Biologia Molecular Mexico

Un reciente estudio, publicado como preprint en bioRxiv por Renxing Liang y colaboradores [1], arroja luz sobre la extraordinaria capacidad de supervivencia de ciertos microorganismos y ofrece nuevas perspectivas sobre uno de los eventos más trascendentales en la historia de la vida: el origen de las células eucariotas. La investigación se centra en las Promethearchaeota (anteriormente conocidas como arqueas del superfilo Asgard), un grupo microbiano considerado como los parientes procariotas más cercanos a todos los eucariotas, incluidos animales, plantas y hongos. El hallazgo clave es la evidencia convincente de que linajes de Promethearchaeota han permanecido vivos, aunque en un estado de actividad metabólica probablemente muy baja, en sedimentos marinos que han estado congelados en el permafrost siberiano durante más de 100.000 años.

El Contexto: Promethearchaeota y el Enigma de la Supervivencia a Largo Plazo

Las Promethearchaeota han capturado la atención de la comunidad científica desde su descubrimiento, principalmente por su posición filogenética crucial. Análisis genómicos han revelado que poseen genes previamente considerados exclusivos de eucariotas, relacionados con funciones celulares complejas como el citoesqueleto y el tráfico intracelular. Esto ha reforzado la hipótesis de que los eucariotas emergieron de una relación simbiótica entre una arquea Asgard y una bacteria (probablemente una alfa-proteobacteria que daría lugar a las mitocondrias).

Estos microorganismos son ubicuos en ambientes anóxicos, especialmente en sedimentos marinos y terrestres profundos, ecosistemas caracterizados por la estabilidad y la limitación extrema de nutrientes y energía. Se ha postulado que, en estos entornos, las células microbianas pueden persistir durante escalas de tiempo geológicas con divisiones celulares muy esporádicas o inexistentes, un concepto a veces denominado “eonofilia”. Sin embargo, demostrar experimentalmente tal longevidad es extremadamente difícil. El permafrost antiguo, que preserva ambientes durante milenios en condiciones criogénicas y sin flujo de nutrientes o células, representa un laboratorio natural único para investigar estos límites de la vida.

La Investigación: Desenterrando Genomas Ancestrales

El equipo de investigación analizó muestras de sedimentos marinos de Cabo Chukochii (Siberia Oriental), datadas entre 100.000 y 120.000 años (Pleistoceno Medio). Estos sedimentos quedaron congelados tras una transgresión marina. Utilizando técnicas de secuenciación metagenómica profunda, combinadas con un paso crucial de reparación in vitro del ADN (para mitigar el daño acumulado post-mortem en el ADN antiguo e incluso poder aislar organismos vivos), los científicos lograron reconstruir 22 genomas ensamblados a partir de metagenomas (MAGs) pertenecientes a cinco clases distintas de Promethearchaeota: Heimdallarchaeia, Gerdarchaeia, Lokiarchaeia, Helarachaeia y Thorarchaeia. Quince de estos MAGs eran de calidad media a alta.

Evidencias de Supervivencia: Más Allá del ADN Fósil

La pregunta fundamental era si estos MAGs representaban simplemente ADN fósil de células muertas hace mucho tiempo o si provenían de organismos que habían sobrevivido congelados. Varias líneas de evidencia apoyan firmemente la segunda opción para al menos seis de los MAGs:

1. Impacto Diferencial de la Reparación de ADN: Compararon la completitud genómica obtenida a partir de fracciones de ADN intracelular (iDNA, presumiblemente de células intactas) y extracelular (eDNA, liberado de células lisadas o muertas), con y sin el tratamiento de reparación in vitro. Mientras que la reparación mejoró drásticamente la recuperación de genomas a partir del eDNA (indicando daño severo acumulado), tuvo un impacto mínimo o nulo en la completitud de seis MAGs específicos recuperados del iDNA. Esto sugiere que el ADN dentro de estas células estaba notablemente intacto, protegido por mecanismos de mantenimiento celular activos.
2. Abundancia Relativa: Estos mismos seis MAGs mostraron una abundancia relativa significativamente mayor (más de 7 veces) en comparación con los otros MAGs de Promethearchaeota en las muestras analizadas.
3. Tasas de Decaimiento del ADN: Cálculos basados en las tasas conocidas de degradación del ADN a las temperaturas del permafrost (-8°C) indican que, sin reparación activa, incluso un genoma inicialmente abundante se degradaría casi por completo en mucho menos de 100.000 años. La alta completitud observada (>90% en algunos casos) es incompatible con una mera preservación pasiva y apunta a la existencia de células vivas con capacidad de reparación.
4. Quiralidad de Aminoácidos (Evidencia Indirecta Previa): Estudios previos en las mismas muestras mostraron proporciones de estereoisómeros  D y L de ácido aspártico en proteínas celulares mucho menores de lo esperado por racemización abiótica en células muertas, sugiriendo actividad biológica de reparación proteica. Las Promethearchaeota, ahora identificadas como abundantes y viables, son candidatas principales para explicar esta observación.

