Haciendo evolucionar
funciones bastante complejas.
Algunos han argumentado que el número mínimo necesario de
genes es menor que 50 ya que ciertos
tipos de bacterias pueden construir sistemas flagelares funcionales con menos
de las 30 partes de la lista. La siguiente tabla muestra 21 piezas de proteína
ampliamente compartidas por diferentes especies de bacterias entre las que se
incluyen Aquifex aeolicus, Bacillus subtilis, Escherichia coli, y Treponema
pallidum [13].
Parece ser entonces que estos 21 genes estructurales son
al menos el mínimo requerido para la función flagelar. En combinación con los
otros genes necesarios que ayudan en la construcción de la estructura flagelar,
el mínimo parece ser de 35 a 40 genes. Es evidente, entonces, que el sistema
flagelar de motilidad es muy rico en información. Para lograr la función de
movimiento del flagelo se requiere un mínimo de varios miles de residuos de
aminoácidos que trabajen juntos en un orden relativamente muy específico del
uno con respecto al otro.
Se han propuesto muchas explicaciones de evolución
gradual, paso a paso, del origen de un sistema de este tipo de complejidad. La
mayoría son muy superficiales, y que dan saltos sobre brechas evolutivas enormes,
que implican grandes cambios en múltiples proteínas. Sin embargo, hay explicaciones
que son mejores que otras. Quizás uno de los mejores intentos de explicación de
la evolución del flagelo es el propuesto por Nicholas J. Matzke en su
publicación de 2003, "Evolution in (Brownian) space: a model for
the origin of the bacterial flagellum." [1]
En ese momento, Matzke era un estudiante de grado en la
carrera de geografía en la Universidad de California en Santa Barbara, que
tenía obvias pasiones por campos ajenos a la geografía. En este trabajo Matzke
sugiere que el punto de partida para la evolución del flagelo fue probablemente
el sistema de secreción de tipo III (TTSS).
 |
Este es el resumen del modelo evolutivo de Matzke para el
origen del flagelo, a través de seis etapas principales, junto con sus fases
intermedias clave. Los componentes de color blanco corresponden probablemente a
homólogos no flagelares; de los componentes grises se ha sugerido pero no
demostrado que son homólogos aun no identificados, aunque sus respectivas
funciones ancestrales pueden ser postuladas. El modelo comienza con un poro
pasivo y poco selectivo en la membrana interna (1a) que luego se convierte en
un poro más específico por ciertos sustratos (1b) por la unión de proto-FlhA y/o
FlhB a la FliF. La interacción de una F1F0-ATP sintetasa con FlhA/B produce
transporte activo, con lo que tendríamos un aparato de exportación de tipo III primitivo
(1c ). La adición de una secretina que se asocia con el anillo citoplasmático lo
convierte a un sistema de secreción de tipo III (2). Una mutación en la
secreción de cierto substrato convierte
al tal en una adhesina (o, alternativamente, una adhesina coopta a través de la
transposición de la secuencia de reconocimiento de la secreción), y una
mutación posterior permite que se una a la parte exterior de la secretina (3a).
La oligomerización de la adhesina produce un anillo pentámero al unirse más
adhesinas a la superficie sin bloquear la secreción de otros substratos (3b).
La polimerización de este anillo produce un tubo, un pilus de tipo III
primitivo (4a; en el diagrama, una estructura axial blanca es sustituida por
subunidades de pilina individuales; todas las proteínas más axiales son
descendientes de este ancestro común de pilina). La oligomerización de un
pilina produce la cubierta o proteína cap, lo que aumenta la velocidad y la
eficiencia (4b) del montaje. La duplicación de una pilina seguido de la pérdida
de sus dominios externos da lugar a la proteína constituyente del proto-eje,
que se extiende hacia abajo a través de la secretina, fortaleciendo el
anclamiento del pilus por la asociación con la base (4c). Sucesivas
duplicaciones posteriores del proto-eje, el filamento, y la proteína cap, que
se producen antes y después del origen del flagelo (6) generan el resto de
las proteínas axiales; tales eventos repetidos de sub-funcionalización no se
muestran aquí. El proto-flagelo (5a) es producido por la exaptación de homólogos
de TolQR a partir de un sistema similar al Tol-Pal; tal vez parte de un
homólogo TolA se ha unido a FliF para producir una proto- FliG. Con el fin de
mejorar la rotación, la secretina pierde sus sitios de unión con el filamento
axial, convirtiéndose en un proto-anillo P, y el papel del poro de la membrana
externa es asumido por anillo chaperona de la secretina, que se convierte en el
proto-anillo L (5b). El perfeccionamiento del anillo L y adición de la cubierta
del eje, el dominio muramidasa FlgJ (que elimina la necesidad de tener que encontrar
un hueco natural en la pared celular), resulta en 5c. Finalmente, la unión de
un mutante proto-FliN (probablemente un receptor CheC ) a la FliG termina por acoplar
el sistema de transducción de señal al proto-flagelo, dando origen a un flagelo
quimiotáctico (6); la fusión de la proto-FliN y la proteína CheC origina FliM.
