Luego de realizar una revisión muy básica de la
estructura y la función flagelar (también descritos en mi propia valoracióndetallada del asunto), Hughes y Blair preguntan: “El flagelo ¿es una
complejidad irreductible, o simplemente es complejo?"
Está claro que el flagelo es una estructura compleja y
que su montaje y funcionamiento dependen de muchos componentes y procesos
interdependientes. Esta complejidad ha sido planteada como un problema para la
teoría de la evolución; Específicamente, se ha sugerido que el flagelo
ancestral no podría haber proporcionado una ventaja significativa a menos que
todas las partes se generaran simultáneamente. Por lo tanto, el flagelo ha sido
descrito como "irreductiblemente complejo", dando a entender que es
imposible o al menos muy difícil de imaginar una forma ancestral mucho más
simple, pero todavía funcional, que sirviese de materia prima para la
evolución.
Habiendo representado el problema, ellos proceden a
mostrar cuáles subcomponentes dentro de la estructura flagelar son homólogos a
otros orgánulos bacterianos. Por ejemplo, acertadamente señalan que las
proteínas del estator MotA y MotB son homólogas de las ExbB y ExbD, que forman
parte del sistema de transporte activo TonB-dependiente y que sirven para
energizar transporte de la vitamina B12 y los compuestos quelantes de hierro
denominados sideróforos, través de la membrana externa de las bacterias
Gram-negativas. ExbB/D y MotA /B también son conocidas por ser homólogas a
TolQ/R, que desempeñan un papel importante en el mantenimiento de la
estabilidad de la membrana externa. La energía para el funcionamiento de estos
sistemas se obtiene por el movimiento de protones a través de la membrana
interna. Esto proceso determina la configuración del estator del flagelo, que acopla
el transporte de protones con el fin de producir la rotación del motor. Hughes
y Blair también señalan que la proteína del rotor, la FliG, es homóloga al transportador
de magnesio MgtE. Sin embargo, las similitudes entre las secuencias de FliG y
MgtE parecen ser más bien débiles (<20% según lo informado por PSI-BLAST),
aunque es clara similitud al dominio N-terminal de MgtE.
Pero una prueba de homología molecular de los componentes
flagelares con respecto a las proteínas encontradas en otros orgánulos
celulares ¿es una refutación del argumento de la complejidad irreducible? No
estoy convencido. La homología no hace nada para demostrar que las transiciones
necesarias son evolutivamente factibles (Gauger y Axe, 2011), y se ha
demostrado que el proceso de duplicación de genes y reclutamiento [recruitment],
como fuente de novedad evolutiva, es extremadamente limitado (Axe, 2010).
El principal desafío que plantea la complejidad
irreductible es que la funcionalidad está separada por saltos discontinuos en
complejidad, que no se pueden superar a través de un proceso ciego o no guiado.
Es la necesidad de múltiples cambios coordinados lo que supone un reto
sustantivo a la teoría de la evolución neo-Darwiniana. Este reto está presente,
independientemente de si las funciones de los sub-componentes dentro del
aparato flagelar puedan encontrarse también en otros orgánulos.
Otro punto que cabe destacar es que ciertos subsistemas
del flagelo también se encuentran en otros orgánulos, y realizan funciones
esencialmente idénticas. Apuntando a tales homologías sólo se consigue patear al
problema para más adelante—en algún momento, estos sistemas requerirán de una
explicación. Tomemos, por ejemplo, las proteínas Flik y FlhB, que funcionan
como sensores que determinan la longitud del gancho del flagelo bacteriano. La FliK
es fundamental tanto en la exportación de monómeros, asi como el control de la
longitud del gancho. Mutaciones en la fliK
resultan en poli-ganchos sin filamentos, mientras que se obtienen
poli-ganchos con filamentos como resultado de mutaciones supresoras en un
segundo sitio en FlhB (Williams et al., 1996). A su vez, la FliK sirve como una
"regla molecular " (Erhardt et al., 2011) en cuanto que "toma
las medidas de longitud del gancho y el eje, mientras que los componentes de
estos están siendo segregados de forma intermitente a través del proceso de
montaje del complejo HHB [Gancho-cuerpo-basal]"(Erhardt et al., 2010).
FliK y FlhB son homólogas a YscP y YScU respectivamente, que también regulan la
especificidad de sustrato y la longitud de la “aguja” del sistema de secreción
de tipo III en Yersinia (Wood et al,2008;. Edqvist et al, 2003.).
FlgJ también presenta afinidad por las proteínas del eje
(Hirano et al., 2001). Se piensa que FlgJ es la primera proteína que se debe
montar ya que se sabe que su extremo N-terminal sirve como una proteína de
taponado para la estructura del eje. Además de los genes que codifican a las
proteínas de las subunidades del eje (FlgB, FlgC, FlgF, y FlgG), más de 10
genes son necesarios para el ensamblaje del conjunto (Kubori et al., 1992). Un
estudio reportó que "En las bacterias entéricas, los mutantes nulos de flgj no producen flagelos con eje
central, gancho, y filamento, pero todavía pueden montar el anillo MS. Estos
mutantes son inmóviles" (Zhang et al., 2012).
