Investigadores de la Universidad de Tottori (Japón) i del Centro de Estudios Avanzados de Blanes (CEAB-CSIC) han realizado un descubrimiento sin precedentes que arroja luz sobre la transición de los organismos unicelulares a multicelulares hace 600 millones de años.
Las esponjas son probablemente los primeros animales que aparecieron en la Tierra y esta condición las hace especialmente interesantes para obtener pistas sobre cómo los animales pluricelulares pudieron evolucionar a partir de un organismo unicelular ancestral en los océanos precámbricos. Son también animales únicos porque utilizan el silicio disuelto en el agua en forma de ácido silícico para elaboran esqueletos arquitectónicamente impresionantes. Dichos esqueletos son de “cristal”, con la misma composición química que el vidrio de nuestras ventanas, constituidos por un compuesto conocido técnicamente como «sílice» (SiO2).
Dado que la sílice es hoy en día uno de los materiales inorgánicos de mayor importancia industrial, dominar el proceso biológico por el que las esponjas lo producen suscita notables expectativas biotecnológicas relacionadas con la elaboración de fibra óptica, de materiales y estructuras arquitectónicas, de encapsulación termoestable en sílice de vacunas víricas y de ARNm, y de terapias experimentales de regeneración ósea en mamíferos, entre otras posibilidades. Sin embargo, los avances en las potenciales aplicaciones se ven ralentizados por problemas para controlar con micro resolución espacial la deposición de la sílice durante el proceso de polimerización.
Por todo ello, un conocimiento más profundo de estos animales marinos puede, por una parte, revelar claves evolutivas y, por otra, abrir perspectivas innovadoras para la biotecnología: saber exactamente como producen sílice de manera biológica las esponjas, podría desvelar nuevas rutas para la síntesis controlada de este mineral con un coste y un impacto ambiental menores que los actuales procesos industriales, lo que representa una vieja aspiración biotecnológica.
Existen tres clases de esponjas productoras de sílice, de las que se había supuesto que utilizaban herramientas celulares y moleculares similares con el propósito común de fabricar un esqueleto silíceo. El estudio publicado ahora revela que cada una de las tres clases de esponjas ha desarrollado independientemente su propia maquinaria proteínica para fabricar la sílice.
Un estudio publicado ahora en Nature Communications supone un avance revolucionario en los dos ámbitos. Un equipo japonés de la Universidad de Tottori y uno, de científicos españoles del CSIC, concretamente del Centro de Estudios Avanzados de Blanes (CEAB-CSIC), han descubierto dos nuevas proteínas, denominadas hexaxilina y perisilina, en el interior de la sílice de las esponjas. Aunque su aplicabilidad biotecnológica se desvelará en futuros estudios, su mero descubrimiento es un gran avance. Encierra un mensaje fascinante y revolucionario tanto sobre la función de las proteínas como sobre la evolución del esqueleto de las esponjas.
Manuel Maldonado, investigador del CEAB-CSIC i líder del estudio, explica que “una primera implicación importante del descubrimiento es que los esqueletos silíceos de las tres clases de esponjas no son homólogos, sino estructuras análogas desarrolladas para realizar funciones similares. Una segunda implicación importante es que una adquisición independiente de la maquinaria productora de sílice sólo puede explicarse si el linaje ancestral de esponjas divergió primero a nivel molecular y celular para dar lugar a las diferentes clases y luego cada clase adquirió independientemente la capacidad de producir esqueletos silíceos. Esto significaría que, aunque la mayoría de las esponjas modernas se caracterizan por poseer impresionantes esqueletos minerales, el linaje ancestral de esponjas y los primeros miembros de las tres clases silíceas carecían de esqueleto mineral.”
La constatación de la ausencia de esqueleto silíceo en esas primeras esponjas es un hallazgo notable porque permite resolver el actual conflicto entre los relojes moleculares, que estiman el origen de las esponjas en el Precámbrico (hace unos 850 a 650 millones de años) y los esqueletos minerales fosilizados, que atestiguan la existencia del grupo sólo en el Cámbrico (hace unos 535 millones de años). Los resultados de este estudio sugieren ahora que tal conflicto no existe y que ambas estimas podrían ser correctas: las esponjas aparecieron y empezaron a diversificarse en el Precámbrico, pero los linajes en evolución no fueron capaces de producir esqueletos silíceos hasta el Cámbrico. Estos descubrimientos permiten mejoran nuestra comprensión de las características originales de los primeros grupos de animales y de cómo pudo suceder la transición evolutiva desde el estadio unicelular hacia el estadio multicelular de los animales.
El estudio también revela que la fabricación biológica de piezas esqueléticas silíceas es un proceso bastante complejo, que requiere al menos una proteína para controlar la deposición de sílice en la región interna de la estructura y otras proteínas para ir añadiendo posteriormente capas concéntricas de sílice periférico para el engrosamiento y la ornamentación final de la pieza esquelética. Los autores señalan que han detectado varias proteínas adicionales en la sílice de las esponjas estudiadas pero que no se pudieron caracterizar. Por tanto, serán necesarios futuros estudios no sólo para su caracterización, sino también para entender cómo interactúan todas estas proteínas en los entornos intracelular y extracelular durante la deposición de sílice. En su conjunto, los hallazgos y las nuevas cuestiones que se plantean tras este estudio abren prometedores escenarios alternativos para futuras investigaciones sobre la producción controlada de biosílice.
Referencia artículo: Shimizu, K., Nishi, M., Sakate, Y. et al. Silica-associated proteins from hexactinellid sponges support an alternative evolutionary scenario for biomineralization in Porifera. Nat Commun 15, 181 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-023-44226-7
