
Spanish: 
Hola, y bienvenidos a los seminarios iBio. Mi nombre es Dianne Newman
y soy profesora del Instituto de Tecnología de California
en las divisiones de Biología y Ciencias Geológicas y Planetarias.
También soy investigadora del Instituto Médico Howard Hughes.
Esta es la tercera parte de mi serie en tres partes sobre la diversidad microbiana y la evolución.
Lo que me gustaría demostarles hoy
son formas en que podemos a través de experimentos de laboratorio
profundizar en los metabolismos que se desarrollaron en el pasado remoto. Esta es una tarea muy difícil
y estamos justo en el comienzo de nuestra capacidad de hacerlo, pero espero a través de esta historia
poder ilustrar cuán interesante es este campo de investigación y dónde radican las preguntas importantes.
El ejemplo específico que voy a darles es de cómo hemos ganado una cierto conocimiento
de una clase importante de biomarcadores que se utilizan para registrar la evolución de la fotosíntesis oxigénica,

English: 
Hi, and welcome back to iBioSeminars. My name is Dianne Newman,
and I am  a professor at the California Institute of Technology
in the divisions of Biology and Geological and Planetary Sciences.
I am also an investigator of the Howard Hughes Medical Institute.
This is part three of my three part series in microbial diversity and evolution.
And what I would like to give you an example of today
is ways that we can through laboratory experiments
today gain insight into metabolisms that were evolved in the remote past.
And this is a very difficult task and we are just at the beginning of our ability to do it, but I hope through this story
I am going to illustrate just how interesting this field of research is and where the important open questions still lie.
So the specific example that I am going to tell you about is how we have gained some insight into
an important class of biomarkers that are used to record the evolution of oxygenic photosynthesis,

English: 
one of the most important metabolisms ever to have been invented on the Earth.
And today we see examples of oxygenic photosynthesis at work on the globe,
as you can see in this beautiful image that is taken from satellite data averaged over three years.
And what it is showing you are chlorophyll profiles in the marine oceans.
Here you see blooms of phytoplankton that occur in not only the Atlantic, but also
here in the Eastern Equatorial Pacific off of South America, and extending far out into the Pacific Ocean.
Now these gyres occur when there are blooms of phytoplankton which today
are responsible for emitting into the atmosphere most of the oxygen that we breathe.
However, these organisms, these marine phytoplankton, are not the ancestors of photosynthesis.
They are the ones that are doing it en masse in the world's oceans today,

Spanish: 
uno de los metabolismos más importantes que jamás se han inventado en la Tierra.
Hoy vemos ejemplos de la fotosíntesis oxigénica en todo el mundo,
como se puede ver en esta bella imagen del promedio de los datos de satélite durante tres años.
Lo que nos muestra son perfiles de clorofila en los océanos marinos.
Aquí se puede ver las floraciones de fitoplancton que se producen no sólo en el Atlántico, sino también
aquí en el Pacífico ecuatorial oriental desde América del Sur, y que se extienden lejos en el Pacífico.
Ahora bien, estos giros se producen cuando hay floraciones de fitoplancton que hoy
son responsables de emitir a la atmósfera la mayor parte del oxígeno que respiramos.
Sin embargo, estos organismos, éstos fitoplancton marinos, no son los antepasados ​​de la fotosíntesis.
Ellos son los que lo hacen en forma masiva en los océanos del mundo hoy,

Spanish: 
pero el proceso de la fotosíntesis evolucionó hace muchos miles de millones de años en la Tierra.
Y su historia es una que todavía no entendemos completamente.
Una de las preguntas más básicas que no entendemos es cuándo ocurrió.
¿Cómo supieron los organismos utilizar el agua como un sustrato para la fotosíntesis?
Una de las cosas que sí sabemos es que la capacidad de utilizar el agua
fue desarrollada a través de una compleja combinación de fotosistemas
en diferentes tipos de organismos fotosintéticos primitivos, incluyendo bacterias anoxigénicas
como el tipo que se muestra en estas botellas que se llaman bacterias moradas
por los hermosos pigmentos de morados que contienen en sus membranas, que a veces se pueden ver
cuando crecen en ciertos sustratos.
Hablé de estos organismos en la charla introductoria.
Como dije entonces, en algún momento la maquinaria molecular
en estos organismos se combinó con la maquinaria molecular

