionte estrechamente relacionado con las algas. Pero los dos artículos recientes sugieren que UCYN-A ha coevolucionado con su antiguo huésped simbiótico y ahora cumple los criterios para ser un orgánulo.

Orígenes orgánicos

En un artículo publicado en celúla En marzo de 2024, Zahr y sus colegas del MIT, el Instituto de Ciencia de Barcelona y la Universidad de Rhode Island demostraron que la relación de volumen entre UCYN-A y sus algas hospedadoras es similar en diferentes especies de algas eufitas marinas. Prarodosphaera bigeloi.

Los investigadores utilizan un modelo para demostrar que el crecimiento de la célula huésped y UCYN-A están controlados por el intercambio de nutrientes. Sus procesos metabólicos están relacionados. Esta sincronización en las tasas de crecimiento llevó a los investigadores a llamar a UCYN-A «similar a un orgánulo».

«Esto es exactamente lo que sucede con los orgánulos», dijo Zahr. «Si nos fijamos en las mitocondrias y los cloroplastos, son lo mismo: se expanden con la célula».

Pero los científicos no llamaron con seguridad a UCYN-A un orgánulo hasta que confirmaron otra evidencia. En el Artículo de portada De la revista Ciencias, publicado hoy, presenta a Zahr, Qualley, Kendra Turk Kubo, Wing-Kwan Esther Mak de la Universidad de California, Santa Cruz, y colaboradores de la Universidad de California, San Francisco, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, la Universidad Nacional Oceánica de Taiwán y Kochi. Universidad en Japón. UCYN-A importa proteínas de sus células huésped.

«Esta es una de las características de algo que pasa de un endosimbionte a un orgánulo», dijo Zahr. «Empiezan a deshacerse de fragmentos de ADN, su genoma se hace cada vez más pequeño y empiezan a depender de la célula madre para transportar esos productos genéticos (o la proteína misma) al interior de la célula».

Cole trabajó en proteínas para estudiar. Comparó las proteínas que se encuentran dentro del UCYN-A aislado con las que se encuentran en toda la célula huésped de la alga. Descubrió que la célula huésped produce proteínas y las marca con una secuencia de aminoácidos específica, que le indica a la célula que las envíe al nitroplasto. Luego, el nitroblasto importa y utiliza las proteínas. Cole identificó la función de algunas proteínas, que llenan huecos en vías específicas dentro de UCYN-A.

«Es como un rompecabezas mágico que encaja y funciona en conjunto», dijo Zahr.

En el mismo artículo, investigadores de la Universidad de California en San Francisco demostraron que UCYN-A se replica junto con la célula de alga y se hereda como otros orgánulos.

Cambiar perspectivas

Estas líneas de evidencia independientes no dejan dudas de que UCYN-A ha trascendido el papel de simbionte. Mientras que las mitocondrias y los cloroplastos evolucionaron hace miles de millones de años, los nitrogenoplastos parecen haber evolucionado hace unos 100 millones de años, lo que proporciona a los científicos una perspectiva nueva y más moderna sobre la formación de orgánulos.

El orgánulo también proporciona información sobre los ecosistemas oceánicos. Todos los organismos vivos necesitan nitrógeno en una forma biológicamente utilizable, y UCYN-A es mundialmente importante por su capacidad para fijar nitrógeno de la atmósfera. Los investigadores lo han encontrado en todas partes, desde los trópicos hasta el Océano Ártico, y fija una gran cantidad de nitrógeno.

«No es un jugador más», dijo Zehr.

Este descubrimiento también tiene el potencial de cambiar la agricultura. La capacidad de producir fertilizantes de amoníaco a partir del nitrógeno atmosférico permitió que la agricultura (y la población mundial) despegara a principios del siglo XX. Este proceso se conoce como proceso Haber-Bosch y permite la producción de aproximadamente el 50% de los alimentos del mundo. También producen enormes cantidades de dióxido de carbono: alrededor del 1,4% de las emisiones globales provienen de este proceso. Durante décadas, los investigadores han intentado descubrir una forma de incorporar la fijación natural de nitrógeno a la agricultura.

«Este sistema es una nueva perspectiva sobre la fijación de nitrógeno y puede proporcionar pistas sobre cómo diseñar un orgánulo de este tipo en plantas de cultivo», dijo Cole.

Pero muchas preguntas sobre UCYN-A y su alga huésped siguen sin respuesta. Los investigadores planean profundizar en cómo funcionan UCYN-A y las algas y estudiar diferentes cepas.

Kendra Turk-Cobo, profesora asistente de UC Santa Cruz, continuará la investigación en su nuevo laboratorio. Zahr espera que los científicos encuentren otros organismos con historias evolutivas similares a las de UCYN-A, pero al ser el primero de su tipo, este descubrimiento es digno de los libros de texto.