Utilizando pequeñas agujas, microbiólogos de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich, en Alemania, han creado endosimbiosis artificial implantando bacterias en hongos. El experimento revela cómo pudieron haber surgido relaciones tan complejas entre organismos hace millones de años.
La endosimbiosis intracelular es una interacción entre dos organismos, donde uno vive dentro del otro. Es una relación de beneficio mutuo: el organismo interno (endosimbionte) obtiene nutrientes del huésped, mientras que el huésped recibe defensas químicas, acceso a nutrientes o nuevas fuentes de energía.
«Estas relaciones combinan dos sistemas metabólicos complejos, y ambos organismos evolucionan como una unidad», dicen los científicos. Digamos que, si uno cambia con el tiempo, el otro también se beneficia.
Pero, para que estas relaciones se formen desde cero, la «pareja» debe superar varios obstáculos. Primero, el endosimbionte debe entrar en la célula huésped. Luego, debe superar desafíos como las respuestas inmunes, el metabolismo y la sincronización del crecimiento. Si la bacteria crece más rápido que su huésped, por ejemplo, la relación deja de funcionar.
Un ejemplo clásico de endosimbiosis son las mitocondrias y los cloroplastos, que hace millones de años eran organismos de vida libre que se integraron en los ancestros de las células animales y vegetales para trabajar en conjunto.
Aunque hay muchos ejemplos de endosimbiosis en todo el árbol de la vida, dicen los científicos, es raro ver una que se forme desde cero. Además, una vez que se ha formado, es difícil entender cómo ocurrió.
Para estudiar estos primeros pasos, los científicos en Zúrich implantaron dos especies de bacterias en el hongo filamentoso Rhizopus microsporus, un hongo patógeno de las plantas.
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Cuando los investigadores inyectaron Escherichia coli, observaron que al principio ambos socios permanecieron viables. Sin embargo, el rápido crecimiento y la distribución desigual de las bacterias —crecieron más en unos sitios que en otros— activaron el sistema inmune del hongo, que creó septos (paredes celulares) para encapsular a la bacteria. Básicamente, el hongo mató al invasor, evitando que la bacteria se transmitiera a la siguiente generación.
En cambio, cuando implantaron Mycetohabitans rhizoxinica, las bacterias mostraron una dinámica similar a la observada en su huésped natural (otras cepas del hongo). Algunas bacterias lograron penetrar en las esporas y pasaron a la siguiente generación sin causar daño aparente ni activar el sistema inmune del huésped.
Sin embargo, surgieron algunos costos para el anfitrión. Por ejemplo, el tiempo de germinación de las esporas se retrasó, lo que resultó en una desventaja en un ambiente competitivo.
«A pesar de la herencia vertical demostrada [pasar de una generación a otra]», dicen los científicos, «la endosimbiosis se pierde rápidamente en ausencia de selección positiva». Los hongos en una relación simbiótica no logran sobrevivir y, por ende, no pueden pasar su «nueva cualidad» debido al tiempo de germinación y la competencia con las esporas libres de bacterias.
Para resolver este problema, los científicos sometieron a los hongos a una fuerte presión de selección. Digamos que, en lugar de ponerlos a competir por nutrientes, les dieron un «trato especial», lo que ayudó a que, con el tiempo, la cantidad de esporas que germinaron aumentara hasta alcanzar números similares a los de los hongos sin bacterias.
Los investigadores descubrieron que estos hongos sobrevivientes, presentaron hasta nueve mutaciones a nivel genético para adaptarse a su nuevo compañero. Según los autores, la adaptación del hongo fue el principal factor que permitió que la relación funcionara. Curiosamente, no se observaron cambios en las bacterias.
Los científicos también descubrieron que el residente, junto con su anfitrión, producía moléculas biológicamente activas que podían ayudar al anfitrión a obtener nutrientes y defenderse de depredadores, como la rizoxina (una sustancia que «ataca» a las células eucariotas), compensando así los costos iniciales.
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El estudio demuestra lo frágiles que son los sistemas endosimbióticos, al menos al principio. Por ejemplo, la disminución de la aptitud del huésped podría significar la desaparición temprana de la relación. Esto sugiere que los organismos necesitan una preadaptación incluso antes de «vivir juntos», ya que de lo contrario la selección natural no puede comenzar a surtir efecto. Como se observa con E. coli, algunas bacterias no se encapsularon por completo, pero tampoco pudieron ingresar a las esporas. «Habrían tenido más probabilidades de transmitirse a la siguiente generación si crecieran más lentamente», dice el estudio.
Aunque es difícil sacar conclusiones firmes sobre los mecanismos moleculares implicados en esta relación, los científicos afirman que crear endosimbiosis de forma artificial, como se ha hecho ahora, podría conducir al desarrollo de nuevos organismos con características útiles, como la capacidad de consumir dióxido de carbono o nitrógeno atmosférico con la ayuda de un compañero interno.
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