English: 
but the process of photosynthesis evolved many billions of years ago on the Earth.
And its story is one that we still don't fully understand.
One of the most basic questions we don't understand is when did it occur.
How did organisms figure out how to use water as a substrate for photosynthesis?
One of the things we do know is that this ability to utilize water
was evolved through a complex combination of photosystems
in different types of primitive photosynthetic organisms,
including anoxygenic bacteria like the type shown in these bottles that are called purple bacteria
by virtue of the beautiful purple pigments they contain within their membranes, that you can sometimes see
when you grow them on certain substrates.
And I spoke about these organisms in my introductory talk.
And as I said then, at some point the molecular machinery
in these organisms was combined with the molecular machinery

Spanish: 
en otros organismos que también son de esta clase general anoxigénica
pero son organismos bastante distintos.
Cómo eso sucedió, no lo sabemos, pero el problema ahora es que cuando
esto finalmente sucedió y estas hermosas máquinas moleculares se unieron
para que estos organismos utilizaran el agua como energía, por supuesto, la fuente de energía real es el sol,
pero el agua es el sustrato que se activa por la luz solar,
cambiándose a una forma que es biológicamente utilizable en la cadena de transporte de electrones.
Esto es cuando se inventó la fotosíntesis oxigénica,
y los autores de esta invención fueron las cianobacterias.
Se muestran en esta diapositiva de hermosos tubos que burbujean,
donde el CO2 es introducido en estas culturas, y estos hermosos organismos verdes
con sus pigmentos de clorofila están convirtiendo ese CO2 en
biomasa, acoplada a la oxidación del agua a oxígeno molecular. El propio cloroplasto,

English: 
in other organisms, also of this anoxygenic general class
but nevertheless quite distinct organisms.
How that happened, we don't know, but an issue right now is that when
this did eventually happen, and these beautiful molecular machines came together
so as to enable these organisms to utilize water as the energy together of course the real energy source is the sun,
but water is the substrate that is then activated by sunlight
to a form that is biologically utilizable  in the electron transport chain.
This is when oxygenic photosynthesis was invented,
and the perpetrators of this invention were the cyanobacteria,
shown here in this slide of beautiful bubbling tubes
where CO2 is being fed into these cultures and these beautiful green organisms
with their green chlorophyll pigments are converting that CO2 to
biomass coupled to the oxidation of water to molecular oxygen.

Spanish: 
como expliqué en la primera conferencia, es lo que se transformó en los plastidios que hoy en día encontramos
en diatomeas, que se ven aquí. Son fitoplancton marinos que son importantes en los océanos.
Y, por supuesto, las plantas terrestres con las que todos estamos muy bien familiarizados
debido a su capacidad de tomar agua y generar oxígeno.
Sin embargo, cuándo surgió este grupo de organismos por primera vez es un verdadero tema de debate.
Se pensaba que había señales en las rocas antiguas,
estas formaciones de hierro en bandas u otras firmas geoquímicas,
que indicaban que el oxígeno probablemente se elevaba en los océanos, producido por estas
cianobacterias antiguas, reaccionando con el hierro y precipitándolo de la solución
para formar estos depósitos. Eventualmente entra en la atmósfera de manera que
otras firmas geoquímicas que se encuentran en las rocas, como fraccionamientos independientes de masas

English: 
Now the chloroplast itself as I explained in the first lecture is what evolved into the plastids that today we find
in diatoms that you see an example here. These are marine phytoplankton important in the oceans.
And of course, terrestrial plants that we are all very well familiar with
due to their ability to take water and generate oxygen.
But when this group of organisms first arose is a subject of real debate.
And it had been thought that there were signs in old rocks,
either these banded iron formations, or other geochemical signatures
that indicated oxygen likely was rising up in the oceans, being produced by these
ancient cyanobacteria, reacting with iron and precipitating it from solution,
to form these deposits, and then eventually getting into the atmosphere so that
other types of geochemical signatures found in rocks such as mass independent fractionations

