Comparteix el sol amb mi

Ets una cèl·lula i t’interessa connectar amb un company fotosintètic i adquirir els seus plastidis. Sembla fàcil, però clar, has d’afegir aquest company al teu funcionament, aprofitar la seva producció d’energia i mantenir el teu endosimbiont content per controlar el seu ADN. Doncs fins ara només havíem parlat de mircroorganismes però l’evolució té molta imaginació. Algunes criatures han aconseguit trobar un company fotosintètic i s’han associat d’una manera molt creativa. Una de les criatures és el llimac marí, i l’altra, és la salamandra tacada.

La Elysia chlorotica és un llimac marí que xucla una alga filamentosa, la Vaucheria litorea, i reté els plastidis de les algues dins les seves pròpies cèl·lules, sota l’epidermis. El llimac pot sobreviure durant mesos gràcies a la fotosíntesi dels plastidis “robats” pels sucres que produeixen. Una bona estratègia perquè els plastidis segueixen funcionant dins el llimac durant gairebé un any, i tot el que ha de fer el llimac és menjar de tant en tant una mica més d’algues per reposar l’estoc. Ara bé, la pregunta és, si el llimac conserva només els plastidis de la seva presa-alga i no manté el nucli de les algues on hi ha la major part dels gens, com és que els plastidis segueixen funcionant dins de les cèl·lules del llimac? La resposta és que molts gens de l’alga ja estan integrats en l’ADN el llimac doncs han estat transferits horitzontalment i permet al llimac fer rutllar els plastidis de l’alga perquè faci fotosíntesi durant mesos. I a gaudir del sol!

oophila

Embrions de salamandra amb algues verdes polissontes. R. Hangarter.

L’altra gran experta en algues és la salamandra Ambystoma maculatum que prefereix les algues verdes, sobretot la Oophila amblystomatis. L’associació simbiòtica entre la salamandra i l’alga es coneixia des de fa molt de temps però es pensava que era externa. Quan es van mirar de prop els embrions de la salamandra, es van adonar que, tant els embrions com la càpsula de gelatina que els envoltava, tenien un color verd. El color és degut a l’alga, a la Oophila. Primer es va pensar que hi havia una simbiosi entre l’embrió i les algues que vivien a fora, però varen demostrar que les algues es trobem dins de les cèl·lules de tot el cos de la salamandra i dels embrions. Fins i tot les varen trobar en els oviductes de la femella, on es formen els embrions, cosa que apunta a què les algues simbiòtiques de la mare passen a la descendència durant reproducció. És el primer exemple d’una coexistència tan estreta entre un vertebrat i un organisme fotosintètic.

És un misteri com es mantenen les algues simbionts dins de les cèl·lules de salamandra. Les cèl·lules dels vertebrats tenen una mena de sistema immune que destrueix el material biològic que considera “estrany” i per tant es pensava que era impossible que un simbiont pogués viure de manera estable dins d’elles. Però, en aquest cas, o bé el sistema immunològic de la salamandra està apagat o les algues l’han anul·lat. Tampoc es coneix com es va originar aquesta relació, però, evidentment, és beneficiosa per les dues parts. Les algues subministren productes de la fotosíntesi, oxigen i hidrats de carboni, directament a les cèl·lules de salamandra i aquestes ajuden al creixement de les algues. També s’ha vist que els embrions que no tenen algues en la gelatina que els envolta triguen a eclosionar, tot el contrari dels embrions feliços, que produeixen compostos que són útils per a les algues i les algues creixen i augmenten el contingut d’oxigen a l’aigua propera als embrions a mesura que es desenvolupen. Res, quid pro quo.

Atrapa’m, si pots!

Quan dos organismes diferents viuen associats i cadascú en treu un benefici parlem de simbiosi.

