Las mitocondrias están vivas
(asimov.press)- Si las mitocondrias se entienden no como orgánulos celulares sino como formas de vida propias, eso lleva a reinterpretar la célula como un sistema entrelazado de energía, información y simbiosis
- La teoría endosimbiótica de Lynn Margulis fue rechazada en su momento por 12 revistas académicas, pero terminó consolidándose como una explicación clave de la evolución de los eucariotas al confirmarse las similitudes entre mitocondrias y bacterias
- Las mitocondrias tienen su propio genoma, expresan genes, se dividen por fisión binaria, detectan señales ambientales y producen ATP, por lo que van mucho más allá del simple papel de “central energética”
- La objeción de que solo viven dentro de la célula huésped no es suficiente; los casos de rickettsiae, Holospora spp., la endosimbiosis artificial y la transferencia de mitocondrias entre especies muestran que una forma de vida puede existir integrada dentro de un entorno específico
- Así como las herramientas de manipulación del ADN evolucionaron hasta CRISPR, la biología del futuro necesitará herramientas para tratar de forma ingenieril la energía biológica y las mitocondrias
Por qué hay que considerar a las mitocondrias como formas de vida
- Las mitocondrias dentro de nuestras células son el resultado remanente de una antigua relación de endosimbiosis
- En su artículo de 1967 “On the Origin of Mitosing Cells”90079-3), Lynn Margulis sostuvo que hace unos 1,500 millones de años una célula eucariota primitiva engulló una bacteria que utilizaba oxígeno y, en vez de digerirla, desarrolló con ella una relación simbiótica
- El huésped proporcionó nutrientes y protección a la bacteria
- La bacteria suministró energía al huésped
- Esa relación se convirtió en una innovación biológica que dio origen a las mitocondrias y los cloroplastos modernos
- Esta teoría fue rechazada inicialmente por 12 revistas académicas y atacada durante décadas, pero poco a poco fue aceptada debido a que la estructura de membrana y la maquinaria molecular de las mitocondrias se parecen a las de bacterias actuales
- Muchos biólogos consideran que las mitocondrias “degeneraron” de bacterias a orgánulos rodeados de membrana, pero sus funciones y dinámicas permiten interpretarlas como formas de vida autónomas
Los criterios de la vida y las mitocondrias
- La definición de vida ha sido objeto de debate desde los inicios de la biología, y los biólogos moleculares suelen usar como criterios el metabolismo, el crecimiento y desarrollo, la respuesta a estímulos, la reproducción, el procesamiento de información y la capacidad de evolucionar
- La biofísica entiende la vida desde la perspectiva de la energía: los seres vivos mantienen un estado fuera del equilibrio que conserva el orden aun frente a la tendencia universal al aumento de la entropía
- Las células reciben entradas de baja entropía, como alimentos o luz solar
- Y expulsan salidas de alta entropía, como desechos
- Sea cual sea la definición aplicada, las mitocondrias cumplen en gran medida con las condiciones de la vida
- Tienen su propio genoma y expresan genes dentro de su espacio interno
- Usan biomoléculas distintas de las del núcleo
- Se replican y dividen mediante fisión binaria, como las bacterias
- Reciben entradas de baja entropía, como glucosa o ácidos grasos de la célula huésped, y liberan salidas de alta entropía, como dióxido de carbono y agua
- Mantienen un equilibrio termodinámico fuera del equilibrio bombeando protones a través de la membrana interna, y con ese gradiente producen ATP
Más allá de la producción de energía: procesamiento de información y evolución
- El papel de las mitocondrias no se limita a la simple generación de energía
- Detectan diversas señales en el entorno citoplasmático
- Hormonas esteroides
- Estrés oxidativo
- Calor
- Niveles de ATP
- Metabolitos secundarios
- Y muchas otras moléculas
- La información detectada se utiliza para controlar funciones celulares
- Cuando un virus invade una célula, las mitocondrias son importantes para detectar la invasión y transmitir señales de muerte celular programada
- Ese proceso ayuda a impedir la propagación del virus
