Simbiogénesis y bricolaje metabólico

Artículo publicado en junio de 2014.

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2014.06.1

Juli Peretó 
Instituto Cavanilles de Biodiversidad y Biología Evolutiva de la Universidad de Valencia
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Las asociaciones simbióticas entre microorganismos originaron los primeros eucariotas pero luego, durante su evolución, ha habido muchas más fusiones de ramas del árbol de la vida. Así, las bacterias endosimbiontes y las microbiotas intestinales modelan el metabolismo de los insectos. Todos los eucariotas son verdaderos mosaicos metabólicos.

 

Las simbiosis ancestrales originaron nuevos estilos de vida después de la fusión de redes metabólicas de organismos de vida libre. Mitocondrias y cloroplastos comparten ancestros directos con las bacterias y el nucleocitoplasma eucariótico probablemente deriva de una arquea. Pero, además, en el transcurso de la evolución eucariótica ocurrieron muchas más simbiosis. Uno de los casos mejor estudiados son las asociaciones mutualistas entre insectos y bacterias endosimbiontes instaladas dentro de células especializadas. El hecho de que estas bacterias no sean cultivables limita mucho su estudio, pero gracias a las técnicas "ómicas" y la modelización metabólica nos podemos acercar a sus funciones [1].
¿Qué es una cucaracha? Comprender la fisiología de un animal como la cucaracha requiere tener en cuenta que el individuo es el resultado de la interacción de la expresión de sus genomas nuclear y mitocondrial, más la expresión del genoma de una población de bacterias endosimbiontes ubicadas en su cuerpo graso, más las actividades de una rica y diversa microbiota intestinal. La secuenciación de diversos genomas de la bacteria simbionte intracelular Blattabacterium cuenoti, ha permitido entender mejor el metabolismo del nitrógeno de las cucarachas [2]. A diferencia de la mayoría de los insectos, las cucarachas no excretan el exceso de nitrógeno en forma de ácido úrico. Más bien lo depositan en células especializadas de su cuerpo graso (uricocitos), adyacentes a las células de reserva de lípidos y glucógeno (trofocitos) y a las que contienen las bacterias endosimbiontes (bacteriocitos). Estudios clásicos de fisiología mostraron que las cucarachas movilizan el ácido úrico durante los periodos de escasez de proteína mientras que reponen los depósitos de nitrógeno cuando ingieren suficiente proteína, excretando el nitrógeno sobrante en forma de amoníaco (sic). Esto supone una notable excepción a las reglas que hace ochenta años estableció Joseph Needham en sus estudios de bioquímica comparada y que aprendemos en los manuales: nadie esperaría que un insecto fuese amoniotélico en lugar de uricotélico [3].
¿Cómo convertir un producto de desecho como el ácido úrico en una reserva metabólicamente útil? La respuesta está en la simbiosis. El genoma del animal es insuficiente para instruir una ruta metabólica completa desde el ácido úrico hasta la glutamina, puerta de entrada del nitrógeno en el metabolismo. Sin embargo, con la ayuda de una ureasa del endosimbionte bacteriano la transformación es posible [4]. En periodos de ayuno proteico, el insecto activa en los uricocitos una ruta uricolítica que transforma ácido úrico en urea. La urea es hidrolizada a amoníaco y CO2 por la ureasa de Blattabacterium. Pero el endosimbionte no puede sintetizar glutamina por lo que el amoníaco debe ser sustrato de la glutamina sintasa del insecto. Este mosaico metabólico entre insecto y bacteria obra el prodigio metabólico. Y el amoníaco que rebosa del sistema es el que observaron los fisiólogos [5].
¿Es ésta la única solución que ha encontrado la evolución para dotar a un insecto de un depósito de nitrógeno asequible? Las termitas son un grupo derivado de las cucarachas pero todas, excepto Mastothermes darwiniensis, perdieron las poblaciones intracelulares de Blattabacterium. En este caso se sabe que el metabolismo del ácido úrico se delegó en la microbiota intestinal que además contiene las herramientas enzimáticas para hacer posible el estilo de vida xilófago característico de estos insectos [2]. La simbiosis fue, otra vez, fuente de innovación metabólica en animales.
La aparición de insectos con metabolismos peculiares como resultado de la asociación con bacterias ilustra principios evolutivos básicos. En primer lugar, la evolución por simbiosis no encaja en el esquema sugerido por Charles Darwin de un árbol de la vida en el que los linajes emergen por divergencia. Sin embargo, hoy tenemos muchos ejemplos de evolución por fusión de ramas evolutivas, algo que sin duda hubiese fascinado al mismo Darwin. No solo sabemos que la simbiosis fue el mecanismo básico del origen de la complejidad eucariótica sino que hemos de reconocer su fuerza innovadora durante la diversificación de los eucariotas. Por otro lado, en su monografía sobre las orquídeas, inspirado por la maravillosa coevolución de flores e insectos polinizadores, el naturalista inglés propuso que la evolución opera muchas veces construyendo mecanismos nuevos con artilugios viejos. A escala molecular, François Jacob evocó el bricolaje como una metáfora del proceder de la evolución: reciclar estructuras moleculares previas para ejecutar funciones nuevas [6]. La capacidad de las cucarachas de guardar nitrógeno en forma de ácido úrico para cuando éste escasea solo se puede comprender a la luz de la evolución por simbiosis y de la emergencia de chapuzas metabólicas útiles y asombrosas. Teniendo en cuenta que en nuestro intestino hay del orden de 150 veces más genes bacterianos que los que contiene un genoma humano [7], ¿cuántas sorpresas aguardan tras el estudio bioquímico de la microbiota intestinal y la complementación con las capacidades metabólicas codificadas por nuestro genoma?

