La visión de los vertebrados / Un mecanismo primitivo de síntesis de purinas / Cadáveres estelares

Escritas y relatadas por Juan Manuel Igea

Presidente del Comité de Humanidades
de la Sociedad Española de Alergia e Inmunología Clínica

«El médico que solo sabe medicina, ni medicina sabe»
José de Letamendi y Manjarrés (1828-1897)

Algunas de las noticias científicas más importantes ocurridas en los últimos meses y que nada tienen que ver directamente con la medicina, pero que sería bueno que usted, como médico, conociera

Un gen procedente de una bacteria posibilitó la visión de los vertebrados

Siempre nos ha resultado muy difícil explicar cómo la evolución ha podido dar lugar a un órgano tan complejo como el ojo. Un estudio reciente revela que la evolución del ojo de los vertebrados recibió un impulso inesperado de las bacterias, que aportaron un gen clave para la respuesta de la retina a la luz. Ya sabíamos que las bacterias intercambian genes fácilmente, empaquetados en virus, transposones o como ADN libre flotante y que los vertebrados también pueden incorporar genes microbianos. De hecho, cuando se secuenció por primera vez el Un gen procedente de una bacteria posibilitó la visión de los vertebrados genoma humano en 2001, los científicos pensaron que alrededor de 200 genes podrían tener un origen bacteriano.

La autora de este artículo de Science llama nuestra atención sobre un trabajo presentado el 14 de abril en Proceedings of the National Academy of Sciences. En él se describe cómo el equipo del bioquímico Matthew Daugherty, de la Universidad de California, usó un programa complejo para rastrear la evolución de cientos de genes humanos y buscar secuencias parecidas en otras especies. Los genes que parecían haber surgido primero en los vertebra dos, sin predecesores en animales anteriores, se consideraban candidatos a haber saltado desde las bacterias, especialmente si tenían homólogos en los microbios modernos.

Uno de esos genes potencialmente bacterianos llamó la atención del equipo. Se trataba del gen IRBP (proteína ligadora de retinoide interfotorreceptor), que se consideraba importante para la visión. Este gen codifica una proteína que reside entre la retina y el epitelio pigmentario de la retina. En el ojo de los vertebrados, cuando la luz golpea un fotorreceptor en la retina, los complejos de vitamina A se desenroscan y dan lugar a un pulso eléctrico que activa al nervio óptico. IRBP desplaza estas moléculas al epitelio para ser replegadas y después las transporta de vuelta al fotorreceptor listas para una nueva interacción con otro fotón. Sin IRBP no habría visión en los vertebrados, si bien es cierto que los invertebrados disfrutan de muy buena visión sin necesidad de esta proteína.

IRBP se parece a una clase de genes bacterianos que codifican peptidasas encargadas de reciclar a otras proteínas. Dado que IRBP se encuentra en todos los vertebrados, pero no en sus parientes invertebrados más cercanos, el equipo de Daugherty propone que hace más de 500 millones de años los microbios transfirieron un gen de peptidasa a un ancestro de todos los vertebrados. Una vez que el gen estuvo en su lugar, su función de reciclaje se perdió y el gen se duplicó dos veces, lo que explica que IRBP tenga cuatro copias del ADN de la peptidasa original. El equipo de Daugherty piensa que, incluso en sus ancestros microbianos, esta proteína podría haber tenido alguna capacidad para unirse a moléculas sensibles a la luz.

En resumen, este estudio apoya la idea de que la transferencia horizontal de genes puede dotar a los organismos superiores de nuevas funciones y que, una vez que estos genes arraigan en una nueva especie, la evolución puede modificarlos para producir nuevas habilidades o mejorar las existentes.

Referencia bibliográfica:

Pennisi E. An ancient bacterial gene set the stage for human sight. Science. 2023 Apr 14;380(6641):119. doi: 10.1126/science.adi2239. Epub 2023 Apr 13.


