Entendiendo la evolución del metabolismo en los seres vivos

Entendiendo la evolución del metabolismo en los seres vivos.
Lorena Mariana Malpica Serrano
Se denomina metabolismo a todas las reacciones químicas que ocurren en una
célula u organismo. Este conjunto de reacciones actúan concertadamente para que la
célula u organismo realice todas sus funciones básicas, por ejemplo alimentarse,
alejarse de algún peligro, almacenar energía, sintetizar los componentes básicos de la
célula por ejemplo la membrana y los organelos y del organismo como los distintos
tejidos que lo conforman. Se sabe que en un principio las formas de vida más simples
que poblaron la Tierra tenían un metabolismo mucho más simple que el que podemos
observar en la actualidad en un sinnúmero de complejos organismos multicelulares.
Pero también sabemos, gracias a la teoría de la evolución, que todos los organismos
que existen actualmente provienen de un ancestro común, y este ancestro tenía un
metabolismo en particular que se fue mejorando y refinando y dando lugar a la gran
variedad de seres vivos que habitan la Tierra hoy en día.
A pesar de que en la actualidad en la Tierra se observa una enorme variedad de
seres vivos, el estudio meticuloso de sus características fisiológicas, bioquímicas y
moleculares ha arrojado que todos los seres vivos comparten ciertas características.
Por ejemplo la molécula esencial que codifica toda la información para formar un
organismo y que realice sus funciones básicas es el ADN, y tanto en bacterias como
en hongos, plantas o animales, el material genético es químicamente idéntico.
También hay una gran conservación en cuanto a las proteínas que sintetiza un
organismo por ejemplo en el grupo de los eucariontes (organismos con células
nucleadas) se encuentran grandes similitudes en la estructura y función de las
proteínas de levadura, humano o ratón. Asimismo las vías metabólicas que se
encargan de descomponer el alimento en energía están conservadas en muchos
organismos. Sin embargo, a pesar de lo mucho que se sabe respecto a la
conservación y características de distintas vías metabólicas los mecanismos mediante
los cuales evoluciona el metabolismo no se conocen en su totalidad. Algunas de las
preguntas más importantes que quedan por responder son: ¿Cómo surgen los genes
para funciones nuevas? ¿Qué genes tenía el último ancestro común? ¿Ha habido
pérdidas de genes o funciones? El organismo más estudiado es sin duda la bacteria
E. coli, se conoce la función del ochenta por ciento de sus genes, por lo tanto es en
esta bacteria y en sus parientes cercanos es donde más se ha estudiado la evolución
del metabolismo desde distintas perspectivas, por ejemplo estudiando las redes de
interacción entre las proteínas de la célula y los procesos metabólicos o estudiando las
interacciones entre los genes, cómo se regulan unos a otros y como responden al
medio ambiente. El trabajo del Dr. Lorenzo Segovia y su equipo está enfocado en
estudiar y entender cómo ha evolucionado el metabolismo en bacterias y para esto se
han dedicado a la tarea de caracterizar y comparar distintas redes metabólicas.
Existen dos modelos principales que explican la evolución del metabolismo,
ambos modelos proponen que las nuevas funciones metabólicas surgen cuando un
gen se duplica (esto puede ocurrir espontáneamente en el genoma), y al haber dos
copias del mismo gen en el genoma conforme pasa el tiempo cada copia adquiere una
función diferente volviéndose dos genes distintos cada uno con una función en
particular. Ahora bien, uno de los modelos se denomina el modelo “paso por paso”, lo
que este modelo propone es que cuando un substrato es escaso, al duplicarse el gen
que ocupa ese substrato el nuevo gen duplicado puede adquirir una función que le
permita proveer al gen original con el substrato que necesita. Por ejemplo
supongamos que el gene X necesita cierta sustancia z para realizar su función
bioquímica y dicha sustancia z es escasa en el medio, si el gen X se duplica el nuevo
gen que surja de esta duplicación, llamémoslo X2, evolucionaría hasta adquirir la
función de ser capaz de sintetizar z, de esta manera se propone que el metabolismo
fue tomando forma a partir del surgimiento de vías metabólicas que estaban
conformadas por un conjunto de pasos sucesivos.
El otro modelo se conoce como de “retazos” o “patchwork” en inglés, este
modelo propone que partimos de una enzima promiscua, es decir que puede catalizar
una gran variedad de reacciones. Cuando ocurre una duplicación, cada una de las
nuevas enzimas adquiere una función más específica, y de esta manera el
metabolismo se ha ido formando a partir del surgimiento de nuevas enzimas con
funciones más especializadas. Una de las conclusiones interesantes del trabajo del Dr.
Segovia y sus colaboradores es que estos dos modelos no son mutuamente
excluyentes, sino que al contrario se han complementado para dar lugar a un
metabolismo mucho más elaborado y complejo que el que tenía el último ancestro
común. Otra parte importante de su trabajo está relacionada con las rutas de síntesis
de aminoácidos. Los aminoácidos son los componentes básicos de las proteínas, se
conocen veinte aminoácidos que están presentes en todos los seres vivos y cada
organismo posee el conjunto de reacciones químicas que darán lugar a estos veinte
aminoácidos esenciales. Al estudiar a la bacteria E. coli
se observó que sus vías de
síntesis de aminoácidos diferían a las de muchos otros organismos, por lo tanto,
propusieron hacer un estudio comparativo que incluyera más organismos y de esta
manera tener una mejor idea de cómo surgió la síntesis de los distintos aminoácidos y
cuales estaban presentes en el último ancestro común. Encontraron dieciséis rutas de
aminoácidos compartidas entre los organismos que estudiaron y proponen que estas
vías estuvieron presentes en células antiguas antes de la separación de la vida en
procariontes, eucariontes y arqueas, que son las grandes ramas de la vida como la
conocemos hoy en día. Su trabajo resalta la importancia de tener un enfoque
integrativo de la biología y de incluir en la investigación organismos no modelo, sus
aportaciones son muy interesantes y podemos esperar contribuciones futuras de este
grupo al entendimiento de la evolución del metabolismo.