Un descubrimiento casual reescribe la historia de la respiración
Los científicos han descubierto una variante de una molécula de quinona, la metilplastoquinona. Pudieron detectarla en una bacteria utilizadora de nitrógeno (Nirtospirota) y demostrar que los fundamentos de la respiración oxigenada se desarrollaron hace más de 2.300 millones de años, mucho antes de que hubiera oxígeno en la atmósfera. Los resultados, elaborados bajo la dirección de la Universidad de Kiel (CAU), se publicaron en la revista internacional Proceedings of the National Academy of Science (PNAS).
El Dr. Felix Elling utiliza métodos muy especializados para analizar las muestras. En el laboratorio, las estructuras moleculares se determinan mediante cromatografía líquida de alto rendimiento acoplada a espectrometría de masas.
Jürgen Haacks / Uni Kiel
Ningún acontecimiento en la historia de la Tierra ha proporcionado a los organismos vivos tanta energía como el desarrollo de la respiración por oxígeno. Gracias a ella fue posible convertir eficazmente los alimentos en energía. Sin embargo, cuándo y en qué organismos se desarrolló esta capacidad y qué proceso surgió primero: la fotosíntesis, que libera oxígeno, o la respiración oxigenada, que lo utiliza, es objeto de debate científico. Un descubrimiento casual realizado por un equipo internacional de investigadores podría proporcionar ahora una pista decisiva sobre la secuencia evolutiva de estos procesos. Bajo la dirección de la Universidad de Kiel, los científicos descubrieron una variante de una molécula de quinona, la metilplastoquinona. Pudieron detectarla en una bacteria utilizadora de nitrógeno (Nirtospirota) y demostrar así que las bases de la respiración oxigenada se desarrollaron hace más de 2.300 millones de años, es decir, mucho antes de que existiera el oxígeno en la atmósfera.
El equipo de investigadores descubre una nueva variante de la molécula
"Estábamos estudiando bacterias para un proyecto completamente distinto cuando observamos un cambio inusual en una molécula de una bacteria que utiliza nitrógeno", explica el primer autor del estudio, el Dr. Felix Elling, del Laboratorio Leibniz de Determinación de la Edad e Investigación Isotópica de la Universidad de Kiel, al describir el descubrimiento accidental. "Sospechamos desde el principio que podría tratarse de un componente básico crucial relacionado con el desarrollo de la fotosíntesis y la capacidad de respirar oxígeno", prosigue Elling, que comenzó sus investigaciones en la Universidad de Harvard (EE UU).
El equipo internacional de investigación, que incluye investigadores de la Universidad de Bremen, la Universidad de Grenoble (Francia) y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, EE UU), además del CAU, descubrió la metilplastoquinona, una variante de una molécula llamada quinona. Hasta ahora, los investigadores habían supuesto que sólo existían dos tipos distintos de quinonas que se dan en todos los organismos vivos y controlan el metabolismo: las quinonas anaeróbicas de las bacterias, que no respiran oxígeno, y las quinonas aeróbicas, que utilizan las plantas para la fotosíntesis y los humanos, animales o bacterias para la respiración oxigenada. Los investigadores han descubierto ahora por primera vez un tercer tipo, la metilplastoquinona. Ésta tiene la estructura básica de las quinonas aerobias, pero conserva algunas características de la forma anaerobia. "Encontrar una quinona similar a la que utilizan las plantas para la fotosíntesis en una bacteria que respira oxígeno fue algo muy inusual. Nos dimos cuenta de que la metil plastoquinona podría ser un tercer tipo de quinona y posiblemente represente el eslabón perdido entre los dos tipos de quinona", explica Felix Elling. El equipo sólo encontró la molécula, desconocida hasta entonces, en bacterias del filo Nitrospirota, organismos que desempeñan un papel fundamental en el ciclo global del nitrógeno.
La molécula existía hace más de 2.300 millones de años
Los resultados de los investigadores de Kiel e internacionales también contribuyen significativamente a una mejor comprensión de un acontecimiento geológico, el llamado Gran Acontecimiento de Oxigenación, que se produjo hace unos 2.300 a 2.400 millones de años. Este acontecimiento marcó un punto de inflexión en la historia de la respiración, ya que las cianobacterias empezaron a producir por primera vez grandes cantidades de oxígeno a través de la fotosíntesis, posibilitando así un metabolismo aeróbico. La existencia de la metilplastoquinona refuta ahora la hipótesis de que la fotosíntesis fue lo primero. La molécula y su vía biosintética son un indicio decisivo de que algunas bacterias ya eran capaces de utilizar el oxígeno antes de que las cianobacterias empezaran a producirlo.
En su trabajo, el equipo internacional de investigadores pudo identificar la forma original de esta molécula, que constituyó la base de adaptaciones posteriores: una para funciones en algas y plantas y otra en las mitocondrias del organismo humano. "Esta molécula es una cápsula del tiempo", resume Elling. "Un fósil viviente de una molécula que ha sobrevivido durante más de dos mil millones de años".
Los fundamentos de la respiración de oxígeno se establecieron tempranamente en las bacterias
Así pues, los fundamentos de la respiración del oxígeno se establecieron muy pronto en la historia de la Tierra. Más tarde, hace unos 2.500 millones de años, cuando se acumuló mucho oxígeno en la atmósfera, se desarrolló la capacidad de utilizarlo para producir energía. Esta innovación evolutiva de la respiración del oxígeno fue adoptada por los eucariotas. En las células de los eucariotas, incluidos los humanos, este acontecimiento evolutivo se ha transmitido a las mitocondrias, las centrales energéticas de nuestras células.
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Publicación original
Felix J. Elling, Fabien Pierrel, Sophie-Carole Chobert, Sophie S. Abby, Thomas W. Evans, Arthur Reveillard, Ludovic Pelosi, Juliette Schnoebelen, Jordon D. Hemingway, et al.; "A novel quinone biosynthetic pathway illuminates the evolution of aerobic metabolism"; Proceedings of the National Academy of Sciences, Volume 122, 2025-2-20
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