From promiscuity to specialization: The origin of cholinergic and monoaminergic signaling is pre-bilaterian

Durante más de un siglo, los biólogos han comprendido que los animales se comunican a través de un complejo lenguaje químico. Las células nerviosas liberan diminutas moléculas llamadas neurotransmisores para decirle a otras células qué hacer, ya sea contraer un músculo, disparar una señal al cerebro o cambiar el comportamiento. Entre estos mensajeros, los más importantes son un grupo conocido como aminas biogénicas, que incluyen sustancias familiares como la dopamina y la serotonina, así como la acetilcolina. Durante décadas, la visión predominante fue que este sofisticado sistema químico era un invento relativamente reciente, que apareció solo cuando los animales bilaterales complejos —criaturas con un lado izquierdo y uno derecho, como los humanos, los insectos y los gusanos— evolucionaron. La idea era que los animales más simples, como las esponjas y las medusas, carecían de la maquinaria molecular específica necesaria para producir, transportar y recibir estas señales, dependiendo en su lugar de formas de comunicación más primitivas.

Un nuevo estudio desafía esta cronología largamente sostenida, sugiriendo que las raíces de nuestro propio sistema nervioso se remontan mucho más profundamente en la historia de la vida. Al examinar los animales más simples de la Tierra, los investigadores descubrieron que las herramientas químicas para este sistema de señalización existían mucho antes de que el primer animal bilateral nadara jamás. Descubrieron que estas criaturas antiguas poseen los mismos ingredientes básicos para fabricar y utilizar estos neurotransmisores, pero los utilizan de una manera mucho más general y flexible. El sistema complejo y especializado que se observa en los humanos y otros animales avanzados parece ser un refinamiento posterior de un kit de herramientas antiguo y versátil que ya estaba presente en el ancestro común de todos los animales.

Los investigadores se propusieron probar si estas señales químicas estaban realmente ausentes en los animales tempranos o si simplemente habían sido pasadas por alto. Recopilaron muestras de cuatro especies distintas que representan diferentes ramas del árbol genealógico animal: una esponja de agua dulce, un pequeño pólipo de agua dulce conocido como Hydra, una anémona de mar y un gusano marino. Utilizando un análisis químico altamente sensible, buscaron la presencia de diversas aminas biogénicas. Los resultados fueron claros: la esponja, el pólipo y la anémona contenían cantidades mensurables de acetilcolina, dopamina, histamina, adrenalina y otros compuestos relacionados. La esponja incluso contenía adrenalina, una sustancia a menudo asociada con la respuesta de "lucha o huida" en los vertebrados. Este hallazgo por sí solo demostró que estas moléculas no eran exclusivas de los animales complejos; estaban presentes en criaturas que carecen de un cerebro centralizado o de un sistema nervioso tal como lo conocemos.

El siguiente paso fue comprender cómo estos animales fabricaban estos productos químicos. En los animales complejos, la producción de neurotransmisores específicos es gestionada por enzimas altamente especializadas, cada una diseñada para crear solo una molécula específica. Los investigadores descubrieron que los animales antiguos no poseían estas enzimas especializadas. En su lugar, poseían versiones más antiguas y flexibles. Estas enzimas ancestrales eran "promiscuas", lo que significa que una sola enzima podía producir una gran variedad de diferentes mensajeros químicos a partir de los mismos materiales de partida. Por ejemplo, la enzima responsable de fabricar la acetilcolina en los humanos es una especialista dedicada. En la esponja y el pólipo, la enzima equivalente es una generalista que maneja principalmente una tarea metabólica diferente, pero también puede producir acetilcolina como un efecto secundario. Esto sugiere que la capacidad de fabricar estas señales no requirió un invento dedicado; surgió naturalmente de los procesos metabólicos que ya estaban activos en las células tempranas.

El estudio también analizó cómo se movían y recibían estos productos químicos. En los animales complejos, transportadores específicos cargan los neurotransmisores en diminutas burbujas de almacenamiento, y receptores específicos en la superficie de las células los captan. Los investigadores descubrieron que los animales antiguos poseían las versiones de amplio espectro de estos transportadores y receptores. Tenían transportadores capaces de mover muchos tipos diferentes de moléculas, y receptores que podían unirse a varias señales diferentes. Sin embargo, sí encontraron una pieza de evidencia crucial de un sistema especializado en el pólipo y la anémona de mar. Estos animales tienen receptores que se unen específicamente a la acetilcolina, y tienen células similares a músculos que responden a esta señal. En el pólipo, estos receptores se encuentran en las células nerviosas, pero también se encuentran en las células que forman la pared corporal, lo que sugiere que la acetilcolina se utiliza para coordinar el movimiento en estos animales simples, al igual que en nuestros propios músculos.

Este descubrimiento redefine nuestra comprensión de cómo evolucionaron los sistemas nerviosos. Sugiere que el lenguaje químico del sistema nervioso no apareció repentinamente con el primer animal complejo. En cambio, los componentes básicos ya estaban allí, dispersos a través de las células de los primeros animales. Estas células utilizaban estos productos químicos para fines de comunicación general y metabólica. A lo largo de millones de años, a medida que los animales se volvieron más complejos, los genes para estas enzimas y receptores fueron copiados y modificados. Este proceso de duplicación permitió que el sistema se volviera más especializado, con enzimas dedicadas que fabrican señales específicas y receptores dedicados que las leen con alta precisión. El sistema de comunicación complejo y de alta velocidad del cerebro humano es, por tanto, no un invento totalmente nuevo, sino una versión altamente refinada de un sistema de propósito general antiguo que ha estado en uso desde el inicio de la vida animal.

Los investigadores confirmaron estos hallazgos examinando los planos genéticos de estos animales. Rastrearon la historia evolutiva de los genes responsables de fabricar y mover estos productos químicos, mostrando que las versiones especializadas que se encuentran en los humanos son descendientes directos de las versiones amplias y flexibles que se encuentran en las esponjas y las medusas. También utilizaron modelos computacionales para predecir cómo se comportarían los receptores del pólipo, confirmando que son estructuralmente capaces de unirse a la acetilcolina con la misma fuerza que los receptores humanos. Esta convergencia de detección química, análisis genético y modelado estructural proporciona una imagen robusta del pasado. Muestra que la transición de una señal química simple y general a un sistema nervioso complejo y especializado fue un proceso de especialización gradual, no un salto repentino.

Las implicaciones de este trabajo se extienden más allá de la comprensión del pasado. Sugiere que los mecanismos fundamentales de la comunicación celular están profundamente conservados en todo el reino animal. La capacidad de utilizar pequeñas moléculas para influir en el comportamiento celular es una propiedad que se remonta a los primeros animales multicelulares. Los sistemas especializados que vemos en los humanos están construidos sobre este antiguo fundamento. Al estudiar los animales más simples, los científicos pueden ver las materias primas con las que se construyó nuestra propia biología compleja. El estudio concluye que los sistemas de señalización química de los que dependemos para el pensamiento, el movimiento y la sensación no son únicos de nosotros, sino que son un rasgo heredado de un ancestro común que vivió cientos de millones de años atrás, mucho antes de que existiera el primer animal bilateral.