Cada etapa, obviamente, estaría acompañada por optimización co-evolutiva y gradual
de las interacciones de los componentes. De esta manera, el origen del flagelo
se reduciría a una serie de mutaciones que caracterizan etapas plausibles.
|
El punto de partida.
Es extraño que el sistema TTSS sea comúnmente
promocionado como el punto de partida más probable por muchos evolucionistas,
ya que se supone que el sistema TTSS
evolucionó cientos de millones de años después de la evolución del flagelo.
¡Así es! Varios científicos han sugerido en literatura reciente que existe
buena evidencia para creer que el supuesto punto de partida, el TTSS, surgió del flagelo que ya se encontraba plenamente
desarrollado y no a la inversa. [2-7]
Tenga en cuenta que el flagelo bacteriano se encuentra en bacterias mesófilas,
termófilas, gram-positivas, gram-negativas y espiroquetas, mientras que el TTSS
se limita a unas pocas bacterias gram-negativas. No sólo que el TTSS está
restringido a bacterias gram-negativas, sino que más precisamente a bacterias
gram-negativas patógenas que atacan específicamente a animales y plantas… los
cuales se supone que evolucionaron miles de millones de años después de la
aparición de la motilidad flagelar. Además, cuando los genes del TTSS son encontrados
en los cromosomas de las bacterias, su contenido de GC (guanina/citosina) es
típicamente menor que el contenido de GC en el genoma que los rodea. Dado el
hecho de que los genes del TTSS se encuentran comúnmente en plásmidos de
virulencia de gran tamaño (que pueden ser fácilmente intercambiados entre las
distintas bacterias), esto es una buena evidencia de que la transferencia
horizontal es la responsable de la distribución de los genes que codifican el
TTSS. Los genes flagelares, por otro lado, suelen dividirse en 14 o menos
operones, que no se encuentran en plásmidos, y su contenido de GC es el mismo
que el genoma que lo rodea, lo que sugiere que el código para la síntesis del
flagelo no ha sido esparcido vía transferencia horizontal.
Así que, en cualquier caso, parece ser que el TTSS habría
evolucionado a partir del flagelo (que, de hecho, contiene en su estructura
partes del TTSS, como el cuerpo basal que secreta diversas proteínas no
flagelares —incluyendo factores de virulencia), y no al revés.
Evidencia adicional de esto surge del hecho de que el TTSS
muestra poca homología con el resto de los sistemas de transporte bacterianos (al
menos con los 4 principales). Además, se supone que la evolución ha de
construir sobre lo que ya existe. Dado que el sistema TTSS es el más complejo
del grupo, ¿por qué no evolucionó a
partir de uno de estos sistemas menos complejos y mantuvo, por lo tanto, un
cierto grado de homología con al menos uno de ellos? Esta evidencia sugiere que
no existía el sistema TTSS, ni nada homólogo, en la "era
pre-flagelar". Por lo tanto, debe haber surgido del flagelo plenamente
formado a través de eliminación de partes pre-existentes- y no al revés. De
hecho, varios científicos han comenzado a promover esta idea en la literatura científica
[2 –7] Por ejemplo, considere el
siguiente artículo publicado en 2008 por Toft y Fares:
"La contracción genómica es una característica común en la mayoría de los patógenos intracelulares y simbiontes. La reducción en el tamaño del genoma es uno de los fenómenos evolutivos mejor caracterizados en organismos intracelulares, cuyo fin es ahorrar y evitar el mantenimiento de los procesos biológicos redundantes y costosos. Las bacterias endosimbióticas de los insectos son ejemplos de economía biológica llevados al extremo porque sus genomas se reducen dramáticamente. Estas bacterias son inmóviles, y sus procesos bioquímicos están íntimamente relacionados con las de su hospedador. Debido a esta relación, muchos de los procesos en estas bacterias se han perdido o han sufrido una significativa remodelación a fin de adaptarse al estilo de vida simbiótico intracelular. Un ejemplo de tales cambios es la estructura flagelo, que es esencial para la motilidad bacteriana y la infección. Nuestro análisis indica que los genes responsables de la síntesis del flagelo se han perdido