English: 
of sulfur isotopes that we find in different types of sulfur bearing minerals
giving a signature that we think is very diagnostic of having oxygen present in the atmosphere.
That all of this was occurring somewhere in the middle of this time span, and certainly by around 2.4 billion years ago.
But when the ability of organisms to first take water arose, before it had this profound global effect,
is something that has not been very well constrained.
So a dominant approach that has been used to try to date the rise of cyanobacteria in the rock record
has revolved around using these organic molecules shown here that are called hopanoids.
And these are very complex organic structures that resemble sterols in eukaryotic cells.
Now the story I want tell today is a reexamination of these structures as biomarkers

Spanish: 
de los isótopos de azufre que encontramos en diferentes minerales que contienen azufre,
dando una firma que consideramos muy diagnóstica de la presencia de oxígeno en la atmósfera.
Todo esto ocurrió en algún punto medio de este lapso de tiempo, sin duda 2,4 millones de años atrás.
Pero cuándo surgió la capacidad de los organismos de tomar el agua, antes de que tuviera este efecto global profundo,
es algo que no ha sido muy delimitado.
Un enfoque dominante que se ha utilizado para fechar el aumento de cianobacterias en el registro de la roca
ha girado en torno al uso de estas moléculas orgánicas que se llaman hopanoides.
Son estructuras orgánicas muy complejas que se asemejan a los esteroles en las células eucariotas.
Ahora, la historia que quiero contarles hoy es un nuevo examen de estas estructuras como biomarcadores

English: 
to ask whether or not they are appropriate to assigning the rise of this very crucial metabolism that transformed the Earth.
So let's talk a minute about what it means to be a biomarker.
This is essentially acting as a molecular fossil.
That is a compound that is diagnostic of an ancient cell,
and a particular cell type if it is to be useful to identify organisms or their metabolisms.
So the idea is that a long time ago
cells hanging around in the environment, be they in the water column or in sediments
eventually through their sedimentation, and then through various diagenetic processes
where these sediments were transformed and over time compacted and converted
into solid structures that we see today uplifted in mountains and in various areas around the world
contain yet remnants of the original molecules from the original cells that once upon a time inhabited these environments.

Spanish: 
para preguntar si es apropiado asignarlas como causa del aumento de este metabolismo crucial que
transforma la Tierra. Así que vamos a hablar un minuto acerca de lo que significa ser un biomarcador.
Actúa esencialmente como un fósil molecular.
Es un compuesto que es diagnóstico de una célula antigua
y de un tipo de célula particular, indicando si es útil para identificar los organismos o sus metabolismos.
Así que la idea es que hace mucho tiempo
había células dando vueltas en el entorno, ya sea en una columna de agua o eventualmente en sedimentos.
Luego, por diversos procesos diagenéticos,
con el tiempo estos sedimentos se compactan y se convierten
en estructuras sólidas que vemos hoy levantadas en las montañas y en diversas áreas de todo el mundo.
Se cree que estas formaciones contienen aún restos de las moléculas originales que alguna vez habitaron

English: 
Now these structures are not identical, but they are very, very similar, and so
what we are looking at today is what we call the biomarker
and this is the molecular fossil of what we infer to have been the original compound.
So here you can see something that we call a sedimentary hopane that is the diagenetic...
And diagenesis is just simply the process of transforming a sediment over time into a rock.
This compound is the diagenetic consequence of transforming the parent compound,
which we call the hopanepolyol, which has this core pentacyclic ring
here with a tail that has a variety of moieties on various carbon molecules,
and this is one where we are just showing hydroxyl compounds at these last positions, but they come in a variety of forms.
The bottom line is that some of these chemical decorations are lost,
but the backbone carbon skeleton remains.

Spanish: 
estos entornos. Ahora bien, estas estructuras no son idénticas, pero son muy, muy similares, así que
lo que estamos viendo hoy en día es lo que llamamos el biomarcador
y es el fósil molecular de lo que se infiere que fue el compuesto original.
Aquí se puede ver algo que llamamos un hopane sedimentario, que es el diagenético...
y diagénesis es simplemente el proceso de la transformación de un sedimento en una roca.
Este compuesto es la consecuencia diagenética de transformar el compuesto de origen,
que llamamos hopanepolyol. Tiene este anillo pentacíclico
aquí con una cola que tiene varios restos de moléculas de carbono.
Aquí mostramos compuestos de hidroxilo sólo en estas últimas posiciones, pero tienen varias formas.
La conclusión es que algunas de estas decoraciones químicas se pierden,
pero el esqueleto de carbono sigue siendo la columna vertebral.

