Científicos cultivan elusivos microbios de aguas profundas, los parientes más cercanos de la vida compleja

En un hito para la microbiología evolutiva, investigadores en Japón han logrado aislar y cultivar dos cepas vivas de Heimdallarchaeia, microorganismos de aguas profundas reconocidos como los parientes procariotas más cercanos que se conocen de toda la vida compleja en la Tierra. El logro, encabezado por los científicos Hiroyuki Imachi y Masaru K. Nobu de la Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, junto con Satoshi Nakagawa de la Kyoto University, brinda a los investigadores su primera oportunidad de estudiar estos frágiles organismos directamente en condiciones controladas de laboratorio en lugar de depender exclusivamente de secuencias genéticas fragmentadas dragadas de sedimentos oceánicos.

## Key facts

- Microbiólogos marinos dirigidos por Hiroyuki Imachi, Masaru K. Nobu y Satoshi Nakagawa lograron aislar y cultivar dos cepas pertenecientes a la clase Heimdallarchaeia. - El equipo de investigación representa una colaboración entre la Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC) y la Kyoto University. - Heimdallarchaeia pertenece al superfilo de arqueas Asgard, un antiguo linaje de organismos unicelulares que, según indican los datos genómicos, dio origen a los eucariotas. - Los eucariotas comprenden todos los organismos que poseen núcleos celulares delimitados por membranas, lo que incluye a todos los animales, plantas, hongos y protistas. - El cultivo de estos organismos supera graves obstáculos biológicos, ya que las arqueas Asgard suelen dividirse solo una vez cada pocas semanas y requieren condiciones de crecimiento sintróficas y anaeróbicas estrictas.

## What happened

Según informa phys.org, el consorcio científico liderado por la Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC) y la Kyoto University logró el cultivo prolongado en laboratorio y el aislamiento de dos cepas distintas de Heimdallarchaeia. Antes de este trabajo, Heimdallarchaeia se había detectado casi exclusivamente mediante la secuenciación de ADN ambiental —una técnica conocida como metagenómica—, lo que dejaba a los científicos sin especímenes físicos vivos para observar el comportamiento celular, la actividad metabólica y las estructuras físicas.

El cultivo de organismos procedentes de sedimentos marinos profundos plantea extraordinarias dificultades experimentales. Muchas de estas arqueas de ramificación profunda existen en entornos con una limitación extrema de energía en las profundidades del lecho marino. En estos hábitats, las células microbianas tienen tiempos de duplicación que abarcan semanas o meses, en comparación con el tiempo de duplicación de aproximadamente veinte minutos de bacterias de laboratorio comunes como Escherichia coli. Su cultivo requiere recrear condiciones químicas, térmicas y biológicas precisas, lo que a menudo exige la presencia de microbios acompañantes —conocidos como socios sintróficos— que consumen productos de desecho metabólico como hidrógeno o formiato para hacer viables las reacciones termodinámicas.

La investigación dirigida por Imachi, Nobu y Nakagawa se basó en años de protocolos metódicos de cultivo diseñados para adaptar organismos marinos de crecimiento lento a sistemas estables de biorreactores. Al lograr incorporar con éxito las cepas de Heimdallarchaeia a cultivos de laboratorio viables, los investigadores obtuvieron líneas celulares físicas que pueden someterse directamente a microscopía electrónica de alta resolución, perfiles metabolómicos, análisis bioquímicos y manipulaciones experimentales controladas.

## Why it matters

La transición de microbios unicelulares simples que carecen de compartimentos internos a células eucariotas complejas con núcleos, orgánulos y sistemas de endomembranas representa uno de los acontecimientos evolutivos más trascendentales en los 4.500 millones de años de historia de la Tierra. Todos los organismos pluricelulares que han existido —desde las secuoyas hasta las ballenas azules y los seres humanos— son eucariotas. A pesar de décadas de estudio intensivo, la secuencia mecanicista de acontecimientos que produjo la célula eucariota ancestral, un proceso denominado eucariogénesis, sigue siendo uno de los mayores enigmas sin resolver de la biología.

