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Científicos de Facultad de Ciencias y Arabia Saudita cambian paradigma de la biología celular al descubrir el nucleolo en procariontes

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Científicos de Facultad de Ciencias y Arabia Saudita cambian paradigma de la biología celular al descubrir el nucléolo en procariontes

por Susana Paz

Ciudad Universitaria. CDMX. 13 de febrero de 2023.- Un equipo de científicos de la Facultad de Ciencias, UNAM (FC), el Instituto de Biología (IB-UNAM) y la King Abdullah University of Science & Technology (KAUST) de Arabia Saudita dieron a conocer los hallazgos de una investigación de seis años que los llevó a encontrar y describir la presencia de nucléolo en arqueas, un grupo de las células procariontes. El trabajo fue publicado a principios de febrero de este año en la prestigiosa revista Frontiers in Microbiology. 

El descubrimiento tuvo su origen en la investigación de tesis doctoral de Parsifal Islas Morales, bajo la asesoría del doctor Luis Felipe Jiménez García del Laboratorio de Nanobiología Celular de la FC y es el resultado de buscar la existencia de un nucléolo más allá de las células que tradicionalmente tienen núcleos (eucariontes), además de que conjuga el esfuerzo y colaboración de un equipo de trabajo de diferentes países, la diplomacia de la ciencia entre México y Arabia Saudita, el uso de una combinación de técnicas de investigación y una nueva metodología que busca unir las técnicas de la biología celular con los métodos de la biología evolutiva. 

Con el título Ultrastructural and proteomic evidence for the presence of a putative nucleolus in an Archaeon, el equipo estuvo conformado, además de los investigadores de la UNAM, por Christian Voolstra (Universidades KAUST y Konstanz), Anny Cardenas (KAUST y George Washington University), y María Mosqueria (KAUST y NEOM).

“El hallazgo rompe un paradigma. ¿Nucléolo en procariontes? Suena de entrada casi una locura, suena extraordinario, pero tiene una lógica y un fundamento que se muestra a través del proyecto. Aún así no deja de ser sorprendente que podamos decirlo; el nucléolo como estructura característica de los núcleos de eucariontes y ahora sale de ese grupo y está presente en otro; esto abre muchas posibilidades de investigación”, afirmó el doctor Luis Felipe Jiménez, reconocido a nivel mundial por sus aportaciones en la biología celular y la microscopía.

En entrevista ambos científicos coincidieron en que el impacto de este trabajo es que puede interpretarse como un cambio de paradigma en la biología, es decir, en la división que existe desde hace más de 100 años entre células eucariontes (con núcleo) y procariontes (sin núcleo), como lo señalan incluso los libros de texto que se utilizan en la secundaria y la preparatoria. 

Los investigadores admiten que el hallazgo es inquietante, el nucléolo es una estructura descrita hasta ahora en todos los eucariontes, los seres vivos que tienen células con núcleo en donde está albergado casi todo el genoma. 

“Esto tiene dos consecuencias importantes a nivel de nuestro entendimiento de la vida en la Tierra: la primera es que el nucléolo probablemente es más antiguo que el propio núcleo celular, el nucléolo ya existía en las arqueas y probablemente tuvo su origen y evolución temprana en el ancestro común de arqueas y eucariontes. Las arqueas son organismos poco explorados, muy cercanos a nuestro entendimiento sobre el origen de la vida. La segunda gran aportación es que el descubrimiento no es resultado de un tropiezo o una serendipia, sino que es el resultado de una nueva metodología en biología celular evolutiva desarrollada por el equipo”, expresa Parsifal Islas quien cursó el doctorado en Ciencias Biomédicas en la sede de la Facultad de Medicina, UNAM.  

