El secreto de una forma de vida capaz de alternar entre el estado unicelular y el pluricelular

La transición de los organismos unicelulares a los pluricelulares fue un paso importante en la evolución de las formas de vida complejas. Los organismos pluricelulares surgieron hace cientos de millones de años, pero los factores subyacentes en este acontecimiento siguen siendo un misterio.

Para investigar los orígenes de la multicelularidad, el grupo de Erika Pearce, del Instituto Max Planck de Inmunobiología y Epigenética en Friburgo (Alemania), recurrió al moho Dictyostelium discoideum, que puede existir tanto en estado unicelular como pluricelular, lo que la coloca en una posición biológica idónea para estudiar en él este paso evolutivo clave.

En el Dictyostelium discoideum, la alternancia entre estos estados tan diferentes depende de una sola cosa: el alimento.

Simplemente privando al D. discoideum de su suministro de nutrientes, Pearce, Beth Kelly y sus colegas lograron provocar que un conjunto de individuos unicelulares de esta especie se convirtiera en un agregado pluricelular, lo que les permitió examinar los factores que impulsan esta multicelularidad. El agregado se comporta como un organismo multicelular complejo; las células dejan de ser de un solo tipo y aparecen diversas clases de ellas, cada una especializada en una función. El agregado incluso se mueve como un todo. El D. discoideum multicelular acaba formando una espora protectora que permite a la población sobrevivir a la inanición.

La escasez de alimento induce en el D. discoideum un rápido estallido de producción de especies reactivas de oxígeno. Estas son pequeñas moléculas fabricadas por nuestras células, pero que también se utilizaban para la señalización en las primeras etapas de la historia evolutiva, antes de que existieran sistemas más complejos basados en receptores.

Sin embargo, cuando los niveles de especies reactivas de oxígeno son demasiado elevados, se vuelven perjudiciales, oxidando las proteínas y los ácidos nucleicos, lo que acaba provocando la muerte de las células. Por ello, un aumento de las especies reactivas de oxígeno suele ir acompañado de la producción de antioxidantes para contrarrestar los efectos dañinos de estas especies reactivas de oxígeno.

La escasez de nutrientes induce a los individuos unicelulares de Dictyostelium discoideum a congregarse y formar un organismo multicelular. (Foto: © MPI of Immunobiology and Epigenetics, B. Kelly)

En los experimentos del nuevo estudio, se observó que la producción del antioxidante glutatión aumentó para contrarrestar el aumento masivo de especies reactivas de oxígeno desencadenado a raíz de la escasez de nutrientes. Y se comprobó que cuando el equipo de investigación daba al moho hambriento una cantidad extra de glutatión, se obstaculizaba ese aumento de especies reactivas de oxígeno y, lo que es más importante, se detenía la formación del agregado pluricelular, manteniendo las células en un estado unicelular.

En cambio, cuando Pearce, Kelly y sus colegas bloquearon la producción de glutatión usando un inhibidor, encontraron que en vez de promover una agregación aún más rápida, eso la revirtió, manteniendo el estado unicelular por más tiempo. Esto sugería que alguna función del glutatión, además de la actividad antioxidante, estaba revirtiendo el proceso de agregación. Teniendo en cuenta que el glutatión se compone de solo tres aminoácidos (cisteína, glicina y glutamina), Kelly añadió cada uno de estos componentes por separado a las células hambrientas y descubrió que solo la cisteína podía revertir la agregación multicelular en el escenario de escasez de nutrientes.

¿Qué tiene de único la biología de la cisteína? Es uno de los dos únicos aminoácidos que contienen azufre, y este azufre es fundamental para una amplia gama de procesos en las células en proliferación. Se utiliza para fabricar nuevas proteínas, es vital para la actividad de las enzimas y apoya los procesos metabólicos para la producción de energía. Por lo tanto, la limitación de la cisteína limita el suministro de azufre, lo que ralentiza el crecimiento y la proliferación, e indica que no hay suficientes nutrientes para que estos procesos continúen. Para el Dictyostelium, esto significa que debe hacer la transición a un estado pluricelular, con el fin de formar una espora que pueda sobrevivir a este periodo de limitación de nutrientes, preservando la población.

Así pues, la pérdida de azufre es el paso decisivo hacia esta multicelularidad.

El azufre y el oxígeno eran comunes en un pasado lejano de la Tierra, incluyendo la época en la que aparecieron las primeras formas de vida pluricelular, y los resultados del nuevo estudio revelan cómo pudieron desempeñar un papel clave en los orígenes de la multicelularidad. (Fuente: NCYT de Amazings)