Spanish: 
Y dado que es tan estructuralmente similar al compuesto original,
es muy razonable deducir que estamos ante un fósil de esta molécula.
Aquí hay otra manera de mostrarlo. Es esencialmente una caricatura de la diagénesis.
A través de la columna de agua, estas células finalmente se sedimentan, se incorporan a los sedimentos,
y estos sedimentos terminan transformándose por procesos geológicos
durante miles de millones de años de historia en la Tierra,
y estas moléculas dentro de ellos se convierten en su forma más básica.
Ahora, ¿por qué las personas prestan atención a estas moléculas en particular?
Estos hopanepolyols bacterianos 2-metilados.
La razón se debe a un importante estudio que salió hace una década,
donde se afirmó que los hopanoides 2-metilados son biomarcadores de la fotosíntesis oxigénica cianobacterial.
La razón para esto fue que en el momento en que se realizó este trabajo,

English: 
And because it is so structurally similar to the original compound
it is very reasonable to infer that we are looking at a fossil of this molecule.
Now here is just another way of showing that. This is essentially a cartoon of diagenesis.
Where through the water column these cells ultimately sediment down, get incorporated into sediments,
and these sediments through geological processes
over billions and millions of years of Earth history wind up transforming,
and these molecules within them are converted into their most basic form.
Now why do people pay attention to these particular molecules?
These 2-methylated bacterial hopanepolyols.
The reason is because of an important study that came out about a decade ago
where it was claimed that 2-methylhopanoids were biomarkers for cyanobacterial
oxygenic photosynthesis. And the rationale for this was that at the time this work was done

Spanish: 
todas las búsquedas de células microbianas para esta molécula en particular...
y cuando digo particular, me refiero a la parte pentacíclica
de la molécula y a un grupo metilo en la segunda posición del primer anillo.
Los otros aspectos de la molécula no son tan cruciales para el diagnóstico,
pero esta parte inicial, y en particular la metilación en este segundo átomo de carbono
realmente fue crucial para la historia que voy a contar.
Así que cuando se publicó el estudio inicial, los investigadores
razonablemente pudieron concluir que estas moléculas podrían ser biomarcadores de cianobacterias por el
hecho de que no pudieron detectar su producción en los organismos que no fueran cianobacterias.
Esto no era del todo cierto porque había algunas otras cepas que incluso en este primer estudio
produjeron estas moléculas. Sin embargo, se afirmó que en su contexto sedimentario,

English: 
all of the surveys of microbial cells for this particular molecule,
and when I say particular I mean the pentacyclic part
of the molecule and a methyl group at the second position of the first ring.
The other aspects of the molecule are not as crucial to the diagnosis,
but this initial part, and particularly the methylation at this second carbon atom
really was crucial to the whole story that I am going to tell.
So back when this initial study was published the investigators
reasonably were able to conclude that these molecules might be biomarkers for cyanobacteria because of the
fact that they were unable to detect their production in organisms other than cyanobacteria.
This wasn't entirely true because there were a few other strains that even in this initial study were reported
to produce these molecules, yet it was argued that in their sedimentary context

Spanish: 
los más probables progenitores de estas moléculas habrían sido las cianobacterias
porque los compuestos fosilizadas se encontraron en ambientes marinos poco profundos y esos compuestos
eran consistentes con el crecimiento de un organismo fotótrofa en este tipo de hábitat.
También estaba el argumento de que la concentración de estas moléculas en el tipo más preservable
era, con mucho, la más alta en la cianobacteria moderna,
dando crédito a la idea de que este tipo de moléculas, cuando se ven en el registro rocoso,
pueden reflejar una antigua comunidad de cianobacterias.
Sin embargo, si era una suposición absolutamente válida o no era discutible, por una variedad de razones.
Una de estas razones es que no todas las cianobacterias pueden hacer estos compuestos,
por lo que sin duda no son esenciales para la capacidad de la fotosíntesis oxigénica.
Así que el argumento de que los compuestos tienen que ver con la fotosíntesis oxigénica
sólo porque las cianobacterias los producen

