Heimdall SNAREs reveal an ancestral architecture of eukaryotic SNARE complexes

La vida tal como la conocemos se basa en una división fundamental entre dos tipos de células. Un tipo, presente en bacterias y arqueas, es simple y carece de compartimentos internos. El otro, presente en plantas, animales y hongos, es complejo, lleno de habitaciones distintas como el núcleo y las mitocondrias que producen energía. Durante décadas, los científicos se han preguntado cómo surgió esta célula compleja, con su intrincado sistema de transporte interno, a partir de un ancestro más simple. Una pista importante reside en la maquinaria que mueve materiales entre estas habitaciones internas. En las células complejas, diminutas burbujas llamadas vesículas transportan carga de un lugar a otro, fusionándose con las membranas objetivo para entregar su contenido. Esta fusión es impulsada por un conjunto específico de proteínas que actúan como cremalleras moleculares, tirando de dos membranas hasta que se fusionan. Estas proteínas, conocidas como SNARE, son esenciales para la vida en los organismos complejos, pero su origen evolutivo ha sido un misterio. ¿Apareció esta sofisticada maquinaria de repente con la primera célula compleja, o evolucionó de un sistema más simple que existía en nuestros ancestros antiguos?

Para responder a esto, los investigadores centraron su atención en un grupo de organismos microscópicos llamados arqueas Asgard. Descubiertos relativamente hace poco mediante el análisis genético de sedimentos oceánicos, estos organismos unicelulares son los parientes más cercanos conocidos de los ancestros de la vida compleja. Algunas especies dentro de este grupo, específicamente aquellas llamadas Heimdallarchaeota, han demostrado poseer genes que se parecen sorprendentemente a los utilizados por las células complejas para el transporte interno. Entre estos genes se encuentran instrucciones para fabricar proteínas que se asemejan a las cremalleras SNARE. Sin embargo, tener el plano genético no es lo mismo que demostrar que la máquina funciona. La pregunta crítica era si estas proteínas antiguas podrían realmente ensamblarse en los haces estables de cuatro hebras requeridos para fusionar membranas, o si eran simplemente remanentes rotos de un sistema que nunca funcionó de la manera en que lo vemos hoy.

Un equipo de científicos se propuso probar esto aislando y estudiando estas proteínas SNARE de Heimdall en el laboratorio. Se centraron en una proteína específica, a la que llamaron HPS1, encontrada en un organismo de Heimdallarchaeota. Primero, purificaron la proteína y examinaron sus propiedades físicas. Descubrieron que la proteína era increíblemente estable, resistiendo el calor y el estrés químico que destruirían a la mayoría de las otras proteínas. Cuando analizaron su forma en solución, la proteína no flotaba como una sola hebra; en su lugar, se agrupaba espontáneamente con tres copias idénticas de sí misma para formar un haz apretado de cuatro hebras. Este fue un hallazgo significativo porque, en las células complejas, el haz funcional está compuesto por cuatro tipos diferentes de proteínas trabajando juntas. El hecho de que la versión antigua pudiera formar un haz estable utilizando cuatro copias idénticas sugería una versión ancestral más simple de la maquinaria.

Para ver exactamente cómo se construía este haz, los investigadores cultivaron cristales de la proteína y utilizaron rayos X para mapear su estructura atómica. La imagen resultante reveló una cuerda larga y retorcida hecha de cuatro hélices idénticas envueltas unas alrededor de otras. En el centro mismo de este haz había una capa específica donde cuatro grupos químicos idénticos, hechos del aminoácido glutamina, se encontraban. En las células complejas, esta capa central suele estar formada por una mezcla de diferentes grupos químicos, creando una estructura asimétrica que es crucial para el proceso de fusión. Los investigadores descubrieron que el haz antiguo era perfectamente simétrico, con los cuatro lados viéndose exactamente iguales. A pesar de esta simetría, el núcleo del haz estaba empaquetado de forma tan apretada y segura como las versiones complejas que se encuentran en las células humanas. Esto indicó que la arquitectura fundamental del haz SNARE existía mucho antes de que las células complejas evolucionaran, originándose de un sistema homogéneo de cuatro partes idénticas.

Los investigadores utilizaron luego simulaciones por computadora para explorar cómo podría haberse comportado este haz antiguo en comparación con la versión moderna. Probaron si el simple hecho de intercambiar uno de los cuatro grupos de glutamina idénticos por un grupo químico diferente, como se ve en las células complejas, crearía inmediatamente la estructura asimétrica que existe hoy. Las simulaciones mostraron que este simple intercambio no funcionó; el haz no se reorganizó espontáneamente en la forma compleja y asimétrica. En cambio, el diseño simétrico antiguo permaneció estable por sí solo. Esto sugiere que la transición del sistema simple de cuatro partes idénticas al sistema complejo y especializado de cuatro partes no fue un cambio rápido o accidental. Probablemente requirió un proceso evolutivo más largo donde las proteínas cambiaron y se especializaron gradualmente con el tiempo.

Experimentos adicionales demostraron que, cuando los investigadores insertaron la versión de longitud completa de esta proteína antigua en células humanas, esta viajó con éxito al sistema de membrana interna de la célula, específicamente al retículo endoplasmático. Esto demostró que la proteína antigua era compatible con la maquinaria celular de la vida compleja, capaz de insertarse en las membranas y encontrar su camino hacia la ubicación correcta. El estudio también analizó la historia genética de estas proteínas, encontrando que están presentes en varias especies de Heimdallarchaeota pero ausentes en otros grupos relacionados. Esta distribución respalda la idea de que el ancestro de la vida compleja probablemente poseía este tipo específico de proteína SNARE antes de separarse de sus primos arqueanos.

Los hallazgos pintan un cuadro claro de cómo pudo surgir la complejidad celular. La maquinaria esencial para mover materiales dentro de una célula no apareció de la nada cuando se formó la primera célula compleja. En cambio, evolucionó de un sistema preexistente en un antiguo ancestro arqueano. Este ancestro poseía un haz de proteínas simple y simétrico que podía formar estructuras estables. A lo largo de millones de años, este kit básico fue duplicado y modificado, dando lugar finalmente al conjunto diverso y especializado de proteínas que impulsan los complejos sistemas de transporte interno de las plantas y animales modernos. El estudio confirma que las raíces profundas de nuestra complejidad celular residen en el mundo antiguo y simétrico de las arqueas, donde se dieron los primeros pasos hacia la intrincada maquinaria de la vida mucho antes de que existiera la primera célula compleja.