miércoles, 26 de octubre de 2016

Un nuevo vistazo al árbol de la vida en alta definición HD

Los microorganismos no cultivables 
aparecen en la nueva versión del árbol de la vida

El árbol de la vida (The tree of life) es uno de los  sistemas de organización de los seres vivos más importantes en biología. Los primeros intentos de clasificar los organismos en un “árbol de la vida” se basaba en sus características físicas y metabólicas. Con los métodos moleculares basados en la comparación de secuencias de genes aumentaron la diversidad de las ramas del árbol porque ya no era necesario la observación directa de los organismos. Hasta ahora estas comparaciones se limitaban a un gen, el de la subunidad pequeña del RNA ribosomal (SSU rRNA, small subunit ribosomal RNA). Para ello, a partir de una muestra de DNA del organismo, se amplificaba el gen SSU rRNA con oligonucleótidos (primers) específicos y universales (en principio para todos los organismos), se secuenciaba y se comparaba con las secuencias del mismo gen del resto de organismos. La comparación de las secuencias del gen SSU rRNA demuestra que la vida se organiza en tres líneas evolutivas, denominadas dominios: BacteriaArchaea (que representan células procariotas, es decir sin núcleo), y Eukarya (células eucariotas, con núcleo). Este árbol filogenético universal reveló dos hechos evolutivos importantes: no todos los procariotas están estrechamente relacionados desde el punto de vista evolutivo, y el dominio Archaea presenta una relación más próxima al dominio Eukarya que al dominio Bacteria.


El árbol filogenético universal, basado en la comparación de las secuencias del gen SSU rRNA.

Sin embargo, este método también tienen sus limitaciones. Por una parte, existen muchos organismos en la naturaleza (sobre todo microbios) que todavía no somos capaces de cultivar en el laboratorio y no los podemos aislar y de los que hasta ahora no teníamos información sobre ellos (la “materia oscura” del mundo microbiano). Por otra, los primers no son tan universales como se creía al principio: existen organismos cuyas secuencias divergen de esos primers universales y no podemos tener información sobre su gen SSU rRNA.

Existen más de 30.500 genomas secuenciados de los tres dominios de la vida, Bacteria, Arquea y Eukarya (datos de septiembre de 2015).

La metagenómica se basa en la secuenciación masiva de todo el DNA de una muestra ambiental. El resultado son cientos de miles de secuencias de fragmentos del genoma. Luego, nuevos métodos bioinformáticos permiten enlazar esos fragmentos (como un puzle) y completar (o casi completar) la secuencia de todo el genoma de un organismo concreto. Con esta técnica no es necesario aislar el organismo, no tenemos necesidad de cultivarlo en el laboratorio. Ni siquiera es necesario tener un genoma de referencia previo para compararlo. Además, esta aproximación genómica nos proporciona información sobre el potencial metabolismo del organismo, información que puede ser empleada para relacionarlo con el resto de organismos y clasificarlo.

Ahora, un grupo de californianos (junto con algún japonés) han empleado la tecnología metagenómica para proponer una nueva versión del árbol de la vida en alta definición, como si viéramos el árbol con una mayor resolución. Y el resultado es muy interesante.

Han construido su árbol de la vida usando unos 2.000 genomas completos obtenidos de bases de datos públicas más otros 1.011 nuevos genomas reconstruidos a partir de muestras de DNA obtenidas de diferentes ambientes. Estos eran por tanto genomas de organismos no cultivados en el laboratorio. Las muestras de DNA las han obtenido de varios ecosistemas: un sistema acuífero superficial, simas profundas marinas del Japón, cortezas salinas del desierto de Atacama, suelo de verdes praderas californianas, un geiser rico en CO2 y hasta de la boca de un par de delfines (como ves los autores se han divertido de lo lindo en la fase de recogida de muestras).

Una vez obtenidas las secuencias de DNA y montados los genomas, compararon las de 16 proteínas ribosomales de cada organismo. De esta forma, obtuvieron un árbol en HD (alta definición), con mucha mayor resolución que los árboles clásicos obtenido al comparar una sola secuencia del gen 16S rRNA. Usaron secuencias de proteínas ribosomales para evitar artefactos que se podrían originar si se emplean genes con funciones distintas y sujetos a diferentes procesos evolutivos. Además, los genes ribosomales siempre están localizados juntos en una pequeña región del genoma en Bacteria y Archaea. Para la construcción del árbol se incluyeron un representante por género de todos los géneros para los que existe un genoma completo secuenciado (o al menos un borrador de alta calidad).

En esta nueva versión del árbol de la vida se han incluido 3.083 organismos.


El nuevo árbol de la vida en alta definición. Incluye 92 phyla de Bacteria, 26 de Archaea, y los cincos supergrupos de Eukarya. Se señala con un punto rojo los linajes que no tienen un representante aislado y cultivado.

Se trata del primer árbol de la vida publicado desde el desarrollo de las técnicas metagenómica. Ha requerido un total de 3.840 horas de trabajo computacional del superordenador CIPRES.

En nuevo árbol demuestra que el dominio Bacteria es el que más linajes tiene, el más diverso. La mayor biodiversidad genética se encuentra entre las bacterias. Archaea es menos abundante y menos diverso que Bacteria. La baja diversidad genética de Eukarya es esperable, debido a su comparativamente reciente evolución.

El resultado es compatible además con la idea de que los eucariotas evolucionaron como quimeras vía fusiones endosimbiónticas en las que participaron tanto bacterias como arqueas. El dominio Eukarya incluye protistas, hongos, plantas y animales, y se ramifica a partir de Archaea, en concreto del grupo TACK. Estos análisis filogenéticos apoyan la hipótesis de que la arquea Lokiarchaeota y Eukarya poseen un mismo ancestro común.

Otro dato interesante, es que a diferencia de los que se pensaba, la clase Proteobacteria del dominio Bacteria, no es un grupo monofilético, sino que tiene orígenes evolutivos más diversos.

Pero lo más innovador de este árbol en alta definición es la aparición en escena de un gran número de linajes sin representante aislado, no cultivados (los puntos rojos en la figura de arriba). La mayoría de estos se agrupan además dentro de una misma región del árbol, denominada CPR (Candidate Phyla Radiation). Según esto el domino Bacteria se divide claramente en dos linajes. Los géneros incluidos en este nuevo grupo CPR tiene algunas características comunes (además de ser no cultivables): todos tiene el genoma pequeño, la mayoría poseen capacidades metabólicas restringidas, carecen del ciclo del ácido cítrico, cadena respiratoria y tienen una limitación de síntesis de nucleótidos y aminoácidos, por lo que muchos son simbiontes. No está claro si esto es debido a pérdida progresiva de capacidades o que por el contrario son características heredadas de una forma ancestral de vida con un metabolismo primitivo muy simple.

En resumen, la inclusión de nuevos genomas de linajes microbianos previamente desconocidos ha expandido enormemente el árbol de la vida. Esto demuestra la importancia de incluir datos genómicos independientes del cultivo para tener una imagen más real del árbol de la vida.

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A new view of the tree of life. 2016. Hug, L. A. y col. Nature Microbiol. Article number: 16048 (2016). doi:10.1038/nmicrobiol.2016.48

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