parcial o totalmente en la mayoría de simbiontes intracelulares del grupo de las gamma-Proteobacteria. Análisis genéticos de comparación muestran que los genes flagelares se han perdido de forma diferencial en las bacterias endosimbiontes de insectos. Sólo las proteínas implicadas en la exportación de aquellas proteínas que tienen parte en la vía de síntesis del flagelo (sistema de secreción del tipo III y cuerpo basal) se han mantenido en la mayoría de los endosimbiontes, mientras que las que participan en la construcción del filamento y el gancho del flagelo se han preservado solo en algunos casos, lo que indica un cambio en el objetivo funcional de esta vía sintética. En algunos endosimbiontes, los genes que controlan el interruptor de cambio de exportación y la longitud del gancho han sido sometidos a la divergencia funcional, como se muestra a través de un análisis de su dinámica evolutiva. En base a nuestros resultados, sugerimos que los genes del flagelo han divergido funcionalmente como para especializarse en la exportación de proteínas de la bacteria al huésped”. [13]
En otras palabras, el TTSS es el resultado de un proceso
degenerativo; no es un proceso creativo de algo estructuralmente nuevo, o en
sentido cualitativo, que no estaba ya allí.
Sin embargo, es muy práctico iniciar la explicación de un
sistema muy complejo comenzando en el medio —o lo que podría parecer en un
principio. De las más o menos 27 partes de proteína utilizadas en la estructura
flagelar, 10 de ellas son homólogas a las proteínas del TTSS. Una de esas 10 es
la proteína "FliI". FliI es una ATPasa que está anclada al lado
citoplasmático de la membrana interna y probablemente suministra energía para
la síntesis de la maquinaria y/o el transporte de las proteínas secretadas, las
cuales se capturan selectivamente desde el citoplasma con el propósito de ser
exportadas al exterior. Luego, están las proteínas que componen el aparato de
transporte que está ubicado en la membrana interna y probablemente formen el
canal de conducción proteico. Entre estas estan FlhA, FliP, FliQ, FliR, y FlhB.
El homólogo flagelar del anillo MS es la FliF y el homólogo del anillo C está
constituido por la FliN y la FliG. La última parte de proteína, FliH, tiene una
función desconocida.
Parece entonces que la mayoría de estos 10 homólogos
flagelares son necesarios para la función del TTSS. Por lo tanto, la hipótesis
de proto-TTSS es una linda manera de empezar a explicar la evolución del
flagelo. El hecho es que el TTSS es muy complejo en sí mismo y esto sólo suma a
la idea de que el TTSS no evolucionó a partir de un sistema de complejidad menor,
sino que surgió de un sistema con complejidad mucho mayor (el flagelo
plenamente desarrollado) a través de un proceso de eliminación de piezas
pre-existentes, y no la adición de nuevas piezas. Obviamente, es mucho más
fácil extraer fragmentos del mismo y mantener a las sub-funciones que ya se
encuentran allí, que añadir nuevas piezas a las sub-funciones a fin de obtener
funciones de nivel superior que sean beneficiosas y que, hasta ese momento, no
existían.
Añádase a esto el hecho de que algunos de los homólogos
entre el sistema flagelar y el TTSS no son tan homólogos. La FliN en el TTSS es
sólo homóloga a ~80 residuos C-terminales de la FliN flagelar (de 137 aa). Hay
muy poca similitud de la FliG, y la FliF del TTSS carece de los dominios C- y N -terminales que
están involucrados en la formación del anillo MS. Todo lo que queda de la FliF
son 90 de más de 550 residuos de aminoácidos que se encuentran en la flagelar. La
implicación funcional inmediata que trae es que el TTSS no puede girar. La
evolución de la capacidad de rotar implicaría la adición de un número
considerable de residuos específicos.
En resumen, la aparición del TTSS en sí es difícil de
explicar valiéndose del uso de mecanismos evolutivos carentes de inteligencia.
Todavía no he tomado nota de algún intento razonable de explicar cómo un
sistema como el TTSS podría haber tenido en su evolución brechas selectivamente
neutras lo bastante pequeñas como para ser atravesadas por mutaciones al azar
de cualquier tipo.