- La reproducción y la evolución tampoco son idénticas por completo al proceso de replicación de la célula huésped
- Replican de forma independiente su genoma circular, el ADN mitocondrial
- Se dividen por fisión binaria
- El ADN mitocondrial muta 100 a 1,000 veces más rápido que el genoma humano
- Esas mutaciones pueden cambiar no solo la aptitud de la mitocondria, sino también la de la célula huésped
- Las mitocondrias no solo están sujetas a la evolución, sino que también actúan como agentes que influyen en el proceso evolutivo
Los límites de la objeción de que “solo viven dentro del huésped”
- La objeción de que las mitocondrias deben estar dentro del citoplasma de la célula huésped no refleja suficientemente que los seres vivos no existen aislados de su entorno
- La vida humana también comienza dentro de otro ser humano, y el cigoto necesita durante varios meses el entorno uterino antes del nacimiento
- Además de las mitocondrias, hay otros seres vivos que habitan dentro de otras células
- Las rickettsiae existen en el citoplasma de células de garrapatas, piojos, pulgas y ácaros
- Holospora spp. viven dentro del núcleo de varios protistas
- Todos los seres vivos evolucionan y viven dentro de entornos o sistemas biológicos específicos, y cada uno ocupa un nivel distinto
- El entorno que un ser vivo ocupa realmente es su nicho ecológico efectivo, mientras que su nicho ecológico potencial, es decir, el rango en el que podría vivir, puede ser más amplio
El nicho ecológico potencial de las mitocondrias
- Poner una bacteria dentro de otra célula no convierte de repente a esa bacteria en algo no vivo
- Investigadores de ETH Zurich rastrearon recientemente el destino de una endosimbiosis inducida artificialmente al trasplantar bacterias al hongo filamentoso Rhizopus microsporus
- El nicho ecológico efectivo de las mitocondrias es el citoplasma de la célula huésped, pero su nicho ecológico potencial podría ser mayor
- Las mitocondrias no están atadas a una célula huésped y pueden moverse entre distintas células
- Cada especie tiene mitocondrias diferentes, pero experimentos muestran que las mitocondrias de una especie pueden transferirse a otra
- En 1997, científicos aislaron mitocondrias de chimpancés y gorilas, y demostraron que esas mitocondrias se internalizaban e integraban naturalmente en células humanas
- La adición de mitocondrias externas ha mostrado beneficios terapéuticos en insuficiencia cardíaca y lesión medular
Por qué se necesitan herramientas para manipular la energía biológica
- A inicios del siglo XX, Albert Einstein y Claude Shannon situaron los tres pilares del mundo físico en la materia, la información y la energía
- Después del modelo de doble hélice del ADN de Francis Crick y James Watson, la biología avanzó enormemente en su comprensión y capacidad de control sobre la materia y la información
- Evolucionaron las herramientas para estudiar genes
- Aumentó la capacidad de descifrar el flujo de información dentro de las células
- Surgieron herramientas para manipular el ADN, como la edición genética basada en CRISPR
- En cambio, las herramientas para comprender y manipular la energía biológica aún no han alcanzado ese mismo nivel
- Así como CRISPR permitió reescribir el código de la vida, se necesitan herramientas para tratar de forma ingenieril a las mitocondrias y controlar la bioenergética en todo el conjunto de los eucariotas
La conexión con la enfermedad, la longevidad y la fotosíntesis
- Incluso después de más de mil millones de años de evolución, las mitocondrias siguen desempeñando un papel central dentro de la célula y no son entidades reemplazadas ni inútiles
- A medida que los humanos evolucionaron, el papel de las mitocondrias también participó en la formación de la salud y la longevidad humanas
- La disfunción mitocondrial se ha relacionado desde hace mucho con diversas enfermedades
- Enfermedades cardiovasculares
- Diabetes
- Alzheimer
- Parkinson
- Esclerosis lateral amiotrófica
- Otras enfermedades asociadas al envejecimiento
- Las mitocondrias de pacientes con estas enfermedades muestran formas anormales y fragmentadas, y no logran producir suficiente energía para la célula o envían señales de comunicación inadecuadas