English: 
the most likely progenitors of these molecuels would have been cyanobacteria
because they were shallow marine enviroments in which the fossilized compounds were found
that were consistent with the growth of a phototrophic organism in this type of a habitat.
And also, the argument that the concentration of these molecules in a type that was believed to be
the most preservable was by far the highest in modern day cyanobacteria
lending credence to the notion that these types of molecules, when seen in the rock record
very well may be reflecting an ancient cyanobacterial community.
However, whether or not this was an absolutely valid assumption was debatable for a variety of reasons.
One of these reasons is that not all cyanobacteria can make these compounds,
so they are certainly not essential for the ability of oxygenic photosynthesis.
And so the argument that just because cyanobacteria make them means that they have
anything to do with oxygenic photosynthesis

Spanish: 
es otra historia y es algo que realmente necesita ser examinado más para su validación.
La segunda razón por la que esto necesita ser examinado más es que las cianobacterias
son capaces de otros tipos de metabolismos más allá de la fotosíntesis oxigénica.
Algunos de ellos son los llamados organismos de fotosíntesis oxigénica facultativa
porque pueden utilizar otros sustratos más allá del agua
en los procesos fotosintéticos, tales como el sulfuro, por ejemplo.
Además, son capaces de fermentación. Por eso, el hecho de que
las cianobacterias hacen los compuestos no significa a priori que tengan algo que ver con la fotosíntesis.
Podría ser. En este punto de la historia, nadie lo sabía, y por eso merecía ser examinado.
Así es como nos interesamos ​​en esto, y comenzamos nuestros estudios
al establecer algunos criterios racionales de lo que podría constituir un biomarcador robusto.
El primero, por supuesto, no voy a describirlo porque realmente pertenece al dominio de los geólogos.
Es que el biomarcador debe ser autóctono de las rocas que se supone que representa.

English: 
is a whole other story in and of itself and is something that really needed to be looked into more for validation.
The second reason that this needed to be looked into more is that cyanobacteria
are capable of other types of metabolisms beyond oxygenic photosynthesis.
Some of them are called facultative oxygenic photosynthesis organisms
in that they are capable of using other substrates beyond water
in photosynthetic processes such as sulfide, for example.
And in addition, they are capable of fermentation.
And so just because cyanobacteria make them, doesn't a priori mean that they have anything to do with photosynthesis.
Although they might. At this point in the story, nobody knew, and so it merited looking into.
And so we got interested in this, and we thought that we would begin our studies
by coming up with just some rational criteria for what would constitute a robust biomarker.
The first of course is one I am not going to touch on because this really belongs to the province of geologists.
And that is that the biomarker must be indigenous to the rocks that it is meant to represent.

Spanish: 
De hecho, hay un gran debate sobre este punto, pero vamos a asumir que cuando encontramos estos fósiles
en las rocas antiguas, son en realidad tan viejos como pensamos.
Vamos a dejar que los geólogos comprueben si eso es realmente cierto,
pero creo que es bastante justo decir que para varias de estas muestras
ahora ya no hay mucha duda. Estas moléculas realmente tienen, por ejemplo, 2,4-2,7 mil millones de años.
Así que vamos a conceder eso.
La segunda parte que ahora se hace relevante para los biólogos es que deben tener una distribución única
entre los organismos modernos, o deben tener una historia evolutiva clara
en la cual es evidente de dónde se originaron.
Cuál fue el primer tipo de organismos que pudieron producirlas y/o el tercer punto,
que creo que es en realidad el punto más crucial,
es que tienen una función biológica específica y conservada que está relacionada con el proceso de interés.

English: 
There's actually great debate about this point, but let's just assume for the sake of argument that when we find these fossils
in ancient rocks that they really are as old as we think they are.
And we will let the geologists work out indeed whether that's true,
but I think that it is fair enough to say that many of these samples
now there isn't much of a question. These molecules really are for instance 2.4-2.7 billion years old.
So let's just grant that.
The second part which now becomes of relevance for biologists is that they must have a unique distribution
amongst modern organisms, or they must have a clear evolutionary history
where it is obvious from whence they originated.
What were the first type of organisms that were able to produce them and/or the third point,
which I think is actually the most crucial point,
that they have a specific and conserved biological function that's related to the process of interest.