Las proteínas FlgH y FlgI, que componen el complejo del
anillo exterior (LP), son esenciales en las bacterias Gram-negativas, aunque
los anillos L y P, obviamente, no están presentes en las bacterias
Gram-positivas (que poseen una sola membrana). Ante esta ausencia del anillo LP
en bacterias Gram-negativas, la “construcción de la parte proximal del gancho
se produce, pero no se produce la elongación" (Kubori et al., 1992).
La proteína cap del filamento, la FliD, es también un
componente indispensable. La FliD se desplaza hacia el exterior a medida que se
añaden progresivamente monómeros de flagelina. La primera y la segunda proteína
de unión gancho-filamento permanecen en su lugar y sirven para conectar el
gancho con el filamento. De las proteínas de tapado (o proteínas “cap”)
involucradas en la construcción del eje, gancho y el filamento (FlgJ, FlgD y
FliD respectivamente), sólo FliD permanece en la punta del filamento cuando el
producto está acabado. Un estudio, utilizando microscopía electrónica, examinó
la estructura del complejo cap + filamento, aislando la cap, con el siguiente
resultado: "cinco dominios de anclaje de la cap pentámera ajustaron de
forma flexible sus conformaciones para mantener abierto solo un sitio de unión
a la flagelina, lo que indica que la cap presenta un mecanismo de rotación que
promueve el auto-ensamblaje de la flagelina. Esto representa uno de los
movimientos más dinámicos en estructuras de proteínas " (Yonekura et al., 2000). La FliD es fundamental
para el montaje del filamento. Sin la FliD, los monómeros de flagelina se
pierden (Kim et al., 1999).Como se explica en un paper, "Un mutante
deficiente de FliD se vuelve inmovil porque carece de filamentos flagelares y tiene
fuga de monómeros de flagelina hacia el medio circundante" (Ikeda et al.,1996).
Por último, el gen anti-sigma FlgM es un componente que forma
parte de otro sistema irreduciblemente complejo, pues juega un papel crucial en
el momento de la expresión de genes flagelares. Obviamente, no tiene sentido
ensamblar los monómeros de flagelina antes de que finalice la construcción del
cuerpo basal y el gancho. La expresión de las subunidades del cuerpo basal y el
gancho y sus reguladores asociados (codificados por 35 genes distribuidos en
ocho operones) está bajo el control de los promotores de clase II. Esto incluye
los genes reguladores flia y flgM. El primero codifica un factor
sigma, σ28, que se requiere para activar los promotores de clase III; el último
codifica el factor anti-sigma FlgM, el cual impide la interacción del σ28 con
el complejo holoenzimatico de la ARN polimerasa (Saini et al, 2011;. Ding et al, 2009;. Kutsukake et al, 1994;. Ohnishi et al, 1990.).
Al completarse el cuerpo basal y el gancho, el factor
anti-sigma FlgM es secretado hacia el exterior, a través de las estructuras
flagelares que han sido producidas previamente por la expresión de los genes de
la clase II. Los promotores de clase III (que son responsables de la expresión
de los monómeros de flagelina, el sistema de quimiotaxis y los generadores de
fuerza motriz) se activarán gracias el factor σ28 y el flagelo se puede
terminar. Hay, por supuesto, una variación en esta configuración flagelar de
especie a especie. De hecho, "estos sistemas se diferencian entre sí por
la existencia de factores sigma específicos y activadores de la transcripción,
por la fuerza motriz y la eficiencia de los motores" (Soutourina y Bertin,2003). Sin embargo, un componente que esté ausente en un sistema no implicaría
necesariamente su redundancia en otro sistema. Liu y Ochman (2007) explican
que,
“La ausencia de algunos de estos genes en un genoma determinado es comprensible una vez que se consideran las características particulares de la bacteria en cuestión. Por ejemplo, las proteínas FlgH y FlgI, de los anillos L y P, no son necesarias en los Firmicutes porque estas bacterias carecen de la membrana externa en la que estas proteínas típicamente se sitúan en bacterias Gram-negativas. La FlgH y FlgI tampoco son necesarias en las espiroquetas, que tienen un flagelo periplásmico situado en el interior de la membrana externa”.
Hughes y Blair también hacen mención de la relación entre
flagelo y el inyectosoma de secreción de tipo III, señalando que,
“Aún no está claro si el flagelo vino primero, o si primero apareció el inyectosoma, o si ambos son descendientes de otra cosa que, o bien se ha perdido o está presente sólo en nichos aún no explorados por la secuenciación del genoma”.
