Biologia Molecular Mexico

La adquisición de energía es un pilar fundamental que define la forma, función y trayectoria evolutiva de los organismos. Mientras los fotoautótrofos aprovechan la luz solar, los heterótrofos dependen de la energía química derivada de los primeros. Las transiciones entre estas estrategias tróficas son eventos evolutivos mayores. Un ejemplo paradigmático es la pérdida de la fotosíntesis, que ha ocurrido en múltiples linajes, llevando a menudo al parasitismo. Sin embargo, algunas diatomeas del género Nitzschia, originalmente microalgas fotosintéticas, perdieron esta capacidad, pero adoptaron un estilo de vida libre como heterótrofos secundarios, colonizando nichos ricos en nutrientes como materia vegetal en descomposición o la superficie de otras algas. Cómo estos organismos adquirieron la energía química necesaria era, hasta ahora, un misterio. Un estudio reciente en PLOS Biology por Zeng Hao Lim, Gregory Jedd y colaboradores [1], secuencia el genoma de la diatomea apoclorótica (no fotosintética) Nitzschia sing1 y desvela la fascinante historia evolutiva de cómo adquirió la capacidad de alimentarse de alginato, un polisacárido complejo de las algas pardas.

El Origen: Un ‘Préstamo’ Genético Bacteriano

El análisis del genoma de N. sing1 reveló una característica única entre las diatomeas secuenciadas: la presencia de una familia multigénica inusualmente grande (91 genes) que codifica para enzimas alginato liasas (ALY) de la familia PL7. Estas enzimas son clave para degradar el alginato. Sorprendentemente, ni las diatomeas fotosintéticas ni otras Nitzschia apocloróticas conocidas poseen estos genes. El análisis filogenético y de similitud de secuencias indicó de forma robusta que el ancestro de N. sing1 adquirió un gen ALY ancestral mediante transferencia horizontal de genes (THG) desde una bacteria marina, probablemente del género Vibrio. Este evento inicial de THG proporcionó la “chispa” fundacional para poder interactuar con el alginato. Se demostró además que la señal peptídica de esta ALY bacteriana era funcional en el sistema secretor eucariota, permitiendo su exportación fuera de la célula.

La Expansión y Diversificación: Duplicación y Neofuncionalización Masivas

El hallazgo más sorprendente no fue solo la adquisición del gen, sino su subsiguiente y masiva expansión y diversificación. A través de mecanismos como el entrecruzamiento desigual durante la recombinación y la transposición de elementos genéticos, ese único gen fundador se duplicó repetidamente, generando los 91 genes ALY actuales, organizados en 30 loci genómicos distintos, a menudo en repeticiones en tándem.

Este ejército de genes parálogos no se limitó a aumentar la dosis génica. Sufrieron una notable diversificación estructural y funcional (neofuncionalización):

1. Conservación de la Función Ancestral: Una familia génica (la más numerosa, familia CA) conservó la actividad endolítica original, capaz de romper las largas cadenas de polímero de alginato en oligosacáridos más cortos.
2. Evolución de Nueva Función (Exolítica): Otra familia (AnCn) sufrió modificaciones significativas, incluyendo duplicaciones de dominios y mutaciones clave (notablemente, una inserción de 15 pares de bases predicha estructuralmente para ocluir parcialmente el sitio activo). Estos cambios transformaron la enzima de endolítica a exolítica, capaz de liberar monómeros de azúcar directamente desde los extremos de los oligosacáridos.
3. Pérdida de Función Enzimática, ¿Ganancia de Función de Transporte?: La tercera familia (An-TMD) acumuló mutaciones que inactivaron su función catalítica, pero adquirió un dominio transmembrana C-terminal. Su localización celular sugiere un posible nuevo rol en el reconocimiento e internalización de los oligosacáridos de alginato, probablemente a través del sistema endomembranoso y vacuolas, que se observaron proliferar notablemente en células creciendo en alginato.

4. Innovaciones Adicionales: Además, evolucionaron regiones repetitivas únicas (TARP) entre dominios en la familia CA, enriquecidas en arginina, que demostraron unirse específicamente al alginato de forma cooperativa, posiblemente afinando la interacción con el sustrato.

Ensamblando un Nuevo Metabolismo

En conjunto, estos eventos evolutivos –una THG inicial seguida de una masiva duplicación génica y una profunda neofuncionalización– permitieron a N. sing1 construir, aparentemente desde cero, una ruta catabólica completa y sofisticada para el alginato. Esta nueva capacidad metabólica le otorgó acceso a una fuente de carbono abundante en su nicho ecológico (la superficie de algas pardas), facilitando la transición a la heterotrofia obligada tras la pérdida de la fotosíntesis.

Implicaciones Evolutivas

Este estudio representa un caso de estudio excepcional sobre cómo la combinación de transferencia horizontal de genes, duplicación génica y neofuncionalización puede impulsar la evolución de rasgos adaptativos complejos y facilitar la radiación hacia nuevos nichos ecológicos. Demuestra la notable plasticidad genómica de las diatomeas y revela una diversidad ecofisiológica inesperada dentro de las Nitzschia apocloróticas. Este trabajo no solo resuelve el misterio de la subsistencia de N. sing1, sino que también ilumina mecanismos evolutivos fundamentales con implicaciones profundas para nuestra comprensión de la adaptación y la diversificación de la vida eucariota.

Referencia

[1] Lim ZH, Zheng P, Quek C, Nowrousian M, Aachmann FL, Jedd G. Diatom heterotrophy on brown algal polysaccharides emerged through horizontal gene transfer, gene duplication, and neofunctionalization. PLoS Biol. 2025 Apr 1;23(4):e3003038. doi: 10.1371/journal.pbio.3003038.