Científicos del Instituto de Tecnología de California han arrojado nueva luz sobre cómo evolucionaron los órganos, con la ayuda de un tipo de escarabajo.
Los escarabajos rove han desarrollado un tipo único de órgano para protegerse: una glándula química que utilizan para rociar a los depredadores con sustancias tóxicas.
Su trabajo revela un nuevo paradigma sobre cómo pueden evolucionar los órganos complejos en todo el reino animal.
Los órganos, como el corazón, el cerebro y los riñones, son estructuras complejas formadas por una combinación de distintos tipos de células que trabajan de forma cooperativa para desempeñar funciones específicas. Por ejemplo, alrededor de 70 tipos distintos de células trabajan juntas en el ojo humano para permitir nuestra percepción visual. ¿Cómo evolucionan los diferentes tipos de células para cooperar de esta manera?
Un organismo ideal para abordar esta cuestión es el escarabajo rove. Esto se debe a que muchas de las 64 000 especies de escarabajos rove han desarrollado un tipo único de órgano para protegerse: una glándula química que utilizan para rociar a los depredadores con sustancias tóxicas. Ahora, los investigadores de Caltech han identificado el proceso preciso mediante el cual estas glándulas evolucionaron en el escarabajo rove Dalotia coriaria. El trabajo revela un nuevo paradigma sobre cómo pueden evolucionar los órganos complejos en todo el reino animal.
La investigación se llevó a cabo en el laboratorio de Joe Parker, profesor adjunto de biología e ingeniería biológica. Un artículo que describe el estudio aparece en la revista Cell el 9 de diciembre.
Los escarabajos rove, como Dalotia necesitan sistemas de defensa química porque sus cuerpos no pueden protegerlos físicamente de los depredadores. A diferencia de otros tipos de escarabajos, los escarabajos rove tienen abdómenes flexibles que les permiten abrirse paso y ocupar entornos del suelo donde otros escarabajos no pueden establecerse. Sin embargo, esta flexibilidad significa que los abdómenes de los escarabajos están desprotegidos, lo que les impone una fuerte presión evolutiva para desarrollar defensas químicas.
Los escarabajos Dalotia utilizados en el presente estudio tienen una denominada glándula tergal que libera un desagradable cóctel compuesto por dos tipos de compuestos. El primero es una benzoquinona, un compuesto altamente tóxico que existe por sí solo en forma sólida y, por tanto, no es peligroso para los depredadores. La segunda parte del cóctel es un disolvente (una mezcla de un alcano y tres ésteres) en el que pueden disolverse las benzoquinonas. La mezcla disolvente por sí sola también es inocua; sin embargo, cuando disuelve las benzoquinonas, las convierte en armas.
Cuando se enfrenta a un depredador, Dalotia levanta el abdomen, al estilo de un escorpión, y expulsa el cóctel contra su enemigo desde la glándula tergal.
En este trabajo, los investigadores del laboratorio de Parker descubrieron que la glándula tergal está formada por dos tipos celulares únicos: uno que produce benzoquinonas sólidas y otro que produce el disolvente que disuelve estas sustancias nocivas.
«Estos escarabajos son modelos fantásticos para comprender cómo surgen nuevos tipos de relaciones ecológicas durante la evolución a través de cambios a nivel molecular, celular y conductual», afirma Parker. «Como parte de esta cuestión, nos interesa mucho saber cómo los escarabajos rove han ido ensamblando estas estructuras glandulares en sus abdómenes, que están formadas por distintos tipos de células que trabajan juntas. Estas estructuras encarnan un gran enigma: ¿cómo evolucionan los órganos complejos, a menudo compuestos por muchos tipos celulares diferentes que parecen cooperar entre sí sin problemas? Cómo surge esta cooperatividad durante la evolución es difícil de explicar».
Mediante la secuenciación de ARN de célula única, el equipo analizó la expresión génica en cada tipo celular, lo que les permitió encontrar las vías enzimáticas biosintéticas que conducen a la producción de cada tipo de compuesto. A continuación, crearon un «atlas» de célula única del abdomen del escarabajo que les permitió examinar la expresión génica en todos los demás tipos de células abdominales. Con este enfoque, el equipo descubrió que cada tipo de célula glandular y su función especializada surgieron de una especie de unión al estilo de Frankenstein de los componentes genéticos y las funciones de tipos celulares más antiguos que se encuentran en otras partes del escarabajo.