El món està ple de simbiosi. L’anémona de mar i el peix pallasso, els pins i els rovellons, els corals i les dinoflagel·lades. Són dues especies que juguen en equips i lligues diferents però estableixen relacions a llarg termini i se’n beneficien tots dos. Hi ha qui porta això a l’extrem. Hi ha organismes que estan dins les cèl·lules o dins de teixits d’un altre, és l’endosimbiosi. Sembla estrany, oi? però de fet l’endosimbiosi és la millor invenció en l’evolució, doncs va donar lloc l’origen de les cèl·lules eucariotes. La incorporació d’una cèl·lula procariota dins una altra cèl·lula hauria originat orgànuls cel·lulars com els mitocondris i plastidis (aquests últims en les cèl·lules vegetals).

nines

Matrioixques o nines russes. A l’interior de cada nina, hi ha una altra nina més petita, i així successivament.

Per què, ja posats a provar coses, si has d’incorporar algú dins teu, quin deu ser l’endosimbiont més profitós? Doncs integrar un generador d’energia, un endosimbiont fotosintètic. La hipòtesis és que fa uns 1,5 milions d’anys, una cèl·lula eucariota heteròtrofa va ingerir i retenir un cianobacteri fotosintètic de vida lliure. Així l’endosimbiont fotosintètic al llarg del temps va donar lloc als cloroplasts, que varen quedar totalment integrats en la cèl·lula d’acollida. Es pensa que aquest esdeveniment, l’ endosimbiosi primària, és la font de tots els plastidis coneguts. De fet les plantes i les algues són el producte d’aquests antiga fusió.

Ara bé, he dit primària perquè l’origen de plastidis d’altres grups d’eucariotes pot ser més complicat. Per què no adoptar una cèl·lula eucariota que ja conté un plastidi primari dins seu? Sembla que estiguem negociant els plastidis, oi?. Doncs si, hi ha plastidis secundaris en llinatges d’algues marines i, és clar, si atrapes una cèl·lula amb aquestes característiques, estàs incorporant una cèl·lula sencera, amb els seu nucli eucariota funcional. Pel mateix preu tens funcions d’un nucli extra! No es coneix bé quantes vegades ha passat això, però si es coneix que té un impacte gran en la diversitat dels organismes. Es pensa que més de la meitat de les cèl·lules eucariotes microbianes descrites, per exemple molts membres del fitoplàncton, han fet aquest camí.

Però no s’acaba aquí el tema. Què passa si una espècie dóna els seus plastidis secundaris a altres especies? Una endosimbiosi terciària. Hi ha algunes especies de dinoflagel·lades que ja tenien un plastidi secundari però que el van descartar per un de nou, incorporant altres algues, com ara diatomees. Uf! Que complicat és seguir l’intercanvi de plastidis en els eucariotes. Doncs encara s’ha de filar més prim. El tema és complica amb les espècies que varen incorporar i contenen plastidis i han perdut les seves capacitats fotosintètiques. Hi ha plantes que han abandonat la fotosíntesi i hi ha paràsits, com el de la malària, que tot i que no el necessiten, tenen restes de plastidis al seu interior. Perquè mantenir un plastidi fotosintètic, sinó el necessites? Deu ser que plastidi serveix per altres funcions? El fet que algunes espècies conservin plastidis, fins i tot després de perdre seva funció, és com haver de carregar amb una bombeta trencada, però fa entendre que aquests orgànuls adquirits tenen d’altres funcions. Per exemple, el paràsit de la malària no pot sobreviure a la sang sense el seu antic plastidi.

Es coneix que, en les endosimbiosi primàries, els gens que pertanyen al cianobacteri incorporat s’integren en el genoma de cèl·lula d’acollida, o fins i tot desapareixen completament. Els gens migren, l’endosimbiont perd certa autonomia i la cèl·lula d’acollida guanya una mica de control. Com a resultat d’aquest procés, els genomes dels plastidis actuals són insignificants mentre que el nucli de la cèl·lula d’acollida conté una enorme “empremta” endosimbiòtica en els seus gens. Ara imagineu espècies que van adquirir un plastidi secundari perquè varen incorporar tota una eucariota fotosintètica. Doncs hi ha onades de migració de gens, i aquesta vegada del genoma de l’endosimbiont algal a la cèl·lula d’acollida. Per tant, les espècies amb plastidis secundaris tenen els gens que van començar el seu viatge en un cianobacteri, després una migració cap un genoma nuclear i després cap l’ADN nuclear d’una nova cèl·lula d’acollida. I ara ja sabeu que també hi ha endosimbiosi terciària, oi? Resultat, doncs genomes encara més complexos. Ben bé un mosaic de gens.