 

 

 

  Figura. Mosaico metabólico entre el insecto y su endosimbionte.

 

REFERENCIAS

 

[1] Moya A, Peretó J (2011) Simbiosis: seres que evolucionan juntos. Madrid: Ed. Síntesis.
[2] Patiño-Navarrete R, Moya A, Latorre A, Peretó J (2013) Comparative genomics of Blattabacterium cuenoti: the frozen legacy of an ancient endosymbiont genome. Genome Biol. Evol. 5, 351-361.
[3] Cochran D (1985) Nitrogen excretion in cockroaches. Annu. Rev. Entomol. 30, 29-49.
[4] López-Sánchez M, Neef A, Peretó J, Patiño-Navarrete R, Pignatelli M, Latorre A, Moya A (2009) Evolutionary convergence and nitrogen metabolism in Blattabacterium strain Bge, primary endosymbiont of the cockroach Blattella germanica. PLoS Genet. 5, e1000721.
[5] González-Domenech CM, Belda E, Patiño-Navarrete R, Peretó J, Moya A, Latorre A (2012) Metabolic stasis in an ancient symbiosis: genome-scale metabolic networks from two Blattabacterium cuenoti strains, primary endosymbionts of cockroaches. BMC Microbiol. 12, S5.
[6] Peretó J (2011) Origin and evolution of metabolisms. En: Origins and evolution of life. An astrobiological perspective. Gargaud M, López-García P, Martin H, eds. Cambridge: Cambridge University Press, cap. 18, p. 270-288.
[7] Quin J et al. (2010) A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature 464, 59-65.

 

 

 

 

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Entrevista

Juli Peretó
Instituto Cavanilles de Biodiversidad y Biología Evolutiva de la Universidad de Valencia 
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P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica? ¿Le influyó alguien de forma especial? 

R.- No lo recuerdo con exactitud pero sí que puedo sugerir una diversidad de factores que influyeron en mi decisión de estudiar ciencias. La serie Cosmos de Carl Sagan me fascinó, un pequeño manual de química de Jorge Bozal atrapó mi curiosidad por esa ciencia, el ejemplo de unos profesores de física, química y matemáticas abnegados, apasionados por la enseñanza y, sin ninguna duda, la referencia de mi padre que enseñaba biología en bachillerato. En algún momento vi por la televisión o en alguna revista a Severo Ochoa y empecé a pensar en la bioquímica como profesión. Lo que siempre tuve claro es que quería dedicarme a la docencia, a estudiar y aprender para transmitir ese conocimiento a los demás. No me arrepiento de mi decisión de estudiar Ciencias Químicas y después seguir la especialidad de Bioquímica. Me sigue pareciendo importante adquirir una base científica sólida antes de especializarse. Desde luego, algunos profesores de la Facultad, que suplían las carencias materiales con un entusiasmo envidiable, ayudaron a afirmar mi decisión.

 

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador?

R.- La buena investigación se nutre de una curiosidad insaciable. Sin ganas de aprender y dejarse sorprender por la naturaleza, no hay verdadera investigación. Por supuesto, ha de haber espíritu de sacrificio, el no importarte los horarios o los fines de semana si se trata de avanzar en un experimento o en un estudio. Y, de vez en cuando, cambiar de tema. Esto es algo que Sydney Brenner recomienda, él lo hizo varias veces a lo largo de su vida científica, aunque realmente muy poca gente esté dispuesta a hacerlo. Uno empieza con un sistema experimental o un determinado problema y lo exprime hasta el agotamiento. Pero hay momentos en que un conocimiento excesivo de un tema inhibe la creatividad, que también es importante en la investigación. Por eso puede ser muy saludable atreverse a buscar sendas nuevas. Un joven expuesto a los rigores de un sistema que prima mucho la cantidad de publicaciones (a veces más que la calidad) seguramente se va a guiar por la productividad del grupo en el que se quiera incorporar. Pero yo diría que uno debería procurar siempre pasárselo bien aprendiendo e investigando. Esto es el colmo del investigador: disfrutar con lo que hace y no ver la investigación como una obligación a la que dedicarse con un horario definido o como una actividad cuya única finalidad es publicar en una revista con un cierto índice de impacto. Por tanto, hay también que dejarse guiar por el gusto y las ganas de aprender cosas nuevas que nos emocionen. 