Matzke y otros evolucionistas responden a este tipo de
problemas sugiriendo que debe haber algún homólogo aún no descubierto del
aparato secretor del flagelo y resta ser encontrado:
“Si los sistemas de virulencia de tipo III derivan de los flagelos ¿cómo demostraríamos nuestra hipótesis de que el sistema de secreción de tipo III es ancestral a los flagelos? La cuestión se resolvería si homólogos no flagelares del aparato de exportación de tipo III sean descubiertos en otros phyla bacterianos, y que se encuentren desempeñando funciones que podrían ser útiles en un mundo pre-eucariota. Que tal observación no se haya hecho aún es un argumento válido contra el modelo presente, pero al mismo tiempo sirve como una predicción: el modelo se reforzará considerablemente si se descubre ese homólogo. Por el momento, es fácil sugerir que la falta de descubrimiento de un homólogo tal se debe a la falta de datos”. [1]
¿Así que, por el momento, la evidencia de la
evolución del primer paso en la síntesis flagelar se oculta de manera segura
detrás de la "falta de datos"? ¿Dónde está la explicación
"detallada" de la evolución flagelar aquí? Bueno, Matzke y otros en
realidad imaginan lo que podría haber
ocurrido al evolucionar el primer proto-TTSS. El origen de este proto-TTSS comienza
con el homólogo de la FliF, un complejo proteico que constituiría un poro en la
membrana. FlhB, el complejo proteico que controla el tipo de proteínas que es
secretada a través del poro, posteriormente se une de alguna manera a FliF.
FlhA, cuya función es desconocida, se añadirá también para que junto con la
proteína FlhB, el poro de transporte pasivo se pueda convertir en un transportador
específico de sustrato. De dónde podrían haber llegado la FlhB o la FlhA o qué
otros roles podrían haber tenido, no se discute, ni tampoco está claro cómo es
que sus capacidades selectivas hubieran sido necesariamente útiles,
especialmente si se seleccionaran las proteínas incorrectas para el transporte.
De todos modos, una vez que las proteínas FlhB y FlhA se
combinan con la FliF, se necesitará algo de energía para que ocurra el
transporte activo. Ahí es donde la FliI viene al rescate. Lo propuesto es que la
F1-αβ ATPasa, un heterohexámero formado por α-subunidades (no catalíticas) y
β-subunidades (catalíticas), la cual puede encontrarse en muchos tipos de
bacterias, evolucionó a partir de un ancestro común con la FliI (un
homohexámero compuesto por subunidades catalíticas que constituye la fuente de
energía para el TTSS) ya que la Flil comparte ~30% de homología con la
subunidad F1 de la F1F0-ATP sintetasa. No hay disponible ningún protocolo
detallado de cómo pudo suceder esta evolución, mutación por mutación.
Simplemente se da por sentado. Descuiden, dada la suficiente fe en la evolución
como una fuerza creativa, no se necesitará ningún detalle aquí.
Por supuesto, una vez que la Flil se encuentre presente,
será fácil de insertar esta fuente de energía al poro constituido por la FliF
¿verdad? No tan rápido. La FliI no se puede conectar directamente a la FliF. Se
requiere otra proteína denominada "FliH" para lograr que la ATPasa FliI
se pegue a la FliF. De dónde vino la FliH o cómo podría haber evolucionado
milagrosamente la capacidad de unir a ambas, FliI y FliF, de la manera correcta,
no es del todo clara. Pero el asunto se pone aún más complicado. Otro complejo proteico,
conocido como "FliJ", precisa interactuar con la ATPasa FliI y con la
FliH antes de que cualquiera de los componentes flagelares pueda ser exportado.
Por lo tanto, para activar la exportación de proteínas en
el TTSS primitivo, se necesitan tres complejos de proteínas organizados entre
sí (FliI, FliH y FliJ) —y esto es sólo la versión imaginaria. Las otras partes
del aparato secretor, como la FliOPQR ,
simplemente no se discuten en el modelo gradual "detallado" de Matzke
de la evolución flagelar, debido a la "falta de datos".
Además, ¿qué sucede con el argumento de que las
similitudes entre la F1F0-ATP sintetasa y el aparato de exportación flagelar
tipo III apoyan la noción de que comparten un antepasado común? Matzke añade: "Individualmente, las
similitudes que se citan son fácilmente atribuibles a la casualidad, pero
juntas son, al menos, sugerentes. " [1]
Esto suena más bien a que existen lagunas bastante grandes en esta hipótesis.