Este hallazgo abre una ruta de investigación sobre una estructura que es característica de un gran grupo de seres vivos (eucariontes) a los que pertenece nuestra especie junto con muchos otros organismos como las plantas, los hongos, los protozoarios, pero ahora —el nucléolo— refuerza una relación de parentesco con las arqueas, hay un nuevo carácter de parentesco a nivel celular que visto con el microscopio se inserta en nuestra noción moderna del árbol de la vida, lo que refuerza el concepto de ancestros comunes en la jerga biológica, afirma Luis Felipe Jiménez.

Biología celular evolutiva e impregnación con plata

Parsifal Islas, actualmente adscrito al Instituto de Biología como coordinador general de la Cátedra UNESCO de Diplomacia y Patrimonio de la Ciencia, explica el interés que tuvieron de ver la evolución a través del microscopio y poder combinar, por un lado, los estudios de biología celular que utilizan microscopios, técnicas in situ, es decir, poder ver con los ojos los procesos biológicos a través del microscopio y combinarlos con una perspectiva evolutiva que, afirma, es finalmente lo que unifica a las disciplinas biológicas en la actualidad. 

Otra de las aportaciones de la investigación es la implementación de una nueva metodología para poder unir las técnicas de la biología celular con los métodos de la biología evolutiva y de esa manera aproximarse de forma experimental al origen de los organelos celulares. Una aproximación que fue propuesta por los autores hace unos años en la revista de la Academia de Ciencias de la India, Journal of Biosciences.

“La mayoría de los biólogos evolutivos actualmente utilizan herramientas filogenéticas o computacionales, nosotros lo que proponemos en una nueva disciplina con la que nos identificamos que se llama biología celular evolutiva es que se puede combinar tanto la cuestión filogenética, que en este caso es saber que las arqueas son el grupo hermano de los eucariontes —la cual es una noción muy reciente—, que permite ir reconstruyendo la historia de las especies y los seres vivos, y por otro lado saber qué vamos a buscar exactamente con el microscopio en ciertas arqueas. Esto es muy interesante porque podemos ver con nuestros propios ojos la historia evolutiva de los organelos, incluso en seres que existen actualmente como estas arqueobacterias, que han existido desde hace miles de millones de años”. 

Una de las técnicas que utilizaron para la investigación fue la de impregnación con plata amoniacal (AgNOR) específica para el nucléolo, derivada de las técnicas de impregnación argéntica, que permite visibilizar una estructura con un alto contraste blanco contra negro. 

“A veces en la investigación el camino más sencillo es el que te revela lo que quieres descubrir, y en este caso tanto a Luis Felipe como a mí nos gusta mucho estudiar cómo los microscopistas de hace más de 100 años hacían su trabajo. Curiosamente una de las técnicas más famosas en la microscopía es la técnica de impregnación con plata. Es la que utilizó Santiago Ramón y Cajal para describir la estructura de las neuronas y también la técnica que empleó Camillo Golgi para describir el aparato de Golgi. Pues resulta que es casi la misma que nosotros utilizamos para encontrar el nucléolo en las arqueas; hicimos algo similar que Golgi y que Ramón y Cajal, es decir, usar un microscopio óptico como el que se usan hoy en día incluso en las prácticas de secundaria”. 

No conformes con eso lo llevaron a la microscopía electrónica y con esa técnica pudieron confirmar el detalle ultraestructural del nucléolo. De esta manera implementaron una combinación de técnicas. 

“Nosotros nos sentimos muy orgullosos como biólogos celulares y microscopistas de ser herederos de una larga tradición con herramientas que no han caducado, la microscopía sigue ganando premios Nobel como el de 2015 por la superresolución. El hecho de que el descubrimiento del nucléolo se resuelva conectando una técnica de más de 100 años con las técnicas más recientes de la genómica y la proteómica, nos entusiasma mucho”, afirma Parsifal. 

Colaboración y diplomacia científica

El trabajo es resultado de la colaboración con la King Abdullah University of Science & Technology (KAUST) de Arabia Saudita y surgió a partir de la necesidad de complementar las capacidades científicas que tenían en la UNAM, particularmente en el Laboratorio de Nanobiología Celular de la FC. 

