Biologia Molecular Mexico

El origen de la célula eucariota hace más de dos mil millones de años, marca uno de los hitos más trascendentales en la historia de la vida en la Tierra. Este evento no solo introdujo una arquitectura celular radicalmente nueva –con núcleo definido y orgánulos membranosos– sino que también sentó las bases para la posterior explosión de complejidad que dio lugar a los animales, las plantas y los hongos multicelulares. Sin embargo, los mecanismos subyacentes que permitieron esta transición fundamental, particularmente cómo evolucionó la regulación genética para soportar y permitir una mayor complejidad, han permanecido en gran parte como un enigma. Un estudio reciente publicado en PNAS por Enrique M. Muro, y colaboradores [1] aborda esta cuestión desde una perspectiva innovadora, sugiriendo que la emergencia de los eucariotas puede entenderse como una “transición de fase algorítmica”, un cambio abrupto pero continuo en la estrategia evolutiva desencadenado por limitaciones computacionales inherentes a la propia evolución proteica.

El Punto de Partida: Crecimiento Génico y Distribuciones Universales

Los investigadores comenzaron analizando las propiedades estadísticas de las longitudes de genes codificantes de proteínas y sus correspondientes proteínas en un conjunto masivo de datos, abarcando 6,519 especies de todos los dominios de la vida (Archaea, Bacteria y Eukarya). Confirmaron y expandieron observaciones previas: tanto las longitudes de los genes (medidas en pares de bases) como las de las proteínas (en aminoácidos) siguen distribuciones lognormales:

Este tipo de distribución es característico de procesos donde el cambio ocurre de forma multiplicativa, no aditiva. En el contexto genómico, mecanismos como la elongación génica, duplicaciones (totales o parciales) y otras reorganizaciones operan multiplicando la longitud existente por un factor estocástico.

Más revelador aún fue el descubrimiento de una relación invariante de escala entre la longitud media de los genes y su varianza dentro de cada genoma:

Esta relación, análoga a la Ley de Taylor observada en ecología poblacional, se mantiene constante a lo largo de toda la historia evolutiva y a través de órdenes de magnitud en la longitud génica. Utilizando un modelo simple de crecimiento génico basado en eventos multiplicativos estocásticos, los autores demostraron que esta ley de escala emerge naturalmente. Este hallazgo sugiere que el proceso fundamental de crecimiento y diversificación de la longitud génica ha sido notablemente conservado desde el Último Ancestro Común Universal (LUCA). La posición de los diferentes grupos filéticos a lo largo de esta curva (desde Archaea y Bacteria en la parte inferior izquierda hasta los vertebrados en la superior derecha) refleja el curso de la evolución, indicando que la longitud media génica es un buen indicador, aunque agregado, de la complejidad a nivel de organismo.

La Divergencia Crucial: Proteínas vs. Genes en Eucariotas

Al comparar la relación entre la longitud media de los genes y la longitud media de las proteínas correspondientes , emergió un patrón sorprendente. En procariotas (Archaea y Bacteria), la relación es lineal: los genes son, en promedio, tres veces más largos que sus proteínas (reflejando el código genético de tripletes). Esto indica que los genes procariotas consisten casi exclusivamente en secuencias codificantes (CDS). Sin embargo, esta proporcionalidad se rompe drásticamente al entrar en el dominio Eukarya.

Los investigadores identificaron un punto crítico: cuando la longitud media de los genes alcanza aproximadamente 1,500 pares de bases (pb), la longitud media de las proteínas deja de crecer y se estabiliza alrededor de los 500 aminoácidos. A partir de este umbral, los genes eucariotas continúan aumentando su longitud, pero este crecimiento se debe casi exclusivamente a la incorporación de secuencias no codificantes (nCDS), principalmente intrones y regiones no traducidas (UTRs). La fracción de ADN no codificante dentro de los genes pasa de ser prácticamente cero en procariotas a aumentar progresivamente en eucariotas a medida que aumenta la longitud génica promedio:

La Transición de Fase Algorítmica: Un Cambio de Estrategia Evolutiva

¿Qué provocó esta desconexión entre el crecimiento génico y el proteico? Los autores proponen una interpretación basada en la teoría de la complejidad algorítmica y las transiciones de fase observadas en problemas computacionales difíciles (NP-completos). Argumentan que la evolución, en cierto sentido, puede verse como un vasto algoritmo de búsqueda y optimización que opera bajo restricciones. En la fase inicial (procariota), la estrategia para aumentar la complejidad funcional pasaba por incrementar el tamaño y la diversidad de las proteínas, que eran las principales reguladoras de la actividad génica. Sin embargo, encontrar proteínas funcionales cada vez más largas se vuelve exponencialmente más difícil (un problema computacionalmente “duro”), tanto por las limitaciones biofísicas del plegamiento correcto como por la vastedad del espacio de secuencias a explorar.