Tot plegat es resumeix que amb el pas del temps, part dels gens dels endosimbionts es transfereixen al genoma de la cèl·lula d’acollida i l’associació entre dues espècies diferents explica com es poden aconseguir i perdre nous caràcters al llarg de l’evolució. La teoria endosimbiòtica, gràcies Lynn Margulis!

Secrets de família

arbre

Arbre. E. Tenedor.

Els microorganismes estan presents a tot arreu, a l’aigua, a l’aire, a la terra, fins i tot dins i fora del nostre cos. A la mar, la vida és majoritàriament microbiana i el paper dels microorganismes marins és tan rellevant que ens cal entendre que fan. Ara bé, molts d’aquests microorganismes no creixen al laboratori, i ho tenim difícil per saber quantes espècies hi ha, qui són i com viuen. És un món que sabem que hi és, però no hi podíem arribar-hi d’una manera fàcil.

El microscopi va obrir una nova perspectiva sobre aquesta vida “invisible” i és així que durant el segle XX els investigadors es varen adonar que la diversitat del món dels microorganismes era més gran del que es pensava i per tant l’arbre de la vida, el símbol per explicar les relacions entre els organismes i l’evolució de les diferents espècies, no estava ben representat.

Tot i la microscòpia, molts microorganismes no tenen una morfologia particular que ens ajudin a saber qui són, per tant només s’han investigat, amb gran esforç, algunes especies dels grups existents. Actualment, arribem a conèixer els microorganismes amb la seqüenciació del seu ADN. Tothom coneix la tècnica de seqüenciació, oi? la biologia forense és un camp aplicat molt famós (gràcies CSI!). Comparar la mateixa peça d’ADN dels diferents organismes ens permet saber si són parents. Amb aquestes seqüencies, podem omplir i endreçar l’arbre de la vida. Així que nosaltres, a la feina, fem arbres. Com en una genealogia on es representa un arbre, la soca és un avantpassat i les ramificacions, els seus descendents.

Heu de saber que posar ordre a les branques de l’arbre de molts microorganismes marins no ha estat possible fins ara. Això ha estat possible gràcies a les tècniques moleculars que s’han desenvolupant de tal manera que ara podem desxifrar l’ADN d’una sola cèl·lula. Només d’una! I això és fantàstic perquè moltes algues que ens interessen no creixen al laboratori. De fet no sabem què els hi agrada per viure. Ara, només que pesquem una cèl·lula, ja podem saber qui és. Ah! però no és tot tan bonic com sembla. Les algues tenen entre 10 i 30 micres de diàmetre o, el que és igual, entre 0.01 – 0.03 mil·límetres. El mèrit de tot plegat és agafar una sola cèl·lula viva de 0.02 mil·límetres que, a més, neda! Ah! i aquell dia millor no prendre cafè de bon matí!

Es donava el cas que hi havia tot un seguit de microalgues amb pocs caràcters morfològics que només s’havien observat i classificat al microscopi. L’Albert, un dels estudiants de doctorat del meu grup, va veure que aquestes microalgues, amb noms i cognoms diferents, tenien un “cert aire de família” i es va posar a fer feina. Va aïllar cèl·lules individuals i les va seqüenciar. Ja us podeu imaginar la feinada que és!  Però, quin bon ull! Les microalgues “pescades” es seqüenciàvem per primera vegada i amb les dades a la mà, vàrem ser capaços de construir l’arbre de família. Vàrem veure que les algues eren parents i les relacions de família estaven molt embolicades. De la mateixa manera que es demostra que aquell fill és d’un altre pare, vàrem veure que els noms i cognoms de les especies eren totalment incorrectes. S’havia de posar ordre. Així que vàrem establir la seva nova família i no només això, que com que tot estava tot tan embolicat, també vàrem definir tot el clan familiar!