El principal reto era poder cultivar las arqueobacterias, que son organismos que viven en condiciones extremas como son los ambientes volcánicos o el mar profundo donde hay actividad volcánica. 

La primera opción que consideraron era comprar la arqueobacteria, pero se enfrentaron a problemas administrativos y de importación. Luego tuvieron una potencial colaboración con el Instituto Pasteur en Francia, que no cristalizó por algunos desafíos administrativos. 

“Sin embargo, son este tipo de retos a los que los universitarios nos enfrentamos todos los días los que nos hacen ser más creativos y buscar alternativas”, afirma Parsifal Islas. 

Fue durante sus estudios de licenciatura —cuya tesis también realizó bajo la tutoría de Luis Felipe Jiménez— que hizo una estancia en la KAUST, que es una universidad relativamente nueva y se ha convertido en el gran proyecto de ciencia y tecnología del reino de Arabia Saudita ya que cuenta con la mejor infraestructura científica del mundo y el mayor financiamiento científico después de Harvard. 

Con contactos hechos allá surgió la opción de proponerles el proyecto para que lo financiaran. Y accedieron. 

“En particular el doctor Christian R. Voolstra, que es una eminencia en el estudio de biología marina y los arrecifes de coral, pero que como buen científico curioso dijo, este tema es importante para toda la biología y decidió apoyarlo desde un inicio y fue en su laboratorio el Centro de Investigación del Mar Rojo (RSRC), que realizamos el cultivo de estas arqueobacterias e hicimos el procesamiento de las muestras”, explica Parsifal. 

Tanto él como el doctor Luis Felipe Jiménez estuvieron en Arabia Saudita; Parsifal de manera permanente durante varios años y Luis Felipe regularmente. 

“Sin darnos cuenta estábamos haciendo esta diplomacia de la ciencia, estábamos conectando dos comunidades que estaban interesadas en un progreso común y era distinto de ir a Europa y Estados Unidos, donde siempre aspiramos a las instituciones que consideramos con larga tradición pero que no necesariamente pueden tener los mismos intereses o estar en una igualdad de circunstancias que nosotros”, expresa el investigador. 

Afirma que fue muy importante el vínculo con Arabia Saudita porque se trató de una colaboración entre países que están buscando su desarrollo científico y que se complementan en este caso con una idea “alocada” en la ciencia y con la posibilidad de poder realizarla sin los problemas de suministro que pueden surgir.

Con Christian R. Voolstra diseñaron la investigación que inesperadamente los llevó a más preguntas y actualmente es un trabajo muy completo porque aparte de la microscopía electrónica que se realizó en la FC, María Mosqueira realizó el cultivo de las arqueas. También influyó el uso de herramientas de proteómica de última generación que realizó Anny Cárdenas y toda la parte de interpretación evolutiva que trabajaron entre todos. 

De esta manera la investigación también es el resultado de la diplomacia de la ciencia entre México y Arabia Saudita. A través de esta interacción se dio la posibilidad de que las autoridades de KAUST vinieran a México y visitaran la FC. Después de esa visita al menos diez estudiantes de diversas carreras de la FC que estuvieron en las pláticas fueron aceptados para realizar estudios de posgrado en KAUST. 

Para los investigadores conectar a los pueblos a través de la ciencia es apasionante y ahora la UNAM cuenta con una Cátedra UNESCO de Diplomacia y Patrimonio de la Ciencia que está alojada en el Instituto de Biología de la UNAM y en la que trabaja actualmente Parsifal Islas bajo la tutela de la doctora Ana María Cetto.

Si bien la investigación estaba planeada para durar un año, esta se extendió a seis con los procesos administrativos, algunos derivados de la pandemia por el coronavirus; no obstante, la parte experimental duró un año ya que tenían una metodología bien definida. 