Adaptaciones y Orígenes Evolutivos

Sorprendentemente, el análisis comparativo no reveló adaptaciones genéticas únicas o enriquecidas en las Promethearchaeota del permafrost en comparación con sus parientes de sedimentos marinos no congelados. Filogenéticamente, los linajes del permafrost son diversos y se intercalan con linajes de otros ambientes, no formando un grupo monofilético adaptado específicamente al frío extremo. Sus capacidades metabólicas inferidas (heterotrofía, fermentación de carbohidratos y proteínas detríticas) son también similares a las de otros miembros del grupo. Esto sugiere que la capacidad para la supervivencia a largo plazo en condiciones de baja energía no es una adaptación específica al permafrost, sino una característica potencialmente extendida dentro de las Promethearchaeota, quizás una preadaptación derivada de su estilo de vida en el subsuelo profundo.

El estudio también exploró la historia evolutiva de enzimas clave para la supervivencia a largo plazo: las de reparación de ADN y proteínas. Confirmaron que mecanismos de reparación de ADN como RecA y MutS/L tienen una ancestría compartida entre Promethearchaeota y eucariotas, originándose antes de su divergencia. Sin embargo, la historia de las enzimas de reparación de proteínas es diferente. La PIMT (Protein-L-isoaspartyl O-methyltransferase), crucial para reparar daño por isomerización/racemización, parece tener un origen arqueano ancestral (relacionado con el superfilo TACK) distinto del eucariota. Las metionina sulfóxido reductasas (MsrA y MsrB), que reparan daño oxidativo, parecen haber sido adquiridas por las Promethearchaeota a través de múltiples eventos de transferencia horizontal de genes (HGT) desde bacterias, independientemente de la línea eucariota. Dado que la reparación de proteínas consume una parte importante del presupuesto energético en condiciones de mantenimiento, esta divergencia evolutiva podría reflejar presiones selectivas diferentes y ser una característica que distingue a las Promethearchaeota modernas de sus primos eucariotas.

Finalmente, los análisis filogenómicos basados en un conjunto ampliado de genomas (incluyendo los del permafrost) reforzaron la hipótesis de los dos dominios de la vida, colocando al clado que incluye a Heimdallarchaeia como el grupo hermano de los eucariotas.

Implicaciones y Conclusiones

Este trabajo expande significativamente el rango de hábitats conocidos para diversos linajes de Promethearchaeota, demostrando su presencia viable en permafrost marino antiguo. Proporciona evidencia sólida de la supervivencia microbiana activa durante escalas de tiempo geológicas en condiciones criogénicas, desafiando nuestros límites percibidos para la vida. La aparente falta de adaptaciones específicas al permafrost sugiere que la longevidad extrema es un rasgo más generalizado en este grupo, ligado a su ecología ancestral en ambientes de baja energía.

Las distintas historias evolutivas de los sistemas de reparación de ADN (ancestrales compartidos con eucariotas) y proteínas (adquiridos o divergentes) ofrecen nuevas pistas sobre la evolución temprana de los eucariotas y las adaptaciones específicas que permiten la persistencia prolongada en estado de dormancia o baja actividad. Finalmente, la demostrada resiliencia de estas arqueas relacionadas con la eucariogénesis en ambientes fríos y estables durante eones tiene claras implicaciones astrobiológicas, sugiriendo la posibilidad de estrategias de vida similares en ambientes extraterrestres helados como Marte o Europa.

En resumen, el estudio de Liang et al. no solo desvela la presencia de vida ancestral congelada, sino que también nos acerca a comprender los mecanismos de supervivencia extrema y los complejos caminos evolutivos que conectan el mundo microbiano con el origen de la vida compleja en la Tierra.

Referencia

[1] Renxing Liang, Tatiana Vishnivetskaya, Elizaveta M. Rivkina, Karen G. Lloyd Traits enabling persistence of living Promethearchaeota in marine sediments frozen for over 100 kyr. bioRxiv 2025.03.11.642519; doi: https://doi.org/10.1101/2025.03.11.642519