 

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia? ¿Cómo ve el futuro de este área científica?

R.- Yo soy muy disperso y quizá me interesan demasiados temas para lo que se nos suele demandar. Como profesor universitario la mayoría de las veces no distingo mis intereses docentes y de investigación. Metabolismo y evolución podrían ser dos palabras clave de mis ocupaciones actuales. Estoy integrado en el grupo de Genética Evolutiva del Instituto Cavanilles de Biodiversidad y Biología Evolutiva de la Universitat de València. La línea principal de trabajo es el estudio de las interacciones entre los insectos y sus simbiontes bacterianos, tanto intracelulares como las microbiotas intestinales. Como bioquímico estoy en la interfase de las aproximaciones "ómicas" y la modelización metabólica, en un territorio que algunos denominan biología de sistemas. Mis años de estudio de metabolismo para mis clases (a ser posible con pizarra) me ayudan mucho a la hora de colaborar, por ejemplo, con bioinformáticos y establecer una simbiosis intelectualmente fructífera. Por otro lado, las investigaciones sobre los genomas mínimos me han acercado también a la biología sintética y de aquí al concurso iGEM organizado por el MIT que me permite conocer a estudiantes muy brillantes más allá del aula. Aunque nunca me han obsesionado las aplicaciones de las investigaciones que llevamos a cabo -creo que todo conocimiento es útil por sí mismo-, puede ser que aspectos fundamentales de la complementación metabólica entre hospedadores y simbiontes nos lleve a informaciones muy útiles en el ámbito de la biotecnología. De hecho, el estudio de los consorcios metabólicos es un área emergente que nos traerá muchas sorpresas. Además, por deformación docente, he dedicado mucho tiempo al estudio del origen de la vida y a la emergencia evolutiva de las funciones bioquímicas. Esto me ha llevado a considerar el enfoque evolutivo como una herramienta para el aprendizaje del metabolismo. También me ha interesado mucho la historia de las ideas científicas sobre origen de la vida así como la historia de la bioquímica. Todos esos intereses tan amplios y extendidos en el tiempo me han permitido relacionarme con colegas (muchos de ellos, sin embargo, amigos) muy diversos: filósofos e historiadores de la ciencia, bioquímicos, biofísicos, genetistas, microbiólogos, entomólogos, biotecnólogos de empresa... y con un gran número de estudiantes de mente fresca y despierta. He tenido el privilegio de conocer a gente muy interesante y me considero muy afortunado de poder disfrutar conversando con ellos y aprendiendo sobre los problemas más variados. Respecto al futuro, estoy convencido de que la biología evolutiva y la bioquímica estarán cada vez más conectadas, a través de nuevos enfoques y aproximaciones que suministrarán informaciones muy valiosas. Hoy en día es factible resucitar proteínas extinguidas o seguir una trayectoria evolutiva en directo y en el futuro próximo no será descabellado considerar la síntesis de vidas artificiales en el laboratorio. Aunque los frutos biotecnológicos quizá no sean inmediatos, estoy seguro de que al menos nos servirán para aprender más biología.

 

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España?