“Una de las cosas importantes de haberme formado con el doctor Luis Felipe Jiménez es que es un profesor que todavía tiene esa tradición de que los alumnos que no solamente sean expertos en un tema muy específico o tengan un dominio técnico del laboratorio, sino que te impulsa a ser un profesional que sepa pensar, que sepa proponer una investigación y que tenga un punto de vista crítico. La parte teórica nos llevó dos años de divagación necesaria hasta encontrar la metodología que íbamos a utilizar, la parte experimental nos llevó un año quizá un poco menos de tiempo efectivo de laboratorio. Encontrar el nucléolo y verlo fue relativamente rápido porque ya había una base, los otros tres años incluyeron otro tipo de problemas que hay que sobrellevar. En total fueron seis años de muchas enseñanzas y maduración”. 

Las arqueas (Dominio: Archaea) son organismos unicelulares. Son muy parecidas a las bacterias pero por sus características tan particulares, a partir de la década de los 70 se consideraron como una forma de vida más en la Tierra, distinta a la de las bacterias (Dominio: Bacteria) o a la del resto de seres vivos que conocemos como las plantas, animales, hongos y protozoarios (Dominio: Eukarya).

Son organismos microscópicos, sus células están envueltas con una cubierta (pared celular) hecha de diversos materiales que les confieren alta resistencia contra los antibióticos u otras sustancias dañinas. 

Aunque son comunes en los ambientes terrestres y marinos, algunas tienen hábitos de vida tan peculiares que se han ganado el adjetivo “extremófilas", debido a que están adaptadas a vivir en lugares donde las condiciones ambientales son extremas: altas o bajas temperaturas; elevadas concentraciones de sal o bajos pH, donde prácticamente sería imposible la sobrevivencia de cualquier otro ser vivo.

Fuente: Biodiversidad mexicana

Reforzar la pasión por generar conocimiento

A sus 30 años, Parsifal Islas tiene una brillantez y fluidez cuando describe la historia y los detalles de esta investigación. A su lado, el doctor Luis Felipe Jiménez afirma que una de las satisfacciones de este resultado es contribuir a que la FC siga teniendo aportes importantes con el desarrollo de líneas de investigación novedosas. 

“Decir que estamos participando en la ruptura de un paradigma nos da confianza de que lo que estamos haciendo tiene relevancia, está bien hecho y abre las posibilidades de que sigamos construyendo plataformas de generación de conocimiento. Sobre todo, y principalmente, el seguir formando estudiantes que seguirán participando en esta construcción, aquí y en otros lados. Me da mucha satisfacción que estudiantes que se forman desde la carrera puedan llegar a este punto, que busquen posibilidades de insertarse en la producción de plataformas de conocimiento de relevancia mundial”. 

Parsifal Islas afirma que este resultado le da una inmensa alegría y refuerza su pasión que como universitario tiene por generar conocimiento nuevo, porque es una investigación que por un lado es original, que tiene un impacto fuerte en la biología, pero por otro lado es algo que no hubiera sido posible sin un ambiente de libertad de investigación como el que se propicia en el Laboratorio de Nanobiología Celular y que también encontraron en Arabia Saudita, un país en desarrollo que está apostando todo por la ciencia.

“Una de las enseñanzas es que lo más importante como investigador y académico es poder investigar en libertad y que la sociedad te otorgue esa confianza ya sea con recursos o con reconocimiento. El nucléolo es un tema que aparentemente no tiene una aplicación a nivel tecnológico, pero nosotros diferimos de eso, puede tener una aplicación en ramas actuales de interés para México como la astrobiología, pues el país apuesta por una agencia latinoamericana y caribeña del espacio. Entender el nucléolo de las arqueas nos permite entender cómo es la biología celular de los organismos que viven en condiciones extremas y que son las mismas que encontraríamos probablemente en otros planetas. Este proyecto es una gran satisfacción por el conocimiento y por la libertad que nos deja”, afirma Parsifal Islas.