Un equipo internacional de científicos de Mainz, Valencia, Madrid y Zúrich ha publicado un estudio en las Proceedings of the National Academy of Sciences que arroja luz sobre uno de los momentos más significativos en la historia de la evolución de la vida en la Tierra: el origen de la célula eucariota. Este avance se enmarca dentro de la teoría endosimbiótica, ampliamente aceptada, que postula que la unión de un arquea y una bacteria dio lugar a una nueva forma de vida, aunque los miles de millones de años transcurridos desde entonces han dificultado la identificación de los intermediarios evolutivos en el árbol filogenético, dejando un vacío en nuestro conocimiento que se conoce como el «agujero negro» de la biología.
El Dr. Enrique M. Muro, representante de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz, señala que el nuevo estudio es una combinación de enfoques teóricos y observacionales que busca comprender cuantitativamente cómo la arquitectura genética de la vida se transformó para permitir un aumento de la complejidad. Este trabajo ha analizado 9,913 proteomas y 33,627 genomas, hallando que las distribuciones de longitudes de proteínas y de sus genes correspondientes siguen distribuciones logarítmicas en todo el árbol de la vida.
Un cambio crítico en la evolución
Los investigadores modelaron la evolución de las distribuciones de longitud de los genes como procesos estocásticos multiplicativos, comenzando desde LUCA, el hipotético último ancestro común universal del que derivan las tres grandes divisiones de la vida: bacterias, arqueas y eucariotas. A partir de este punto, se descubrió que las longitudes medias de los genes han evolucionado de manera exponencial a lo largo del tiempo evolutivo en diferentes especies. Además, se identificó un mecanismo de crecimiento de genes que es invariante a escalas, donde la varianza depende directamente de la longitud media de las proteínas.
Los hallazgos indican que el crecimiento medio de las longitudes de los genes y de las proteínas se alinean en los procariotas, dado que casi no existen secuencias no codificantes en sus genes. Sin embargo, cuando la longitud media del gen alcanza los 1,500 nucleótidos, las proteínas se desacoplan del proceso multiplicativo de crecimiento de genes, estabilizándose en una longitud media de 500 aminoácidos, lo que marca la aparición de la célula eucariota. A partir de este momento, la longitud media del gen continúa aumentando, gracias a la presencia de secuencias no codificantes.
Un análisis de fenómenos críticos concluyó que se produjo una transición de fase a una longitud genética crítica de 1,500 nucleótidos, que marcó la eucariogénesis y dividió la evolución de la vida en dos fases distintas: una fase codificante (procariota) y otra no codificante (eucariota). Este fenómeno, bien conocido en la física de materiales magnéticos, también se observa en los primeros protistas y hongos, como apuntó el Dr. Fernando Ballesteros de la Universidad de Valencia.
La transición no solo es conceptual, sino que se describe como algorítmica. En la fase codificante, cercana a LUCA, con proteínas cortas, aumentar la longitud de las mismas era computacionalmente sencillo. Sin embargo, a medida que las longitudes de las proteínas crecían, la búsqueda de proteínas más largas se tornó inviable. Esta tensión provocada por el crecimiento simultáneo de los genes y la incapacidad de las proteínas para seguir el ritmo se resolvió abruptamente con la incorporación de secuencias no codificantes en los genes. Este acontecimiento, que ocurrió hace aproximadamente 2.6 miles de millones de años, permitió que el algoritmo para la búsqueda de nuevas proteínas redujera rápidamente su complejidad computacional, convirtiéndose en no lineal a través del spliceosoma y el núcleo, que separaron la transcripción y el empalme de la traducción.
El estudio no solo responde preguntas esenciales sobre la evolución de la célula eucariota, sino que también destaca la interdisciplina, combinando biología computacional, biología evolutiva y física. Dr. Muro enfatiza que tiene el potencial de interesar a una amplia audiencia y de servir como base para que otros grupos exploren diferentes avenidas de investigación, como la teoría de la energía o de la información. La célula eucariota, el mayor incremento de complejidad en la historia de la evolución de la vida en la Tierra, emergió como una transición de fase que abrió el camino hacia otras transiciones importantes, como la multicelularidad, la sexualidad y la sociabilidad, que han dado forma a la vida en nuestro planeta tal como la conocemos hoy.