Aunque hay espacio para el debate, estoy personalmente
convencido de que el inyectosoma de secreción de tipo III evolucionó a partir
de los exportadores de subunidades flagelares, en gran parte sobre la base de,
entre otras cosas, dos observaciones clave:
1. Mientras que el inyectosoma se encuentra sólo en las
bacterias gram-negativas que poseen tanto una membrana interna y externa,
flagelos se encuentran también en bacterias gram-positivas, las cuales que
poseen sólo una única membrana: los flagelos están, por lo tanto, más
ampliamente distribuidos.
2. Los organismos pluricelulares sobre lo que son usados
estos insyectosomas asociados a la secreción de tipo III aparecieron en la escena mucho más tarde que las
bacterias, por lo que la presión evolutiva para un orgánulo tal sería posterior
a la presión evolutiva para la motilidad.
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| Flagelo bacteriano (izquierda), e inyectosoma (derecha). |
Para una discusión más a fondo de este tema, remito a los
lectores a Abby y Rocha (2012), Saier et al. (2004), y Nguyen et al. (2000).
"En cualquier caso," argumentan Hughes y Blair,
“está claro que la exportación es la función esencial llevada a cabo por ambos sistemas; antes de que el rotor flagelar pudiera haber servido como un orgánulo útil para la motilidad, podría haber proporcionado un apéndice exterior que confiriera alguna función útil, como (por ejemplo) la adhesión”.
Hughes y Blair sostienen que "un antepasado tal, no
tiene por qué haber sido tan complejo como el rotor flagelar actual o el
inyectosoma", ya que "no habría requerido homólogos para las tres
proteínas FliH, FliI y FliJ, que son indispensables para la exportación
flagelar,” y que fueron “probablemente tomadas de la ATP sintasa" para ser
“refinadas después”.
Reconozco que la proteína chaperona FliJ, la ATPasa FliI,
y su regulador FliH son prescindibles para la exportación flagelar. De hecho,
Minamino et al. (2000) reportan que
"mutantes espontáneos con defectos en el aminoácido 147 de la FliJ de Salmonella [...] tienen la capacidad de
formar enjambres con motilidad en placas de agar después de recibir una
incubación prolongada a 30 °C; es decir, muestran un fenotipo móvil con fugas."
También observan que "A los 42 ° C, sin embargo, la exportación fue
inhibida, lo que indica que la proteína mutante FliJ era sensible a la
temperatura." FliI es una ATPasa, que convierte la energía producida por
la hidrólisis de ATP en la energía requerida para la exportación de proteínas.
Sin embargo, las flil mutantes aún
pueden conservar flagelos funcionales (Paul etal, 2008; Minamino y Namba, 2008). Lo mismo es cierto de su regulador, FliH
(Minamino et al., 2003).
Hughes y Blair argumentan, además, que la exportación de
proteínas flagelares se puede lograr sólo por algunas de diez proteínas que
antes se consideraban indispensables (FliF, FliG, FliM, FliN, FliO, FliP, FliQ,
FliR, FlhA y FlhB). Según Hughes y Blair, "el núcleo funcional" del
aparato de exportación se compone de sólo la FliP, FliQ, FlirR y la FlhA. Yo
estaría interesado checkear la literatura de la que Hughes y Blair están
basando este planteo (no se ofrece ninguna cita). Mi propia investigación
ciertamente indica que todas las proteínas anteriores son indispensables para
la exportación de proteínas flagelares, con la excepción de FliO (que falta en
algunos sistemas - ver Barker et al,2010.). En el caso de FliF, el ensamblaje flagelar requiere "un corto
tramo de aminoácidos en el extremo C terminal inmediato" (Grünenfelder etal., 2003). Estudios de mutantes en FliG, FliM y FliN (que están presentes en
26, 34 y más de 100 ejemplares en E. coli y Salmonella, respectivamente)
demuestran que también son esenciales para la construcción del flagelo (Brownet al., 2007, Paul et al., 2006, Tang y Blair, 1995).
Para concluir, el reclamo de que Hughes y Blair han
refutado a Behe sobre la cuestión del flagelo bacteriano es infundado. Aunque
hay sub-componentes del flagelo que son de hecho prescindibles para el
ensamblaje y la motilidad, hay numerosos subsistemas dentro del flagelo que
requieren múltiples mutaciones coordinadas. El flagelo no es ese tipo de
estructura que puede imaginarse siendo producido de forma gradual, al estilo
darwiniano.
Autor: Jonathan McLatchie – Tiene un MRes en biología evolutiva y sistematica de la Universidad de Glasgow. Actualmente es redactor de Evolution News and Views.
Traductor: Daniel Alonso - Estudia Licenciatura en Ciencias Biológicas en UNT, Argentina.