Un mecanismo primitivo de síntesis de purinas conecta la química geológica con la química biológica

El metabolismo es el “corazón palpitante de la célula”. El trabajo recorre la historia del metabolismo desde la Tierra primigenia hasta nuestros días (de izda. a dcha.). La historia del descubrimiento de compuestos a lo largo del tiempo (línea blanca) es cíclica, casi como un electrocardiograma. / NASA’s Goddard Space Flight Center-Francis Reddy-NASA-ESA

El origen de la vida en la Tierra es aún un misterio, a pesar de lo mucho avanzado en este campo. Un aspecto que no se estudia a menudo es el de los mecanismos vitales que se han perdido a lo largo de la evolución de la vida. Es bastante común que una especie utilice una reacción bioquímica que luego desaparezca, y si esto sucede en suficientes especies, tales reacciones podrían olvidarse. La pregunta en este punto sería si hay muchas reacciones que la materia viva haya olvidado. Los investigadores del Earth-Life Science Institute (ELSI), en el Tokyo Institute of Technology, y el California Institute of Technology (CalTech), pensaron que la química olvidada aparecería como discontinuidades en el camino que la química toma desde moléculas geoquímicas simples hasta moléculas biológicas complejas.

La Tierra primitiva era rica en compuestos simples como sulfuro de hidrógeno, amoníaco y dióxido de carbono, de los que la vida primitiva dependía como fuente de materia prima. A medida que la vida evolucionó, los procesos bioquímicos transformaron gradualmente estos precursores en compuestos que hoy son frecuentes o indispensables en la vida. Estos procesos constituyen las primeras vías metabólicas y constituyen la conexión entre la geoquímica y la bioquímica.

Para modelar la historia de la bioquímica, los investigadores estadounidenses y japoneses mencionados hicieron un inventario de todas las reacciones bioquímicas conocidas en la Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, que ha catalogado más de 12.000 reacciones bioquímicas. A partir de este catálogo, comenzaron a modelar el desarrollo paso a paso del metabolismo. Pero, como en ocasiones anteriores, este método de trabajo no reveló las moléculas más extendidas y complejas utilizadas por la vida actual, por razones poco claras.

Una forma de sortear este problema fue optar por un enfoque diferente, el de determinar las reacciones que faltaban. Y su búsqueda los llevó a una de las moléculas más importantes de toda la bioquímica, el trifosfato de adenosina (ATP). El ATP es la moneda energética que la materia viva usa de forma universal para impulsar todo tipo de reacciones bioquímicas allí donde son necesarias. Sin embargo, la mayoría de las reacciones que forman ATP exigen disponer antes del ATP.

En otras palabras, a menos que el ATP ya esté presente, no hay otra manera para que la mayor parte de la vida actual haga ATP. Esta dependencia cíclica era la razón por la que el modelo se detenía y había que buscar una solución.

La respuesta llegó con la observación de que la parte reactiva del ATP es notablemente parecida al compuesto inorgánico polifosfato, por lo que podría haber sido una moneda energética primitiva. Al permitir que las reacciones generadoras de ATP utilizaran polifosfato en lugar de ATP, modificando solo ocho reacciones en total, se podía lograr la síntesis de ATP sin necesidad de ATP. Esto permitió además a los investigadores estimar las edades relativas de todos los metabolitos comunes y formular preguntas concretas sobre la historia de las rutas metabólicas.

Una de estas preguntas fue si las vías biológicas se construyeron de manera lineal, añadiendo una reacción tras otra de forma secuencial, o si las reacciones de las vías emergieron como un mosaico, en el que reacciones de edades muy diferentes se unieron para formar algo nuevo. Los investigadores llegaron a la conclusión de que los dos tipos de vías son casi igualmente frecuentes en todo el metabolismo vivo.

En resumen, este nuevo método de trabajo ha permitido encontrar vías metabólicas olvidadas por la materia viva y determinar que solo se necesitan ocho nuevas reacciones, todas ellas reminiscencias de reacciones bioquímicas comunes, para conectar la geoquímica y la bioquímica.

Esto no prueba que el espacio de la bioquímica perdida sea pequeño, pero sí que podemos redescubrir reacciones que han desaparecido a partir de las pistas dejadas en la bioquímica moderna.