La troballa ens permet reorganitzar la diversitat de les algues, però, a més a més, el tema és força sorprenent! Les algues no les vàrem pescar en un lloc remot, poc accessible i poc estudiat. No. Les algues són de la costa Mediterrània, una àrea ben estudiada, o això ens pensàvem! Estem molt contents! Tot i així, sabem que el que hem fet és només una gota a l’oceà, així que continuarem amb la feina de resoldre més secrets, que n’hi ha molts!

———————————————————————————————————————————————————————

01/10/2013 Avui em fa il·lusió actualitzar l’entrada. M’ha arribat un article on llegim l’opinió de’n Ramon Margalef de com anomenem les espècies noves. Precisament parla del Ceratoperidinum margalefii (=yeye), un dels organismes que està inclòs en la nova família caracteritzada i que, de fet, ell va definir inicialment. Vegeu el paràgraf on R. Margalef parla amb en F. Español (pàgina 14):

“Molta gent creu que descriure espècies noves i sobretot, batejar-les, és el súmmum per a un zoòleg. La tria dels noms probablement vol dir alguna cosa sobre la personalitat del naturalista. Linné escriu de com s’han d’escollir i de com no s’han d’escollir els noms, i tots recordem el seu rebuig dels noms massa llargs (“sesquipedalia”). Jo vaig descriure un Ceratoperidinium yeye, per veure substituït el yeye per un margalefi per un altre autor, amb l’argument tècnic de que no havia donat una descripció en llatí, però notant també que l’epítet no era seriós. I què és seriós? Coccothraustes coccothraustes igual pot suggerir un ocell que un grup de rock. En un treball sobre plàncton del Oceà Índic, veig que allí hi ha un copèpod que es diu Bestiola similis. Llongi Naves fou també diguem, pintoresc en donar noms. I vos?”

Un altre secret de família que no coneixia!

L’embolic del sexe

1098185_556505677731006_528136385_n

La parella. Q. Dasquens.
http://quimdasquens.blogspot.com.es/

Penseu que discutir amb el sexe contrari és complicat? Imagineu tenir 7 sexes i 21 combinacions possibles!

La Tetrahymena thermophila és un ciliat que té 7 sexes. Per tant, una cèl·lula d’un sexe de la Tetrahymena pot aparellar-se amb individus de qualsevol dels altres set tipus amb excepció del seu propi. Els fills no han de tenir el mateix sexe que el dels pares i poden ser qualsevol dels set. Definir el sexe en la majoria dels animals sol ser senzill. Un ésser humà amb dos cromosomes X és femení, mentre que XY és masculí i ja sabem com i qui decideix això. Però el ciliat en qüestió té un sistema ben diferent que s’acaba de descobrir. Cada cèl·lula de Tetrahymena conté versions dels set gens que corresponen al tipus d’aparellament: I, II, III, IV, V, VI i VII. Després de la fertilització, es tria el sexe del fill d’una manera sorprenent. De totes les versions dels gens que governen el tema, només un parell es fusionen i formen un gen complet i funcional. Les altres sis versions s’eliminen. Això requereix programació i reordenació d’ADN, o sigui: copia, enganxa, mou, retalla i esborra. Caram!

Ara bé, hi ha qui no es complica la vida! Algunes espècies de rotífers, un grup d’animals microscòpics aquàtics, han sobreviscut durant milions d’anys sense sexe. De fet el sexe en biologia és una paradoxa: té un alt cost, el de produir un mascle, i és complicat i perillós, buscar parella pren temps i energia i té riscs. I després de tot, l’aparellament podria ser infèrtil! Per què prendre’t la molèstia? Doncs perquè malgrat el cost, es creu que les espècies amb reproducció sexual persisteixen en el temps, mentre que les que només tenen reproducció asexual s’extingeixen ràpidament. La combinació de l’ADN d’ambdós pares crea la diversitat genètica que les poblacions necessiten per adaptar-se a l’ambient que les rodeja (recordeu la Reina Roja?). O sigui, no hi a cap avantatge a no tenir sexe, evolutivament parlant, és clar.