El exitoso aislamiento de Heimdallarchaeia vivas proporciona la base experimental necesaria para poner a prueba hipótesis largamente debatidas sobre esta transición. Si bien los análisis genómicos han demostrado que las arqueas Asgard poseen proteínas distintivas de eucariotas —genes que en el pasado se creía que solo existían en células complejas, incluidos los responsables de la remodelación de membranas, la degradación de proteínas mediada por ubiquitina y las redes de actina del citoesqueleto—, los científicos solo podían especular sobre lo que estas proteínas hacían realmente en el interior de una arquea. La observación de Heimdallarchaeia vivas permite a los biólogos celulares comprobar si estos microbios generan protuberancias de membrana complejas, forman sistemas primitivos de transporte de vesículas o engullen físicamente a otros microbios.

Asimismo, contar con cepas cultivadas permite a los investigadores zanjar controversias metabólicas sobre cómo se formó originalmente la asociación entre un hospedador arqueano y el ancestro bacteriano de las mitocondrias. Comprender si estos organismos consumen oxígeno, metabolizan hidrógeno o dependen de compuestos de carbono orgánico aclara las condiciones ambientales que prevalecían cuando el linaje eucariota se diversificó hace aproximadamente dos mil millones de años. Para las industrias farmacéutica y biotecnológica, nuevas enzimas derivadas de estas arqueas ancestrales de entornos extremos también podrían proporcionar biocatalizadores resistentes capaces de funcionar en condiciones fisiológicas e industriales inusuales.

## The background

Durante décadas, los manuales de biología clasificaron toda la vida terrestre en tres dominios primarios, un sistema propuesto por el microbiólogo Carl Woese en 1977 a partir de comparaciones de ARN ribosómico: Bacteria, Archaea y Eucarya (denominado posteriormente Eukaryota). En el paradigma de los tres dominios de Woese, Archaea y Eukaryota compartían un ancestro común que excluía a Bacteria, pero representaban troncos evolutivos paralelos que divergieron hace miles de millones de años.

Ese consenso comenzó a cambiar rápidamente en 2015, cuando un equipo internacional de investigación descubrió secuencias genómicas de una nueva arquea en muestras de sedimentos recogidas cerca de Loki's Castle, un campo de fuentes hidrotermales situado en la dorsal mesoatlántica ártica entre Groenlandia y Noruega. Bautizado como Lokiarchaeota, este microbio contenía una cantidad sin precedentes de genes estrechamente relacionados con los hallados en eucariotas. Posteriores secuenciaciones ambientales en lodos costeros, aguas termales y fosas oceánicas profundas revelaron linajes relacionados, denominados colectivamente superfilo Asgard en honor a deidades de la mitología nórdica: Thorarchaeota, Odinarchaeota y Heimdallarchaeia.

Las reconstrucciones filogenéticas mostraron de forma creciente que los eucariotas no formaban un tercer dominio independiente de la vida, sino que anidaban directamente dentro del superfilo Asgard, un modelo estructural conocido como el árbol de dos dominios. Entre los grupos de Asgard, Heimdallarchaeia surgió sistemáticamente en varios análisis computacionales rigurosos como la rama específica más estrechamente emparentada con el linaje eucariota.

A pesar de la oleada de descubrimientos genómicos, las arqueas Asgard seguían siendo espectros biológicos, ya que ninguna había sido observada ni cultivada en forma pura. Eso cambió en 2019 y 2020, cuando un equipo dirigido por Imachi y Nobu publicó un artículo histórico que documentaba el cultivo de la primera arquea Asgard, Prometheoarchaeum syntrophicum, aislada de sedimentos de emanaciones de metano en aguas profundas recolectados frente a la costa de Japón en la Nankai Trough. Ese proyecto de cultivo requirió más de doce años de paciente trabajo de laboratorio con un biorreactor especializado de flujo continuo alimentado con metano. Se descubrió que Prometheoarchaeum, perteneciente a Lokiarchaeota, dependía de un socio simbiótico para consumir hidrógeno y presentaba unos tentáculos celulares ramificados y singulares que podrían haber ayudado a las arqueas ancestrales a atrapar físicamente al progenitor bacteriano de la mitocondria. Sin embargo, dado que los árboles filogenéticos sugerían que Heimdallarchaeia podría situarse aún más cerca de los eucariotas que Lokiarchaeota, el cultivo de integrantes de Heimdallarchaeia continuó siendo el objetivo primordial para los investigadores de los orígenes celulares.

