21 abr. 2016

Les transicions biològiques: els organismes multicel·lulars

Dimecres passat, 13 d’abril, va venir Iñaki Ruiz-Trillo, de l'Institut de Biologia Evolutiva (CSIC-UPF), ICREA, per parlar-nos de Les transicions biològiques, concretament del pas d'organismes unicel·lulars a multicel·lulars.

Iñaki és biòleg per la Universitat de Barcelona, va fer la seva tesi doctoral al Departament de Genètica i va fer el post-doc a la Universitat de Dalhousie, a Halifax (Nova Escòcia, Canadà). Es va reincorporar al sistema de recerca català el 2007 amb un contracte ICREA.

Iñaki ens confessa que durant el seu doctorat va decidir que volia estudiar l'origen dels animals, que ningú no ho havia fet; i que a Canadà va aprendre a fer la pregunta correcta. En reincorporar-se a Barcelona, amb l'equip que ha creat estan buscant les respostes.
Iñaki ens explica que la seva recerca es basa en buscar filogènies comparant els genomes dels parents unicel·lulars més propers dels animals multicel·lulars. La comparació els permet de tenir una idea més clara de com era l’ancestre unicel·lular que va donar a lloc a tots els animals, incloent-nos nosaltres, els humans.

Ara bé, inevitablement, parlar del pas d'organismes unicel·lulars a multicel·lulars ens duu a parlar de transicions anteriors. D'una banda, ens retrau a l'origen de la vida i, en segon terme, a l'origen dels eucariotes, els éssers vius que tenen el DNA empaquetat dins una membrana nuclear.

L'aparició de la vida
La vida va aparèixer fa aproximadament 3,7 mil milions d'anys. Les primeres formes van ser bacterianes. En elles el material genètic es trobava en el citoplasma de la cèl·lula, sense un nucli que l'englobés. Tot i que la vida potser va aparèixer diverses vegades, on hi ha consens és en que tots els organismes actuals venim d’un organisme únic, el que coneixem com a LUCA (Last Universal Common Ancestor). Entre altres raons, tots els organismes compartim el mateix codi genètic.

I, com era morfològicament aquest ésser viu? Quins gens tenia? Com vivia? Doncs, no hi ha resposta, ni sembla que hi hagi cap forma de saber-ho. Està massa lluny en el temps i no podem trobar parents. El que si podem és reconstruir la història cap aquí: dos mil milions d'anys més tard van aparèixer els arqueus, unes cèl·lules un xic més complexes.

L'aparició dels eucariotes
Els arqueus van donar origen als primers eucariotes, per simbiogènesi ara fa uns 1,8 mil milions d'anys. En primer lloc, s'incorporarien els bacteris capaços de respirar (alfaproteobacteris), que van passar a ser es orgànuls que proporcionen l'energia a les cèl·lules (els mitocondris). Després s'incorporarien altres orgànuls. Aquesta simbiogènesi és una altra transició biològica i va succeir una sola vegada en la història de la vida.

Imatge Cèl·lula eucariota animal. Font: Wikimedia commons

Posteriorment, i no en totes les cèl·lules, s'incorporarien diferents bacteris, com els cianobacteris, que van donar els cloroplasts, que proporcionen la capacitat de fer la fotosíntesi. D'aquí es van originar les algues i les plantes. Aquests organismes primerencs van donar lloc als ancestres dels diferents regnes dels éssers vius.

L'aparició dels organismes multicel·lulars
Els organismes multicel·lulars a diferència dels unicel·lulars, poden fer simultàniament diferents funcions vitals. Els unicel·lulars s'alimenten, es desplacen i es reprodueixen; compleixen els requisits dels éssers vius seqüencialment: la cèl·lula fa una activitat cada vegada, no les pot simultaniejar. Els organismes multicel·lulars poden fer les diverses accions alhora, atès que tenen cèl·lules diferenciades que compleixen les diferents funcions simultàniament.