- Las mitocondrias enfermas producen con el tiempo compuestos tóxicos que aceleran la muerte celular
- Resolver enfermedades relacionadas con la energía, extender la esperanza de vida e implementar la fotosíntesis de manera ingenieril están conectados con el desafío de comprender las complejas interacciones entre la célula y otras formas de vida que habitan activamente en su interior
1 comentarios
Opiniones de Hacker News
Me inclino hacia la hipótesis de la Tierra rara por las mitocondrias
La endosimbiosis de las mitocondrias ocurrió una vez en la historia de la Tierra, y sin ella no sale el presupuesto energético necesario para la vida compleja
Además, la ventana en la que algo así era posible pudo haber sido estrecha. Las defensas y presiones selectivas del mundo microbiano moderno habrían sido hostiles para una quimera frágil como la primera célula mitocondrial
Antes de las mitocondrias, el proceso por el cual la vida surge de lo inerte parece plausible, y después de las mitocondrias, también tiene sentido el proceso que lleva a vida multicelular compleja e inteligente. Pero ese instante no se ha reproducido en el laboratorio, y todavía no se ha reproducido
Por eso creo que en el universo puede haber mucha vida tipo residuo vivo, pero muy pocas plantas y animales
Como nota al margen, vale la pena ver cómo se mueve el ATP: https://www.youtube.com/watch?v=lUrEewYLIQg&t=939s
Los cloroplastos, y más ampliamente los plastidios, parecen compartir un ancestro común, pero es posible que las mitocondrias desciendan de varios linajes que pasaron por transferencia horizontal de genes o evolución convergente. También es muy probable que el nitroplasto sea un caso separado de endosimbiosis primaria
También existe la endosimbiosis secundaria, en la que un orgánulo simbiótico de un eucariota es fagocitado por otra célula eucariota y se convierte en un nuevo simbionte, y esto ocurrió al menos 8 veces
Hay teorías de que otros orgánulos también son producto de endosimbiosis por rasgos como tener material genético propio, pero eso es más especulativo
Es cierto que los eucariotas adquirieron capacidades importantes al incorporar estos simbiontes, pero esos simbiontes eran organismos que originalmente evolucionaron para realizar directamente esas funciones. Además, las mitocondrias son una de las características de los eucariotas, pero no se las considera la causa clave que permitió la evolución de la multicelularidad compleja. Los procariotas también evolucionaron multicelularidad decenas de veces, y simplemente definimos de forma arbitraria la multicelularidad compleja de manera que se distinga de lo que lograron los procariotas
Pudo haber ocurrido en otros linajes, pero por alguna razón quedaron rezagados en la competencia y se extinguieron
Pero eso no significa que la vida en otros planetas necesariamente necesite mitocondrias u orgánulos equivalentes. Si puede realizar las reacciones químicas necesarias y extraer suficiente energía, otros métodos podrían bastar según el entorno
Para empezar, ¿cómo evolucionaron las mitocondrias? ¿Podrían haber seguido siendo organismos independientes y evolucionar por su cuenta con ese enorme presupuesto energético?
Además, una vez que algo así ocurre, quizá tienda a desplazar la necesidad misma de que vuelva a ocurrir
Este artículo lo presenta como si fuera algo novedoso y profundo, pero que las mitocondrias estén “vivas” al final es una cuestión de cómo ponemos la etiqueta de vida
La palabra vida es una construcción lingüística humana que existe aparte de los fenómenos biológicos, y la ciencia lleva décadas lidiando con esta pregunta, como pasó con los virus. Estos debates terminan en semántica y no le agregan nada a la ciencia en sí
Las mitocondrias son interesantes y todavía hay mucho que aprender, pero dependen por completo de la maquinaria celular. La mayoría de los genes que codifican su estructura están en el ADN nuclear. Es difícil sostener que las mitocondrias están vivas de manera independiente sin mencionar este punto
El corazón puede existir fuera de mi cuerpo y trasplantarse a otra persona, pero ¿eso significa que deberíamos decir que el corazón está vivo?
