Un estudio relizado por investigadores del Centro de Estudios Avanzados de Blanes (CEAB-CSIC) revela cómo las primeras esponjas convirtieron un desafío ambiental de los océanos primitivos en una oportunidad evolutiva. El trabajo, publicado en Molecular Biology and Evolution y destacado entre los artículos recientes más relevantes, explica cómo la abundancia de silicio disuelto en los océanos ancestrales impulsó hace más de 500 millones de años la aparición de los singulares esqueletos de cristal de estos animales.
Las esponjas (Porifera) constituyen el grupo de animales más antiguos del planeta y son los únicos capaces de construir esqueletos de sílice, el mismo material que constituye el vidrio que usamos los humanos. Para ello, captan silicio disuelto del agua de mar y lo transforman en miles de pequeñas piezas sólidas, que conforman su esqueleto. Este proceso, denominado biosilicificación, se desarrolla en dos etapas. En primer lugar, el silicio disuelto en el agua de mar es transportado al interior de las esponjas mediante unas proteínas transportadoras; posteriormente, otras proteínas, denominadas silicificantes, lo precipitan en forma en sílice sólida (vidrio), formando las singulares piezas esqueléticas de estos animales.
“Nuestro estudio reconstruye la historia evolutiva de las proteínas transportadoras mediante el análisis de múltiples genomas de esponjas, así como de centenares de secuencias genéticas de otros numerosos organismos, desde microbios hasta humanos. El conocimiento previo sobre la evolución de los transportadores de silicio en esponjas consistía en unas pocas piezas de información inconexa, una especie de conjunto de anécdotas evolutivas. Sin embargo, sospechábamos que esa escasa información podría ser de la punta de un enorme iceberg y, finalmente, hemos demostrado que los transportadores de silicio han sido elementos centrales en la historia evolutiva y la diversificación de estos animales”, explican los investigadores del CEAB-CSIC Manuel Maldonado y Laia Leria.
Los genomas indican que la capacidad de formar sílice esquelética surgió de manera independiente en al menos cuatro subgrupos diferentes de esponjas. Cada subgrupo no solo desarrolló sus propias proteínas silicificantes, sino que, en cada grupo, las proteínas transportadoras de silicio describieron trayectorias evolutivas bien distintas.
Una innovación genética clave en el éxito evolutivo de las esponjas
Uno de los casos más destacados es el del subgrupo de esponjas heteroscleromorfas, que engloba unas tres cuartas partes de todas las esponjas conocidas en la actualidad y todas ellas poseen esqueleto silíceo. El estudio ha revelado que estas esponjas adquirieron, via transferencia génica desde una bacteria simbionte, un nuevo tipo de proteína transportadora de silicio que se sumó a las que ya poseían. Dicha adquisición, junto con la mutación de una enzima digestiva en una proteína silicificante, parecen haber confluido en una innovación decisiva que habría propiciado la extraordinaria radiación evolutiva y el importante nivel de esqueletización experimentado por este enorme subgrupo de esponjas.
En contraste, los subgrupos de esponjas que no adquirieron proteínas silicificantes acabaron perdiendo también el sistema de transporte de silicio y estos grupos han persistido hasta la actualidad sin elaborar esqueletos silíceos. Entre estas esponjas no silíceas se encuentran las mullidas esponjas de baño y, en general, son subgrupos que han persistido pobremente diversificados, es decir, formados por sólo unas decenas o pocos cientos de especies, frente a las más de 7.000 especies que conforman el grupo de las esponjas heteroscleromorfas.
De amenaza ambiental a motor de innovación biológica
El descubrimiento de que las esponjas que no desarrollaron proteínas silicificantes acabaron perdieron sus proteínas transportadoras fue una revelación crucial, porque nos permitió deducir la causa que propició el desarrollo de la biosilicificación. En los océanos antiguos, extremadamente ricos en silicio, este elemento debía permear de forma accidental en las células de las esponjas a través de las proteínas transportadoras que inicialmente estaban diseñadas para la captación de sustancias vitales esenciales, tales como agua, azúcares, alcoholes etc, pero no para transporte de silicio. De hecho, estas esponjas ancestrales aun carecían de esqueletos silíceos y, en realidad, el silicio ambiental que permeaba accidentalmente en sus células les resultaba tóxico. Las células tenían que expulsarlo al exterior consumiendo una gran cantidad de energía, porque en el exterior la concentración de silicio era muy elevada y éste volvía permear. Pero en algún momento hace unos 520millones de años, las mutaciones hicieron que algunas proteínas de algunas esponjas cambiaran su función por azar y comenzaran a precipitar el silicio disuelto en forma de sílice sólida. Esto no sólo detoxificaba el silicio de un modo energéticamente menos costoso, sino que generaba un nuevo material bio-mineral en la esponja. Este nuevo material probablemente facilitó el éxito ecológico de las especies, porque no sólo permitía ahorrar energía en la gestion del silicio tóxico, también posibilitaba un soporte estructural (esquelético) que permitía aumentar el tamaño corporal, protegerse frente a la depredación y otras funciones positivas que favorecerían una subsiguiente diversificación de estos subgrupos de esponjas.
De este modo, las esponjas transformaron una amenaza ambiental en un motor de innovación biológica. Las esponjas que no consiguieron desarrollar proteínas silicificantes perdieron los transportadores de membrana para impedir la entrada de un silicio que no podían detoxificar por precipitación. Se trata de un extraordinario ejemplo de cómo el azar de las mutaciones y otros procesos que generan variabilidad genética (como la adquisición de genes bacterianos), junto con la necesidad de sobrevivir en un entorno hostil, impulsaron innovaciones evolutivas y adaptaciones ecológicas extraordinarias.
Maldonado y Leria señalan que este nuevo conocimiento también abre potenciales vías de colaboración con la industria del silicio: “una comprensión más profunda del funcionamiento de estos transportadores de silicio podría contribuir al desarrollo de futuras aplicaciones biotecnológicas orientadas a la producción de silicio para semiconductores”.
Este trabajo da continuidad a una longeva línea de investigación del mismo equipo, cuyo reciente descubrimiento de nuevas proteínas silicificantes demostró que la capacidad de producir sílice emergió de manera independiente en diversos linajes animales (Nature Communications, 2024). Si aquel estudio se centraba en la maquinaria proteica responsable de la polimerización de la sílice, el nuevo trabajo aporta ahora otra pieza clave en este rompecabezas evolutivo: cómo las esponjas aprendieron a gestionar la toxicidad del silicio en el interior de sus células y cómo este proceso influyó en su posterior éxito evolutivo.