El punto crítico de ~1,500 pb representaría el momento en que la estrategia basada únicamente en proteínas alcanzó un límite de “dureza computacional”. La evolución “descubrió” una nueva vía para seguir aumentando la complejidad regulatoria: mantener las proteínas dentro de un rango de tamaño manejable (estabilización en ~500 aa) y continuar el crecimiento génico incorporando secuencias no codificantes. Estas nCDS, especialmente los intrones, ofrecen una flexibilidad enorme para la regulación génica a través de mecanismos como el splicing alternativo (un solo gen produce múltiples proteínas) y la acción de ARN no codificantes, expandiendo drásticamente el repertorio funcional sin necesidad de proteínas gigantescas.

Este cambio abrupto pero continuo en la “estrategia” regulatoria, marcado por el umbral crítico de longitud génica, es análogo a una transición de fase de segundo orden. Una característica de estas transiciones es el “critical slowing down”, donde el sistema se vuelve más lento y exhibe mayor varianza cerca del punto crítico. Los datos del estudio apoyan esta idea: la dispersión en la fracción de nCDS (medida como “fracción de estados”) alcanza un máximo precisamente alrededor de los 1,500 pb. Además, la “complejidad algorítmica” (estimada como el tiempo evolutivo por nucleótido para alcanzar un cierto estado) también muestra un pico de dificultad en torno a este umbral.

De forma notable, utilizando los parámetros derivados de las leyes de crecimiento génico y la ley de escala, los autores estimaron teóricamente el momento en que se alcanzó por primera vez este punto crítico (tc ≈ 1,000 millones de años después de LUCA) y la longitud crítica (Lc ≈ 1,500 pb). Asumiendo que LUCA existió hace ~3,600 millones de años, esto sitúa el cruce del umbral crítico hace unos 2,600 millones de años, una fecha que concuerda sorprendentemente bien con las estimaciones independientes para la emergencia de los primeros eucariotas (entre 2,900 y 2,300 millones de años).

Implicaciones y Conclusiones

Este estudio ofrece una perspectiva novedosa y cuantitativa sobre la emergencia de los eucariotas, enmarcándola no solo como un evento simbiótico o energético, sino también como una transición fundamental en la lógica algorítmica de la evolución génica y regulatoria. Reconcilia la conservación de un proceso básico de crecimiento génico multiplicativo con la innovación radical que supuso la incorporación masiva de secuencias no codificantes.

La idea de una “crisis de dureza computacional” en la evolución proteica que impulsó el cambio hacia una regulación basada en ARN y nCDS proporciona una explicación funcional para la arquitectura genómica eucariota. Este cambio de estrategia, análogo a una transición de fase, permitió superar las limitaciones inherentes a un sistema regulatorio basado exclusivamente en proteínas y “desbloqueó” el potencial para la complejidad celular y, eventualmente, multicelular que caracteriza a los eucariotas.

Al combinar análisis de datos a gran escala, modelización matemática y conceptos de la física de fenómenos críticos y la ciencia de la computación, este trabajo ilustra cómo enfoques interdisciplinarios pueden arrojar nueva luz sobre las transiciones más importantes y enigmáticas de la historia de la vida. La emergencia de los eucariotas vista a través de esta lente no fue solo un cambio estructural, sino un cambio fundamental en el “algoritmo” mismo de la evolución.

Referencia

[1] Muro EM, Ballesteros FJ, Luque B, Bascompte J. The emergence of eukaryotes as an evolutionary algorithmic phase transition. Proc Natl Acad Sci U S A. 2025 Apr;122(13):e2422968122. doi: 10.1073/pnas.2422968122.