Todo el artículo insinúa que se nos escapó algo, pero en realidad no. La teoría de Lynn Margulis sobre el origen endosimbiótico de las mitocondrias enfrentó muchos desafíos y provocó debates científicos, pero terminó imponiéndose de forma convincente hace décadas y se convirtió en ciencia establecida. En la historia de la vida hubo varios eventos endosimbióticos de este tipo, y existe incluso un subcampo de la biología evolutiva que los estudia
Las células que forman el corazón claramente están vivas, pero sin infraestructura de apoyo mueren. En el sentido de vivir, replicarse y morir, son como todas las células del cuerpo
Si te llevaran a la Luna sin infraestructura de apoyo, también morirías, pero aun así probablemente te consideraríamos vivo
La vida tiene mecanismos, pero es más que una máquina. La actitud de que nuestras vidas están unidas simbióticamente a otro ser vivo, o a 10^17 seres vivos, aporta una humildad valiosa
Esa humildad puede darnos una nueva perspectiva para hacer que todos ellos estén sanos y prosperen. No se trata solo de una conexión espiritual con que las mitocondrias estén vivas, sino de una actitud práctica hacia la salud y el bienestar, y hay muchas oportunidades para investigarlo científicamente
Esas personas todavía hablan de “vida” y toman decisiones con base en la comprensión defectuosa que el artículo critica
Lo que aquí “se nos escapó” parece estar menos en la ciencia en sentido estrecho y más en sus implicaciones amplias y en la cosmovisión
Wikipedia también parece confirmarlo: “Aunque la mayor parte del ADN de las células eucariotas está contenida en el núcleo celular, la mitocondria tiene su propio genoma, o mitogenoma, que es sustancialmente similar a los genomas bacterianos”
https://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondrion
Son muy parecidos a las mitocondrias, pero los consideramos vivos. Perdieron muchos genes y no pueden sobrevivir sin un huésped
Al ver estos casos, casi se puede observar el camino que va de un parásito intracelular obligado a un orgánulo derivado de un procariota fagocitado
Este texto, en apenas los primeros párrafos, cumple con dos clichés clásicos del periodismo científico
Primero, la narrativa de alguien que, con evidencia débil, planteó una teoría muy dramática y fue considerado equivocado por la mayoría de sus colegas, pero luego apareció evidencia fuerte y se demostró que tenía razón. No se mencionan las miles de hipótesis dramáticas que resultaron ser falsas
Segundo, en las explicaciones para el público general te habrán dicho que cierta proposición filosófica es falsa, pero en realidad, si se presupone la semántica que yo prefiero, es verdadera
¿No va siendo hora de cansarnos de estas historias? ¿A los periodistas científicos no les da vergüenza escribir cosas así?
Quien infirió que esto implica la falacia de que todas o la mayoría de las hipótesis dramáticas son verdaderas fuiste tú, no quien escribió el texto. El autor habla solo de una teoría específica
Contar la historia de una gallina que cruzó la calle no te obliga a contar las historias de todas las gallinas que no cruzaron la calle
Como hay muchos casos en los que teorías hoy establecidas empezaron así, los científicos necesitan examinar las hipótesis polémicas con la mente abierta. En cualquier contexto, es fácil descartar demasiado rápido la evidencia que choca con el propio punto de vista, y eso es una especie de mecanismo de defensa que todos usamos
Es importante reconocer ese sesgo y estar dispuesto a admitirlo cuando uno ve dónde puede fallar su propia teoría
En mi entorno académico es un tema bastante controvertido, pero también agradezco esta forma de pensarlo
Cada vez que leo un texto sobre mitocondrias, recomiendo con fuerza Power, Sex, and Suicide, de Nick Lane, a quienes les interese este tema
Es un libro excelente
Solo leí The Vital Question, pero, como alguien que no es del área, me pareció una muy buena introducción a la bioquímica
La afirmación de que “definir a las mitocondrias como no vivas no es un simple error de clasificación ni una cuestión de elección de palabras, sino un malentendido fundamental sobre su naturaleza y su papel, que afecta profundamente nuestra comprensión de los sistemas biológicos y nuestras herramientas de investigación” fue presentada, pero no respaldada