Així doncs, com és que els rotífers no han desaparegut? Hi ha més de 460 espècies i han aconseguit sobreviure al llarg del temps. Com aconsegueixen diversificar-se sense sexe?. S’ha descobert que el genoma de la Adineta, un rotífer, és incompatible amb processos sexuals com la meiosis, però el genoma conté una quantitat insòlita de ADN d’altres organismes. Aquest ADN podrien ser gens “robats” a d’altres organismes! Ja és coneguda la transferència horitzontal de gens en els bacteris, doncs els gens poden saltar fàcilment d’un a l’altre, però és molt estrany la transferència horitzontal en animals. Potser aquesta fracció ajuda a mantenir les poblacions genèticament diverses i adaptables?

Desprès d’aquests dos casos extrems, les algues no són ni tan simples ni tan complicades. Per exemple, les diatomees es divideixen sobretot asexualment i només en moments concrets entren en el cicle sexual. L’avantatge del sexe en les diatomees no és només aconseguir recombinació genètica, n’hi ha un altra. Quan creixen hi ha una reducció de mida i de tant crèixer poden arribar a una mida tant petita que la població es mor. La manera de recuperar la mida normal és la reproducció sexual. Així que, en el laboratori, les diatomees aïllades, solitàries i sense creuar es moren, perquè necessiten trobar la seva parella!

Alícia, la reina i el gat

Alice2

Well, in our country,” said Alice, still panting a little, “you’d generally get to somewhere else — if you run very fast for a long time, as we’ve been doing.”

A slow sort of country!” said the Queen. “Now, here, you see, it takes all the running you can do, to keep in the same place. If you want to get somewhere else, you must run at least twice as fast as that!

El diàleg és del conte “A través del mirall” d’Alícia al País de les Meravelles, on l’Alícia i la Reina corren per quedar-se al mateix lloc.

Podríem adaptar la idea al món actual, doncs sembla que tot s’ha convertit en una gran cursa, però la idea de seguir funcionant només per romandre al mateix lloc està adoptada en el terreny de la biologia evolutiva. El biòleg Leigh Van Valen va utilitzar el model de la Reina Roja per descriure l’evolució que s’estableix entre els organismes i el seus enemics quan estan en plena guerra. Són dinàmiques, com la competència o la depredació, que s’estableixen entre les preses o els hostes amb els seus virus, bacteris, depredadors o paràsits.

Per exemple, en un model hoste i paràsit, l’hoste ha de córrer evolutivament per evitar ser superat pel seu paràsit, però és clar, l’enemic també està en marxa. Per tant, es pot suposar que els paràsits imposaran una selecció d’hostes resistents, mentre que els hostes seleccionaran una millor infectivitat dels paràsits. Aquesta selecció recíproca dóna lloc a la coevolució, amb canvis continus tant de l’hoste com del paràsit. I com es donen aquests canvis? La Reina Roja prediu que la recombinació genètica i la reproducció sexual poden ser suficients per permetre que els organismes d’una determinada espècie es puguin adaptar al que passa al seu entorn.

Al laboratori treballem amb un model hoste i paràsit. Utilitzem diferents especies de dinoflagel·lades com a hostes i una flagel·lada paràsita que les infecta. Els nostres experiments concorden amb el que el model de la Reina Roja prediu. Les dinoflagel·lades presenten dues fases en el seu cicle de vida, l’asexual i la sexual. Quan exposem les dinoflagel·lades al paràsit, aquestes tendeixen a seguir el camí de la sexualitat i s’afavoreix un genotip resistent en front l’enemic. Amb la reproducció sexual, els gens es van remodelant en cada generació. És una dinàmica de selecció a nivell d’espècie, gradual i continua, on el sistema, a la llarga, roman estable.

A nivell genètic, però, la competència entre dos organismes i la coevolució pot adoptar altres formes diferents. En comptes d’aquesta dinàmica gradual, es poden fixar mutacions avantatjoses de manera successiva. Imagineu que els paràsits evolucionen produint armes eficaces per infectar. A la vegada, els seus hostes han de contrarestar aquests avenços amb antídots. En aquest cas es parla de la “cursa armamentista” (continuem amb termes bèl·lics!). Aquest tipus de coevolució té conseqüències radicalment diferents al model de la Reina Roja. La cursa armamentística condueix a una evolució ràpida dels gens involucrats. La contrapartida de seguir aquesta estratègia és que aquesta “cursa” no creix fora de control, ni els organismes es transformen en màquines perfectes de “captura-fugida” perquè tenir estratègies de lluita suposa un altre cost per l’organisme, per exemple, una disminució de l’èxit reproductiu. Ara, amb els cultius de laboratori, estem treballant per esbrinar quins costos tenen els hostes, metabòlics o de creixement, per exemple, quan els exposem als paràsits.