Referencia bibliográfica:

Goldford JE, Smith HB, Longo LM, Wing BA, McGlynn SE, Primitive purine biosynthesis connects ancient geochemistry to modern metabolism. Nature Ecology & Evolution. 2024;8:999-1009. DOI: 10.1038/s41559-024-02361-4.

Para construir un modelo de la historia evolutiva del metabolismo a escala de la biosfera, el equipo de investigación compiló una base de datos de 12.262 reacciones bioquímicas de la base de datos de la Enciclopedia de Genes y Genomas de Kioto (KEGG). / Goldford, J.E., Nat Ecol Evol (2024) – Licencia CC BY-NC-SA

Cadáveres estelares que se enfrían mucho más despacio de lo esperado

Representación de la estrella enana blanca V391 Peg. / Chris Laurel, Celestia

Cuando estrellas de masa baja a intermedia como nuestro Sol (la mayoría de las estrellas que habita el Universo) agotan su combustible nuclear expulsan sus capas exteriores y el núcleo que queda, incapaz de iniciar la fusión de elementos pesados, se colapsa sobre su propia gravedad, formando lo que llamamos «enanas blancas». Estas enanas blancas son, por tanto, remanentes estelares desprovistos ya de ninguna fuente de energía, que se enfrían lentamente durante miles de millones de años y finalmente se congelan de dentro afuera. Se les llama «enanas» porque son estrellas muy pequeñas, de un tamaño medio comparable al de la Tierra, aunque su densidad sea mucho más alta. Se cree que, tras un tiempo muy largo, las enanas blancas se enfriarán y dejarán de emitir luz visible, convirtiéndose en enanas negras. Pero el Universo no es lo suficientemente antiguo para que esto haya ocurrido aún, por lo que estamos previendo un tipo de estrella que aún no existe en el Universo.

En el estudio que traemos hoy aquí, fruto de una colaboración entre astrofísicos ingleses, canadienses y estadounidenses, se ha descubierto que una población de enanas blancas en proceso de enfriamiento mantiene una luminosidad constante durante una duración comparable a la edad del Universo, lo que apunta a la presencia de alguna fuente de energía poderosa y aún desconocida que ralentice su enfriamiento. La razón podría ser la formación de cristales sólidos durante el proceso de congelación de esta población de enanas blancas que, al ser menos densos que el líquido, tenderían a flotar. De este modo, los cristales ascenderían en el remanente estelar y el líquido más pesado, en cambio, se desplazaría hacia su centro liberando energía gravitacional. Esa energía liberada sería suficiente para retardar el enfriamiento de la estrella durante miles de millones de años.

En este estudio se muestra que el proceso mencionado interrumpe el enfriamiento y explica todas las propiedades observacionales de esta inusual población de enfriamiento retardado. Con una luminosidad constante que supera la de algunas estrellas de la secuencia principal, estas enanas blancas desafían su representación tradicional como estrellas muertas. Pero esta ralentización del enfriamiento ocurre solo en ciertas enanas blancas, probablemente en las producidas por la fusión de dos estrellas diferentes, cuya combinación permitiría la formación de los cristales flotantes.

Este descubrimiento tiene otra implicación importante, además de la descripción del propio fenómeno. Exige además revisar el proceso que se utiliza en la actualidad para determinar la edad de las enanas blancas que se basa en su luminosidad: cuanto más fría está una enana blanca, más vieja se supone. Pero con el mecanismo de retraso del enfriamiento algunas enanas blancas pueden ser mucho más viejas de lo que se pensaba.

En resumen, estos resultados destacan la existencia de remanentes de fusiones de estrellas peculiares con un gran retraso de su proceso de enfriamiento y tienen profundas implicaciones para el uso de las enanas blancas en la datación de poblaciones estelares.

Referencia bibliográfica:

Bédard, A., Blouin, S. & Cheng, S. Buoyant crystals halt the cooling of white dwarf stars. Nature 627, 286–288 (2024). https://doi. org/10.1038/s41586-024-07102-y.

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