## Reaction

Se espera que la comunidad científica en general, en particular en los ámbitos de la biología evolutiva, la sistemática filogenética y la microbiología del subsuelo profundo, considere el cultivo de Heimdallarchaeia como un hito de trascendencia comparable al cultivo de Prometheoarchaeum syntrophicum en 2019. Se prevé que se lleven a cabo evaluaciones formales por pares y análisis comparativos en los principales congresos científicos internacionales y revistas académicas especializadas en evolución microbiana y biología celular.

Los teóricos evolutivos que han debatido diferentes escenarios sobre la eucariogénesis —como el modelo de "mitocondria temprana" frente a la hipótesis de la "arquea fagotrófica"— recurrirán a los datos morfológicos y metabólicos de estos cultivos para respaldar o refutar sus planteamientos. Se espera que las instituciones académicas dedicadas a la exploración de la biosfera profunda, incluidos centros de investigación marina de Europa, América del Norte y Asia Oriental, examinen los parámetros de cultivo utilizados por el consorcio JAMSTEC-Kyoto para intentar replicarlos y adaptar protocolos similares a otros linajes marinos no cultivados.

## What we don't know yet

Si bien el aislamiento de las dos cepas representa un gran avance experimental, importantes aspectos de la maquinaria celular y de las implicaciones evolutivas de estos organismos siguen sin resolverse en esta comunicación inicial. Las descripciones fenotípicas completas —incluidas imágenes detalladas de microscopía electrónica de transmisión de la envoltura celular, la compartimentación interna y las estructuras de membrana— requieren una publicación exhaustiva y validación comparativa.

Además, los requisitos específicos de crecimiento, las tasas de duplicación y el conjunto completo de entradas y salidas metabólicas para estas dos cepas concretas de Heimdallarchaeia aún no se han detallado por completo en los informes disponibles al público. Queda por verificar si estas cepas requieren asociaciones sintróficas obligadas con bacterias reductoras de sulfato o metanógenos, al igual que ocurrió con Prometheoarchaeum, o si disponen de vías metabólicas autónomas. Lo más decisivo es que aún no se ha determinado si estas células vivas exhiben de manera activa endocitosis de tipo eucariota, gemación de vesículas o motilidad impulsada por el citoesqueleto, atributos centrales que se postulan como facilitadores de la eucariogénesis temprana.

## What to watch

La atención inmediata se centrará en los próximos artículos de investigación revisados por pares y en los conjuntos de datos suplementarios que detallarán la caracterización física, metabólica y genómica integral de las dos cepas cultivadas. Lectores e investigadores deberán estar atentos a los estudios estructurales que utilicen criotomografía electrónica, los cuales revelarán la arquitectura interna de los organismos con una resolución casi atómica y sin los artefactos introducidos por la fijación química.

Otro indicador clave del impacto científico será si otros laboratorios internacionales pueden reproducir de forma independiente las condiciones de cultivo u obtener cultivos semilla viables de JAMSTEC y de la Kyoto University para realizar investigaciones paralelas. Los observadores también deberán estar atentos a los próximos simposios internacionales de biología evolutiva y a las reuniones de la International Society for Evolutionary Protistology, donde se presentarán análisis filogenéticos comparativos que incorporen estos aislados vivos para resolver el debate en curso sobre el orden exacto de ramificación topológica del árbol de la vida de dos dominios.

La información para este artículo se basa en material original publicado por phys.org.