Com es va passar als organismes multicel·lulars? Doncs probablement mitjançant el reciclatge d'alguns gens que ja existien. Les propietats que haurien de donar-los-hi eren: l'adhesió (i s'ha vist que ja existien gens que sintetitzaven integrines, proteïnes d'adhesió), la comunicació cel·lular (cal emetre senyals per indicar què calia fer tots alhora, i ja la deurien tenir també atès que els sincicis actuen alhora), i la diferenciació cel·lular (que també es pot donar en els sincicis entre la part exterior i l'interior de l'agrupament).

Així, el kit mínim d'un organisme multicel·lular ha de contenir gens per a l'adhesió, la comunicació i diferenciació, i els factors de transcripció corresponents per a les diferents funcions. I també hi hauria la divisió entre les línies cel·lulars somàtica i germinal. Aquest va ser un canvi de software, amb un bagatge del que teníem.

Iñaki ens fa el símil amb els smart-phones, que aprofiten tecnologies ja existents (telèfons mòbils, càmeres digitals, GPS...) que, millorades en el seu programari i agrupades, fan aflorar propietats emergents que són més que la suma de les propietats existents, ja que ofereixen noves prestacions.

S'estima que els primers animals multicel·lulars van aparèixer ara fa entorn 700 milions d’anys. I a partir d'aquí van sorgir els diferents fílums animals. Però els animals són només una petita branca dins l'arbre dels eucariotes. Una entre cent. I la multicel·lularitat va aparèixer al menys vint vegades al llarg de la història de la vida.

Els organismes multicel·lulars més senzills són les algues verdes o cloròfits. El seu parent colonial més proper és Volvox que, al seu torn, va evolucionar de l'alga unicel·lular Chlamydomonas. Les algues brunes, feòfits, i les algues vermelles, rodòfits, tenen altres orígens. Les plantes van sorgir dels caròfits, un llinatge de les algues verdes.

Els fongs van aparèixer de l'evolució d'amebes i de de Dyctiostelium (vídeo). Seria un altre tipus de multicel·lularitat, en aquest cas, agregativa. I els llevats, fongs unicel·lulars, són considerats com regressions d'essers multicel·lulars a unicel·lulars de nou. De vegades en la història de la vida hi ha hagut regressions i simplificacions, com en els paràsits, que perden possibilitat de moure's, o en els animals que viuen en coves, que perden sentits.

Altres llinatges amb més complexitat molecular van donar lloc a les plantes i els animals. Iñaki estudia els organismes eucariotes, protists, que van donar lloc als diferents fílums del regne animal; s'estima el nombre de fílums animals es mou entorn els trenta-sis. Els animals més antics vivents són les esponges i els ctenòfors. Un dels fílums, només un és el dels cordats, que ha donat als mamífers, als primats i als humans. 

Els parents més antics
En el cas de l'origen dels multicel·lulars si té sentit preguntar-se com eren morfològicament els ancestres? quins gens tenien? com vivien? Amb aquests organismes si es pot fer una aproximació comparant amb els genomes dels animals que estan en la franja intersticial entre els mono i els multicel·lulars. Es tracta d'organismes que són considerats unicel·lulars, però en algun moment de la seva existència tenen un comportament que pot correspondre a un multicel·lular.


Imatge: Capsaspora. Font: Multicellgenome/Wikimedia commons
 
L'equip d'Iñaki ha estudiat tres organismes emparentats genèticament als animals i que són considerats els ancestres més antics coneguts, segons la seqüència del gen ribosomal 18S: Capsaspora, Sphaeroforma i Creolimax.

Aquest gen 18S ribosomal, es troba en els ribosomes, orgànuls que tenen tots els éssers vius, ja que és on té lloc la síntesi proteica. Per aquesta necessitat vital, aquest gen està molt preservat en els animals, i aquests tres microorganismes són considerats en l'origen de la seqüència, ja que comparant aquest gen de diferents organismes i veient-ne els canvis, es troba el parentiu.