Sorprendentemente, uno de los tipos celulares, las células productoras de disolvente, es un híbrido de células compuestas por el exoesqueleto del escarabajo y dos tipos celulares metabólicos ancestrales que producen y almacenan lípidos y generan feromonas. «El escarabajo ha reclutado un programa importante de expresión génica de estos tipos celulares metabólicos ancestrales y lo ha instalado en una zona de cutícula, creando una glándula», afirma Parker.
Otros experimentos —en uno de ellos, los escarabajos se colocaron en arenas de combate con depredadores hormiga— revelaron que, cuando se inhibía la vía del disolvente o la de la benzoquinona, los escarabajos perdían sus capacidades defensivas. Esto sugiere que, bajo la selección natural, ambos tipos celulares son necesarios para generar el sistema de defensa química de los escarabajos. Los investigadores también descubrieron que el cóctel producido por la glándula tergal tiene propiedades antimicrobianas, lo que aumenta aún más el valor adaptativo de este órgano novedoso.
Los autores consideran que la glándula evolucionó mediante una coevolución entre los dos tipos celulares. «Las células productoras de disolvente crearon un nicho para que un segundo tipo celular produjera las benzoquinonas sólidas, que podían disolverse en el alcano y los ésteres. Surgió una secreción altamente tóxica que aumentó enormemente el valor adaptativo de la glándula, uniendo los dos tipos celulares en una unidad donde cooperan. En esencia, surgió un nuevo órgano», afirma Parker.
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Demostrar cómo se sinergizan los dos tipos celulares requirió un enfoque interdisciplinario, afirma Adrian Brückner, primer autor del estudio y becario postdoctoral y Simons Fellow de la Life Sciences Research Foundation. «Para entender por qué el escarabajo evolucionó este cóctel químico tan preciso, necesitábamos explorar las propiedades fisicoquímicas de la secreción», afirma. Casualmente, Robert Learsch (MS '21), estudiante de posgrado en el laboratorio de Julia Kornfield (BS '83, MS '84), catedrática Elizabeth W. Gilloon de Ingeniería Química, acababa de construir un reómetro de microgotas, un dispositivo que puede medir las propiedades físicas de pequeños volúmenes de líquido, incluidas las secreciones de escarabajos.
«Fue una colaboración clásica de Caltech», explica Brückner. «Elaboramos secreciones glandulares sintéticas y, con la ayuda de Rob, pudimos demostrar que Dalotia produce un cóctel casi óptimo: una toxicidad potente, pero también la viscosidad y la capacidad de dispersión adecuadas para una defensa química eficaz.»
Sobre la base de estos hallazgos, el grupo de Parker pudo demostrar que las vías enzimáticas de cada tipo celular habían coevolucionado entre sí. «Se han ensamblado durante la evolución de una manera que agilizó la secreción final», afirma Brückner.
Según Parker, «la belleza de este sistema es que se pueden conectar experimentalmente todas las escalas del proceso evolutivo: desde las propiedades catalíticas de una enzima, pasando por su función en una vía biosintética, hasta la función del tipo celular en el que se expresa esa vía. Esto, a su vez, solo tiene sentido en el contexto de interacciones cooperativas adaptativas con otros tipos celulares dentro de la glándula y de su impacto colectivo a nivel de órgano en la aptitud de los escarabajos en un contexto ecológico».
Parker añade que el proceso evolutivo descubierto en la glándula tergal de Dalotia puede extrapolarse para comprender la evolución de órganos más complejos, como el ojo humano. «El escenario que observamos en la glándula tergal, un órgano formado únicamente por dos tipos celulares, podría, según cabe imaginar, pasar por nuevas rondas en las que los tipos celulares crean nichos para que se añadan otros nuevos, generando finalmente una complejidad multicelular realmente elaborada».
El artículo se titula «Evolutionary assembly of cooperating cell types in an animal chemical defense system». Otros coautores son los estudiantes de posgrado Jean Badroos y Learsch, la técnica de investigación Mina Yousefelahiyeh, la becaria postdoctoral Sheila Kitchen, y Parker. La financiación fue proporcionada por un premio Rita Allen Foundation Scholars, una beca de investigación Alfred P. Sloan, una subvención de la Shurl and Kay Curci Foundation, una beca Klingenstein-Simons y un premio CAREER de la National Science Foundation. Parker es miembro del profesorado afiliado al Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience at Caltech.
