Un equipo de investigación internacional ha desarrollado por primera vez un conjunto de herramientas genéticas que ayudarán a convertir a los parientes unicelulares más cercanos de los animales, los protistas, en organismos modelo para estudiar el origen de formas de vida complejas. El estudio, en el que han colaborado investigadores del Instituto de Biología Evolutiva (IBE, CSIC-Universitat Pompeu Fabra) en Barcelona, recopila una importante colección de protocolos para realizar experimentos genéticos en microbios marinos de todo el árbol eucariota. Publicada hoy 6 de abril en la revista Nature Methods, la investigación supone un paso esencial para comprender las instrucciones celulares que hay detrás de los orígenes y la evolución de la vida animal. El trabajo ha sido financiado por la Gordon and Betty Moore Foundation, que durante los últimos 16 años ha impulsado a investigadores de todo el mundo para identificar microbios marinos y aprender cómo interactúan entre sí y con el medio a través de su Iniciativa de Microbiología Marina.

Los océanos cubren el 70 por ciento de la superficie de la Tierra y albergan una asombrosa diversidad de vida microbiana. En su interior, los eucariotas microbianos marinos sustentan la red alimentaria más grande del planeta e influyen en los ciclos biogeoquímicos globales que preservan la habitabilidad de la Tierra. Estos organismos son particularmente diversos y pueden proporcionar información sobre la evolución, incluidos los orígenes de formas de vida complejas, como revela el análisis de sus genomas. Sin embargo, hasta ahora había muy pocos protistas que sirvieran como sistema modelo, es decir, organismos bien estudiados que pueden manipularse genéticamente para revelar la función y expresión génicas.  Además, el alto riesgo asociado a la investigación enfocada al desarrollo de herramientas ha restringido durante mucho tiempo los avances científicos en este área.

En respuesta a esta limitación, hace cuatro años la Fundación Moore lanzó una ambiciosa inversión de 15 millones de dólares para apoyar el desarrollo de herramientas genéticas en micro eucariotas marinos (protistas), entre los microbios marinos más diversos pero menos entendidos.

Como resultado de la colaboración internacional, ahora la comunidad de científicos involucrada en esta iniciativa publica en Nature Methods un conjunto de herramientas genéticas para estudiar protistas de todo el árbol eucariota y principalmente de hábitats marinos.

Herramientas genéticas para descifrar la complejidad

Los investigadores han hecho un esfuerzo colectivo para reunir por primera vez herramientas genéticas que permiten manipular 14 especies protistas. Las nuevas herramientas de manipulación genética en protistas pueden arrojar luz sobre las formas de vida eucariotas ancestrales, la diversificación de proteínas y la  evolución de las vías celulares.

En el estudio, varios equipos de investigación han logrado introducir ADN en protistas marinos y ahora trabajan para emplear técnicas genéticas, como CRISPR / Cas9, para manipular genomas protistas. "Hasta ahora hemos desarrollado con éxito la técnica de transfección, que es el paso inicial para manipular estos organismos en un futuro próximo", dice Elena Casacuberta, investigadora principal del IBE y coautora principal de este estudio.

Un esfuerzo colectivo para estudiar el origen de los animales

El estudio, que publica Nature Methods y en el que han participado 113 coautores de 53 instituciones en 14 países distintos, ofrece instrucciones y una amplia selección de protocolos para editar los genes de diversos protistas marinos.

La comunicación activa y la colaboración entre los investigadores ha sido clave para acelerar la investigación, que ha dado como resultado un compendio de 200 protocolos de laboratorio compartidos a través del grupo PROT-G y en la web protocols.io, creada para ayudar a otros científicos a beneficiarse de este esfuerzo colectivo.

"Generar herramientas genéticas desde cero en especies protistas es muy difícil y requiere una larga fase de ensayo y error hasta que se consigue un protocolo de trabajo. Este artículo recoge muchos protocolos exitosos, pero también incluye muchos de los que no funcionan, ya que consideramos que ambas informaciones son necesarias para construir una guía muy completa para la comunidad científica sobre cómo transformar cualquier protista en un organismo modelo", agrega Casacuberta.

"Esperamos ver cómo los protocolos y la orientación ofrecidos por los científicos en este estudio aceleran el desarrollo de herramientas genéticas en protistas marinos", añade Adam Jones, responsable de programas en la Fundación Gordon y Betty Moore.

Investigación que abre nuevos interrogantes

Los métodos desarrollados en este trabajo pueden arrojar luz sobre el estudio de procesos cruciales en los ecosistemas marinos y también sobre el origen y evolución de formas de vida complejas.

"Con el desarrollo de herramientas genéticas en los organismos unicelulares más estrechamente relacionados con los animales estamos sentando las bases para comprender mejor cómo surgieron las formas de vida complejas", dice Iñaki Ruiz-Trillo, investigador principal del IBE y coautor de este trabajo.

"En el futuro cercano avanzaremos en las técnicas desarrolladas en A.whisleri, un importante modelo protista para comprender los orígenes evolutivos de los animales, así como en otros parientes unicelulares. Comprender el ciclo de vida de estos organismos utilizando las nuevas herramientas genéticas disponibles nos permitirá abordar experimentalmente diferentes escenarios evolutivos que hasta ahora no eran accesibles", concluye Casacuberta.

La Gordon and Betty Moore Foundation ha financiado el estudio.

Artículo de referencia: Faktorová, D., Nisbet, R.E.R., Fernández Robledo, J.A. et al. Genetic tool development in marine protists: emerging model organisms for experimental cell biology. Nature Methods; April 2020. DOI: 10.1038/s41592-020-0796-x