Capsaspora owczarzaki és un organisme unicel·lular semblant a una ameba amb molts fil·lopodis, amb els quals s'agafa al terra. Es va trobar a Sud-Amèrica dins l'hemolimfa un dels cargols que transmet també Schistosoma mansoni, el paràsit que provoca la esquistosomiasi. Aquí es pot trobar la seqüència del gen 18S de Capsaspora. En el final del cicle vital de Capsaspora, en cultiu de laboratori, es forma una mena de conglomerats multicel·lulars per agregació.


Sphaeroforma arctica també es va trobar de forma fortuïta dins un amfípode del krill. Abans de la divisió, pren una forma sincitial (divisió nuclear sense que hi hagi divisió citoplasmàtica), que finalment acaba explotant donant lloc a noves cèl·lules. El tercer organisme, Creolimax fragantissima, també es va aïllar de dins el budell d'un invertebrat. També és un organisme que fa sincitis abans de la seva divisió (vídeo).

De tots aquests tres organismes que es relacionen amb els proto-organismes multicel·lulars que van donar lloc als animals podríem dir que tenen en comú una transició a la multicel·lularitat per l'estadi agregatiu o sincitial en la fase final del cicle de vida.
També es consideren parents dels ancestres dels animals multicel·lulars els coanoflagel·lats, que formen colònies.

Els científics que estudien l'aparició dels organismes multicel·lulars comparteixen coneixements amb els que estudien el desenvolupament d'un càncer dins un organisme. A fi de comptes, en els dos casos hi ha una proliferació cel·lular; un càncer és com si creixés un organisme multicel·lular dins un altre organisme.

L'explosió cambriana
S'entén per explosió cambriana a l'aparició sobtada de moltes i diverses formes d'animals multicel·lulars en el registre fòssil.Com es va passar de tenir animals senzills de pocs gens, com són Capsaspora, Sphaeroforma o Creolimax a l'explosió cambriana? Probablement va ser de forma gradual, començant per les formes sincitials. Ara, com el programari nou faria nou maquinari no se sap. El que és obvi és que no va poder tenir lloc fins que els animals van tenir algun exoesquelet que deixés rastre.

La diversitat desconeguda
Taraoceans és un projecte francès que estudia l'origen de la vida i la diversitat dels éssers vius a l'oceà. Del recull de tres anys de mostratge pels oceans, es va estudiar només els residus del gen 18S, el codi de barres que indica una espècie, per a valorar la diversitat. Es van trobar només al mar, més de cent filogènies o llinatges diferents. D'aquests cent llinatges, només de cinquanta es té una espècie representativa.

Iñaki, com vas arribar a estudiar protists?
Vaig fer una tesi sobre evolució que em va dirigir Jaume Bagunyà i Marta Riutort. Vaig estudiar els animals que tenen simetria radial. Durant el post-doc vaig anar més enrere en el temps, vaig estudiar l'origen de la cèl·lula eucariota. I més endavant, em vaig adonar que l'origen dels éssers pluricel·lulars l'estudiaven molt pocs científics. Quantes coses no se saben!

De manera que se'm va obrir un món molt atractiu per a trobar allò que ningú abans no havia trobat: l'adquisició de noves propietats que expliquen l'evolució. Som pocs grups amb aquesta especialitat en el món occidental i hi ha una competència més lleial entre nosaltres, que entre altres camps amb més grups que l'estudien.

El tipus de recerca que es fa en Biologia, actualment, el que ha permès avenços estudiantgenomes, és degut al desenvolupament de les màquines de seqüenciació i els grans ordinadors per processar tanta informació. Per això la possibilitat d'intervenció augmenta exponencialment. Per tant, les decisions referents a la recerca científica s'han de prendre entre diversos estaments socials. Nosaltres desapareixerem, no la vida; la vida és molt resilient.

Iñaki ens va repetir allò que diuen molts: que els científics han de saber sobre el seu camp i informàtica, i que la ciència amb la nova tecnologia vol equips multidisciplinars. Qui m'anava a dir a mi que allò tan avorrit que ens explicaven de rutina i de manera monòtona a tercer de carrera podia ser tan atractiu!

Més informació
Organismos modelo (video)
Multicell genome

No hay comentarios:

Publicar un comentario en la entrada