Ara bé, a part de la contribució dels factors genètics, la interacció entre dos organismes depèn dels trets fenotípics, els caràcters visibles que presenta l’organisme. Si tornem de nou a l’Alícia, recordareu que tenia un amic, el gat de Cheshire, el gat que apareix i desapareix. L’exemple biològic d’aquesta estratègia correspon a una microalga i el seu virus. Les microalgues tenen dues formes en el seu cicle de vida, que són radicalment diferents en com són i que fan, són les fases de reproducció asexual i sexual. Els virus infecten de manera molt efectiva a les microalgues quan estan en la fase de creixement. Però, quan els virus les comencen a atacar, les cèl·lules canvien cap a l’altre fase del seu cicle de vida. Amb aquest canvi, els virus no reconeixen la nova forma de la microalga i no la poden infectar. Com el gat de l’Alicia, la microalga desapareix literalment de la vista del virus per evitar la infecció, i es per això que els investigadors varen anomenar la estratègia d’amagar-se: “el gat de Cheshire”.

Manllevar idees i conceptes dels contes ens ajuda a explicar processos biològics quan tenen certa semblança. Ara, per un moment, penseu en sistemes complexes existents: internet, l’economia, estructures socials, estructures empresarials i organitzatives. Aquests sistemes encara que no siguin biològics, tenen els seus paràsits, virus, depredadors… els models teòrics d’abans també serveixen per aquests sistemes. Quina estratègia ha de seguir l’hoste per sobreviure? Intentar seguir una dinàmica d’equilibri per fer-se resistent? Dedicar recursos per lluitar contra del seu enemic? Canviar perquè la estratègia del teu enemic no t’atrapi?

Ens hem passat la setmana pensant i discutint la millor estratègia.

Les meves postres preferides: tatín de poma

Heu tastat una poma una poma silvestre? puaj!

Resulta que les pomes modernes (Malus domestica) que comprem estan més relacionades amb les pomes silvestres que amb altres espècies antigues amb millor gust.

La poma és la fruita més comuna i important de zones temperades, però el seu origen i la seva historia de selecció de varietats no està gens clara. Les pomes es va originar a l’ Àsia central, on hi ha una increïble varietat en sabor i mida. Després, es van estendre durant molt de temps al llarg de la Ruta de la Seda. Es coneix que els romans van portar pomes dolces des de l’oest d’Àsia a Europa i les utilitzaven per fabricar la sidra. Però, a partir d’aquí, la historia de la selecció de la poma es perd.

3791-malus-domestica-goldstar-jablon

Malus domestica

El que han fet els científics ara és analitzar fragments d’ADN de mostres de pomes de cinc espècies que van des d’Espanya fins a la Xina per entendre si va haver creuament de les primeres pomes amb d’altres de silvestres presents al llarg de la Ruta de la Seda.  El que han trobat és que les pomes modernes van ser selecionades per primera vegada a partir de pomes silvestres d’Àsia, però també hi van haver força creuaments posteriors amb moltes altres varietats de pomes silvestres en el camí des d’Àsia cap Europa Occidental. Això podria ser degut a que s’havien de seleccionar arbres amb resistències, per exemple a malalties. Per tant, una part força important del genoma de les pomes modernes prové de les silvestres, primer de l’asiàtica i després d’altres varietats. I tot això amb empelts!

L’exemple em fa pensar, doncs, que hauríem de conservar les especies silvestres com a patrimoni genètic perquè poden contenir recursos encara sense utilitzar, com ara gens de resistència a malalties o gens que codifiquen característiques com el tacte, gust o olfacte que desconeixem.

mmm, quina olor! la tatín ja està feta!