R.- La historia reciente demuestra que no existe una carrera científica sólida y fiable en España. Cuando hace unos años empezaron programas como los contratos Ramón y Cajal, parecía que se sentaba las bases de un sistema capaz de reclutar mentes brillantes y científicos competentes. Para empezar, en muchos Departamentos universitarios se tomó a los cajales no como científicos independientes, sino como post-docs al servicio del profesorado. Después vino el fracaso de retener en condiciones profesionales dignas y aceptables todo el talento atraído. Por un lado las universidades no han hecho todo lo posible por corregir sus prácticas endogámicas. También viene a cuento preguntarse por qué la carrera científica en España está peor todavía en las empresas que en el ámbito público. Hay al menos dos razones. La primera porque las empresas de este país que podrían haberla generado no han puesto todo el esfuerzo necesario. La segunda porque no se han consolidado espacios de encuentro sino más bien de desacuerdos burocráticos (y ahora no toca hablar del fiasco de muchas OTRI). La verdad es que ningún gobierno español se ha tomado con seriedad establecer las bases de una Política de Estado (así, en mayúsculas) en materia científica en general y de una carrera profesional en particular. Tampoco la sociedad parece haberlo echado a faltar. La mediocridad de los políticos ("pigmeos" los llamaba Tony Judt refiriéndose a toda la clase política europea) y los vaivenes partidistas han hecho el resto: entorpecer o dinamitar lo poco avanzado. Para acabarlo de estropear, la excusa de la crisis financiera ha consumado el espejismo de un sistema científico que podría haber sido y que jamás logró pasar de su infancia. Yo conozco de cerca una excepción a esta dolorosa regla: el modelo catalán de atracción y retención de talento a través de una red de centros de investigación liberados en buena medida del sistema funcionarial. La principal agencia "caza talentos" en Catalunya es ICREA (Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats). Por cada euro invertido en la plantilla de científicos reclutados, el sistema ingresa 3 euros de proyectos de fuera de Catalunya -por cierto, como agencia, ICREA es proporcionalmente el mayor receptor de proyectos ERC de Europa. Catalunya también se ha dotado, a través del programa ICREA-Academia, de un sistema que permite liberar parcialmente de docencia al profesorado más activo en investigación. La evaluación del programa demuestra que este profesorado universitario ha duplicado su capacidad de captación de recursos desde que disfruta de esa ayuda. Yo me pregunto, si se ha podido superar la sucesión de gobiernos de distinto color, y se ha mantenido a flote, pese a todo, lo esencial del sistema, ¿por qué no se puede extender ese modelo a escala estatal? No hay secretos: un proceso de selección independiente y riguroso de los mejores y evaluaciones periódicas implacables. Por cierto, ninguna de estas dos cosas se aplican ni en nuestras universidades ni en la ANECA.

 

P.- ¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovación en nuestro país?

R.- Esta pregunta tendría diferente respuesta formulada en el pasado reciente, pues parecía que se había emprendido un camino hacia objetivos razonables de política científica en el contexto europeo. Sin embargo, respondo a esta pregunta en junio de 2014 y el recorte consumado en los últimos ejercicios presupuestarios confirma que deshacemos el camino hecho y retrocedemos al menos una década. No nos engañemos: en ciencia el tiempo perdido es irrecuperable, y al menos una generación entera, si no más, de jóvenes brillantes, quizá los mejor preparados de la historia, no podrán incorporarse al sistema. Yo lo veo en mi propio Departamento: la edad media del profesorado supera los 45 años y por debajo no hay casi capital humano que pueda, dentro de unos pocos años, suplir a todos los que nos incorporamos en el "boom" de la LRU y que nos jubilaremos en masa. No hemos tenido ninguna oportunidad de fichar a gente joven, en la edad de mayor creatividad y productividad. Será letal para las universidades públicas, pues un buen sistema educativo superior no se puede sostener con contratos precarios, ni con grupos de investigación infrafinanciados. Asistiríamos así a la demolición de uno de los pilares (otro más) de un estado moderno y del bienestar. A pesar de todo esto, todavía me queda la esperanza de que la gente reaccione y de que realmente puedan existir políticos honestos que se crean, de verdad, aquello de una sociedad del conocimiento cimentada sobre un sistema de investigación y desarrollo sólido y sostenido en el tiempo. Los científicos tenemos aquí y ahora una enorme responsabilidad que sería inmoral eludir: no podemos desfallecer y debemos seguir explicando, por activa y por pasiva, con emoción, para qué sirve la ciencia. No perdamos ninguna ocasión de proclamar el enorme valor cultural y económico de la ciencia: la búsqueda libre del conocimiento fue beneficiosa en el pasado y lo seguirá siendo en el futuro.

 

Perfil biográfico

Juli Peretó
Instituto Cavanilles de Biodiversidad y Biología Evolutiva de la Universidad de Valencia 
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Juli Peretó se doctoró en Química por la Universitat de València y realizó estudios postdoctorales en la Universidad de Pennsylvania. Profesor Titular de Bioquímica y Biología Molecular, investigó en bioquímica vegetal y, tras un paréntesis dedicado a la gestión universitaria, desplegó todo su interés sobre la evolución metabólica en el Instituto Cavanilles de Biodiversidad y Biología Evolutiva al que se incorporó en 2003. Actualmente trata de enseñar metabolismo a futuros biotecnólogos y cree que un día tendremos una explicación más que razonable de cómo la geoquímica dio paso a la bioquímica en la Tierra primitiva. De siempre ha pensado que la divulgación de la ciencia le ayuda a saldar su deuda con la sociedad: ha organizado más de 60 ciclos de debates y conferencias e impartido más de 150 charlas de temática científica para el público general, profesorado o estudiantes desde educación primaria hasta la universidad.

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