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Red metabólica del último ancestro común bacteriano

Las bacterias son las células más abundantes de la Tierra. Generalmente se las considera antiguas, pero debido a la sorprendente diversidad de sus capacidades metabólicas y la transferencia lateral generalizada de genes, se desconoce la fisiología de la primera bacteria. A partir de 1089 genomas de referencia de anaerobios bacterianos, se identificaron 146 familias de proteínas que se remontan al último ancestro común bacteriano, LBCA, y forman el núcleo predicho conservado de su red metabólica, que requiere solo nueve genes para abarcar todos los metabolitos universales.

Nuestros resultados indican que el LBCA realizó gluconeogénesis hacia la síntesis de la pared celular y tenía numerosas modificaciones de ARN y enzimas multifuncionales que permitían la vida con bajo contenido génico. De acuerdo con hallazgos recientes para LUCA y LACA, los análisis de miles de árboles genéticos individuales indican que el LBCA tenía forma de bastón y el primer linaje en divergir del tallo bacteriano ancestral fue más similar a los Clostridia modernos, seguido de otros autótrofos que albergan el acetil -Vía CoA.

Las bacterias no solo son las más abundantes, sino que comprenden el dominio más diverso en términos de fisiología y metabolismo y, en general, se las considera antiguas. Las firmas isotópicas trazan la autotrofia a 3.9 mil millones de años atrás en el tiempo. Basado en la universalidad del código genético, la quiralidad de los aminoácidos y las monedas metabólicas universales, existe un acuerdo de que un último ancestro común universal (LUCA) precedió a la divergencia de bacterias y arqueas. Debido a que los dominios bacterianos y arqueales son monofiléticos, existe evidencia de un ancestro claro para cada dominio: el último ancestro común bacteriano (LBCA) y el último ancestro común arqueológico (LACA).

Tanto la filogenómica como la evidencia geológica indican que LACA era un metanógeno o un autótrofo anaeróbico similar que fijaba carbono a través de la vía Wood-Ljungdahl (también conocida como acetil-CoA). Sin embargo, la reconstrucción del hábitat y el estilo de vida del LBCA se ve afectada por la transferencia lateral de genes (LGT), que disocia la evolución fisiológica de la filogenia ribosómica. Como LUCA y LACA, LBCA debe haber sido un anaerobio, porque la acumulación de oxígeno atmosférico ocurrió mucho más tarde en la historia de la Tierra, como producto del metabolismo de las cianobacterias.

Xavier et al., 2021

Las redes metabólicas a escala del genoma se infieren a partir de un genoma completo y el correspondiente conjunto completo de anotaciones funcionales (metabólicas), lo que permite modelos predictivos de crecimiento y conocimientos sobre fisiología. Además, el metabolismo en sí está conectado a la máquina de procesamiento de información en la célula, porque las enzimas se codifican en el ADN, se transcriben y traducen, mientras que también producen los componentes básicos del ADN y el ARN y los polimerizan. Sin embargo, el metabolismo es mucho más versátil que el procesamiento de información.

Se ha propuesto que las bacterias Gram negativas se originaron a partir de bacterias Gram positivas por un evento de esporulación, hipótesis que es compatible con los resultados de este artículo. La formación de endosporas es específica de Firmicutes, lo que implica que si la esporulación era un rasgo antiguo, posteriormente se perdió antes de la divergencia de la mayoría de los otros linajes anaeróbicos. Las esporas podrían haber sobrevivido en los entornos geológicamente desafiantes de la Tierra primitiva, y la pérdida de esporulación en entornos más moderados es fácil.

En términos de fisiología, la vía acetil-CoA es sin duda una ruta bioquímica antigua. Según la medida de los análisis presentados, varios linajes que lo utilizan para la supervivencia también parecen ser antiguos. La reconstrucción del metabolismo del LBCA revela la presencia de varias enzimas multifuncionales, lo que reduce el número de genes necesarios para su viabilidad, una importante consecuencia evolutiva de la promiscuidad enzimática ancestral y posiblemente una estrategia general entre los primeros procariotas. La fisiología del LBCA reconstruida a partir de anaerobios revela rasgos que se adaptan bien al entorno inhóspito de la Tierra primitiva.

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https://www.nature.com/articles/s42003-021-01918-4