Si asumimos que todos ya están de acuerdo con los hechos evolutivos y mecánicos de las mitocondrias, no veo bien por qué importa esta distinción
Parece que nadie se opone a que originalmente fueron células de vida libre, a que tienen su propio ADN ni a los hechos relevantes sobre su origen y su funcionamiento dentro de la célula
Al final, es solo una discusión sobre qué significa estar vivo; filosóficamente es interesante, pero no parece importante para la práctica de la biología. Parece un debate puramente semántico sin implicancias más amplias
Esto incluye factores que regulan la expresión génica del mtDNA, como las polimerasas de ADN y ARN mitocondriales, factores de transcripción, enzimas de procesamiento y modificación de ARN, factores de terminación de la transcripción, proteínas ribosomales mitocondriales, aminoacil-tRNA sintetasas y factores de traducción
Los componentes mitocondriales no pueden vivir mucho tiempo sin la célula huésped, así que, al igual que los virus, no cumplen todos los requisitos para ser considerados vida plena
[0] https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC23071/
Mientras leía el texto, esperaba una respuesta a “¿en qué sentido operativo importa esto?”, pero nunca llegó
La pregunta planteada es si debemos considerar a las mitocondrias “vivas”, pero es solo una palabra, así que me pregunto a quién le importa
Si aceptamos esta premisa, ¿qué haríamos de manera diferente?
Por ejemplo, trasplantar mitocondrias de otras especies, como gorilas, a células humanas podría conducir a nuevas terapias
Se trata de salir de la idea fija de que las mitocondrias solo pueden vivir dentro de un entorno específico
“¿Pueden divergir los intereses evolutivos de las mitocondrias y los del organismo?”, “¿Cuántos ADN independientes puede tener un organismo?”, “¿Por qué las mitocondrias no provocan una respuesta inmune, o podrían provocarla?”
Esto es importante porque aprendimos que una célula no siempre necesita evolucionar una función desde cero, sino que puede adquirirla mediante fagocitosis
Además, se convirtió en una herramienta útil para estudiar la evolución por varias razones
Parece que las mitocondrias no están atadas a la célula huésped y pueden moverse entre distintas células. Cada especie tiene mitocondrias distintas, pero los experimentos muestran que las mitocondrias de una especie pueden transferirse a otra
En 1997, científicos aislaron mitocondrias de chimpancés y gorilas, y demostraron que estas se internalizaban e integraban de forma natural en células humanas. También es notable que añadir mitocondrias externas haya mostrado efectos terapéuticos en insuficiencia cardíaca y lesiones de la médula espinal
Por lo tanto, las posibles posiciones ecológicas en las que pueden vivir las mitocondrias son más amplias que sus posiciones ecológicas reales. Parecen más simbiontes que orgánulos, lo cual es sorprendente
Esto llega incluso a preguntas básicas como “¿por qué el ejercicio es bueno para la salud?”
Al leer la rama filosófica y semántica de los comentarios de acá, se me ocurrió que un equivalente mémico de la endosimbiosis podría ser el cristianismo, en especial el catolicismo.
Históricamente, a medida que el cristianismo se expandió por el mundo durante 2.000 años, con frecuencia adaptó y absorbió las creencias y prácticas locales de los grupos convertidos[0]. Muchas desaparecieron con el tiempo, pero algunas se integraron al núcleo y se exportaron globalmente.
También es una época perfecta para pensar en la Navidad[1]. ¿Se puede imaginar el cristianismo sin una de sus dos festividades centrales?
Así que la Navidad quizá sea el equivalente mémico más cercano a las mitocondrias. Todavía se ven los contornos claros de antiguas festividades romanas absorbidas al principio, pero todos esos memes siguen vivos dentro del cristianismo.
Hoy esta festividad es esencial para toda la fe, y por sí sola no puede existir de forma independiente[2].
[0] Me enseñaron que este tipo de absorción era una concesión deliberada para facilitar que la gente aceptara la nueva religión, pero últimamente siento que quizá fue, en el fondo, una consecuencia inevitable. Para mantener la coherencia organizativa y la coherencia de la fe a escala continental hacían falta tecnologías de comunicación y burocracia que no existían hasta hace 100 o 200 años.