Al menos, de estas brechas, no se discute ningún tipo de detalle en el modelo
de Matzke ni en ningún otro modelo que yo tenga conocimiento. Estos pasos o
saltos, que parecen requerir cientos de diferencias genéticas bastante
específicas, son simplemente pasados por alto concluyéndose que:
"El evento clave en el origen del sistema exportador del tipo III fue la asociación entre una F1F0-ATP sintetasa y una proto-FlhA o FlhB en el interior de un proto-anillo FliF, convirtiendo un transportador pasivo en uno activo. Dado que se sabe poco acerca de los detalles del acoplamiento de la actividad ATPasa al sistema exportador de proteínas de tipo III, este paso sigue siendo especulativo." [1]
¿Especulativo? ¡No bromees! Yo que había pensado
que este trabajo iba a ser una explicación "detallada" de la
evolución del flagelo. Hasta el momento, parece ser una especulación bastante
superficial.
Vea la parte II haciendo Clic Aquí
Vea la parte II haciendo Clic Aquí
Autor: Sean D. Pitman. Estudio en la Escuela de Medicina de Loma Linda University durante 1993-1997. Hizo su residencia en patología en el Centro Médico de Loma Linda University entre 2001-2005, y posteriormente trabajó en el área de hematología en City of Hope National Medical Center, durante 2005-2006. Tiene diversas publicaciones científicas.
Traductor: Daniel Alonso - Estudia Licenciatura en Ciencias Biológicas en la UNT , Argentina.
REFERENCIAS:
[1] Nicholas
Matzke, Evolution in (Brownian) space: a model for the origin of the bacterial
flagellum, talkreason.org, 2003 (http://www.talkreason.org/articles/flagellum.cfm)
[2] Anand Sukhan, Tomoko Kubori, James Wilson, y Jorge
E. Galin. 2001. Genetic Analysis of Assembly of the Salmonella enterica
Serovar Typhimurium Type III Secretion-Associated Needle Complex. J. Bacteriology 183: 1159-1167.
[3] Macnab, R. M., 1999. The bacterial flagellum:
reversible rotary propellor and type III export apparatus. J Bacteriology. 181 (23), 7149-7153.
[4] He, S. Y., 1998. Type III protein secretion in plant and animal
pathogenic bacteria. Annual Reviews in Phytopathology. 36, 363-392.
[5] Kim, J. F., 2001. Revisiting the chlamydial
type III protein secretion system: clues to the origin of type III protein
secretion. Trends Genet. 17 (2), 65-69.
[6] Plano, G.
V., Day, J. B. and Ferracci, F., 2001. Type III export: new uses for an old
pathway. Mol Microbiol. 40 (2), 284-293.
[7] Nguyen,
L., Paulsen, I. T., Tchieu, J., Hueck, C. J. and Saier, M. H., Jr., 2000.
Phylogenetic analyses of the constituents of Type III protein secretion
systems. J Mol Microbiol Biotechnol. 2 (2), 125-144.
[8] Macnab, R. M., Science 290, p. 2087
[9] Macnab R. M., Bacteria create natural nanomachines,
USA Today, 2005
(http://www.USAtoday.com/weather/science/aaas/flagella121500.htm)
[10]May Kihara, Gabriele U. Miller, and Robert M.
Macnab, Deletion Analysis of the Flagellar Switch Protein FliG of Salmonella,
J. Bacteriol. 2000 June; 182(11): 3022-3028. (http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=94485)
[11] Bjorn Grunenfelder, Stefanie Gehrig, and Urs
Jenal,Role of the Cytoplasmic C Terminus of the FliF Motor Protein in Flagellar
Assembly and Rotation, Journal of Bacteriology, Mar. 2003, p. 1624-1633
Vol. 185, No. 5 (http://www.pubmedcentral.nih.gov/picrender.fcgi?artid=148050&blobtype=pdf )
[12] Todas las
animaciones presentadas en este ensayo son fruto del esplendido trabajo de Keiichi
Namba et al. del ERATO Protonic NanoMachine Project (http://www.npn.jst.go.jp/index.html
)
[13] Mis
agradecimientos a Mike Gene por la excelente información dada sobre el falgelo bacteriano en este
website: (http://www.idthink.net/)
No hay comentarios :
Publicar un comentario