[1] Al menos la mayoría de las tiendas hacen creer eso. En el calendario comercial occidental, la Navidad empieza cuando termina Halloween.
[2] Aunque esta podría ser la parte débil de la analogía. En Occidente, la Navidad se ha comercializado tanto que podría sobrevivir como una tradición secular independiente.
La idea es tomar lo bueno de una cultura e integrarlo para ayudar a que la gente se haga cristiana. Que los misioneros aprendan idiomas, traduzcan la Biblia y, si hace falta, creen una forma escrita para esa lengua también es una parte central de la misión cristiana.
Por eso el cristianismo siempre estuvo cerca de una simbiosis de culturas y, como dijiste, estoy de acuerdo en que se parece a la endosimbiosis.
Al principio era puramente judío, adoptó una gran parte del helenismo y, al expandirse por el mundo, incorporó más elementos. Los elementos judíos y helenísticos no se mezclaron por completo, algo que también se parece bastante a las mitocondrias.
Además, para una religión cuya creencia central es que Dios se hizo humano y convirtió la simbiosis de ambos en salvador, esta estructura tiene sentido.
El solo hecho de que todos los niños del mundo aprendan religiosamente que las mitocondrias son la central energética de la célula es prueba suficiente de que mantenemos el pacto primordial y seguimos sujetos a sus términos.
Nombra un solo ente biológico con un mejor departamento de relaciones públicas. Lo más cercano es el pie de atleta, que hace que sus víctimas suenen geniales.
En la clase de biología editamos genéticamente bacterias para que cambiaran de color, y eso fue divertido.
Para el pie de atleta, el mejor tratamiento es remojar los pies 30 minutos en cloro/lejía diluida. Llenas una palangana con agua tibia y agregas cloro hasta que pique un poco.
Haciéndolo tres veces día por medio, como lunes, miércoles y viernes, se soluciona. También hay que limpiar bien los zapatos; para evitar reinfecciones conviene no usar los zapatos infectados por unos días y rociar varias veces el interior con Lysol.
Está el ciclo de Krebs, que los estudiantes de biología memorizan religiosamente, pero en realidad tampoco explica demasiado.
La parte realmente interesante normalmente se despacha como catálisis de “enzimas/proteínas mágicas”. Para entender cómo funcionan las proteínas mitocondriales y la catálisis enzimática, por lo general se necesita nivel de posgrado y formación en bioquímica y biofísica.
Hasta donde sé, nunca adoramos a las mitocondrias. Si contaras el acto de comer como una ofrenda, técnicamente podría ser cierto, pero filosóficamente no.
Un dato clave que falta en el texto es que la mayoría de las proteínas esenciales de la mitocondria, incluidas las necesarias para el ATP y la síntesis de energía, las produce la célula huésped a partir del ADN de la célula huésped.
Así que sí, las mitocondrias tienen algo de ADN y se replican, pero eso no significa que la célula sea simplemente el “entorno” de la mitocondria.
Otro punto interesante es que las mitocondrias pueden unirse entre sí, y a menudo lo hacen para rescatar individuos dañados por errores de transcripción. También pueden transportarse a otras células mediante estructuras parecidas a puentes para reforzar a la célula receptora, un enfoque que actualmente se intenta usar en terapias con células inmunitarias.
Este tipo de accidentes extremadamente improbables me hace pensar que quizá estemos realmente solos en el universo.
Acá “nosotros” significa formas de vida conscientes y civilizadas. La larguísima cadena de eventos sumamente improbables que llevó a nuestra aparición difícilmente se haya repetido en otro lugar, y creo que surgió aunque sea una sola vez gracias a la enorme vastedad de este universo.
Multiplica eso por todo el océano, y luego multiplica las interacciones por miles de millones de años.
Más bien parece imposible que no ocurra una simbiosis así. Por baja que sea la probabilidad, la cantidad de interacciones posibles habría vuelto inevitable este resultado.