Spanish: 
En el caso de esta conferencia, estamos hablando de la fotosíntesis oxigénica.
Así que vamos a empezar ahora con este segundo punto.
Estas moléculas, estos hopanoides 2-metilados, ¿tienen una distribución única?
Para empezar a investigar esto, decidimos ir al medio ambiente
y recoger diversos tipos de organismos fototróficos para examinar.
Empezamos a trabajar con varias cianobacterias
que examinamos por su capacidad de producir estos compuestos de 2-metilo.
Como ya he dicho, no todos lo hacen, así que elegimos a los productores abundantes como nuestras cepas
de referencia. Puesto que estábamos haciendo también otros estudios en mi laboratorio,
mirando la capacidad de fotótrofos anoxigénicos para catalizar la oxidación del hierro
en condiciones anoxigénicas, decidimos sólo por diversión probar
si podían producir estos compuestos también. Pensamos que esto sería un control negativo,
ya que los informes anteriores habían demostrado que las cepas relacionadas,

English: 
And in our case for today's lecture, we are talking about oxygenic photosynthesis.
So let's begin now with this second point.
Do these molecules, these 2-methylhopanoids have a unique distribution?
So to begin to look into this we decided to go to the environment
and collect some diverse types of phototrophic organisms to work with.
And we began by working with various cyanobacteria
that we surveyed for their ability to produce these 2-methyl compounds.
As I said, not all of them do, so we picked ones that were abundant producers as our reference strains,
and then because we had also been doing other studies in my lab
looking at the ability of anoxygenic phototrophs to catalyze the oxidation of iron,
under anoxygenic conditions, we decided just for fun we would begin to test
whether or not they could produce these compounds as well,
thinking that this would be a negative control, because previous reports had shown that related strains were,

English: 
under the conditions these previous investigators used, not able to generate these compounds.
And so here is where we had one of the surprises that occur once in a while in science
that are very exciting and at first cause you great distress
because you are not sure whether or not it's an artifact.
And so this happened when my student Sky Rashby made the surprising discovery
that one of our "negative control strains", one that we called Rhodopseudomonas palustris
was capable of making these 2-methyl hopanepolyols, that's what this acronym here means,
2-MeBHP stands for 2-methylated bacterial hopanepolyol.
In concentrations as great as its cyanobacterial counterparts.
Now you can be assured that we did all of our proper controls to make sure we weren't contaminating the cultures,
and this was a very reproducible, very robust result.
And what was really quite significant is that this molecule here,
and here you can see liquid chromatographic spectrum, and now a mass spectrum

Spanish: 
bajo las condiciones que utilizaron estos investigadores anteriores, no pueden generar estos compuestos.
Aquí es donde tuvimos una de las sorpresas que se producen de vez en cuando en la ciencia,
que es muy emocionante y al principio te preocupa mucho
porque no estás seguro de si es o no un artefacto.
Así sucedió cuando mi estudiante Sky Rashby hizo el sorprendente descubrimiento de
que una de nuestras "cepas de control negativo", que llamamos Rhodopseudomonas palustris,
podía hacer estos hopanepolyols 2-metilo, que es lo que significa esta sigla aquí.
2-MeBHP significa hopanepolyol bacteriano 2-metilado.
En concentraciones tan grandes como sus cianobacterias homólogas. Ahora, créanme que
hicimos todos los controles adecuados para asegurarnos de que no estábamos contaminando los cultivos,
y esto era un resultado muy robusto y muy reproducible.
Lo realmente importante fue que esta molécula aquí...
aquí se puede ver un espectro de cromatografía líquida y ahora un espectro de masas

Spanish: 
de estos picos...está molécula era idéntica entre nuestros controles positivos de cianobacterias
y lo que pensábamos que sería nuestro control negativo.
Lo realmente importante aquí es que la producción de estas moléculas por nuestro fotótrofo anoxigénico
estaba condicionada por la manera en que las cultivamos
Creo que este es un punto muy importante que vale la pena subrayar.
Muchas veces en estos campos interdisciplinarios
se comienza con un grupo de investigadores excelentes en cierto tipo de medición, pero no necesariamente
excelentes en todo, porque ¿quién lo es? Uds. saben que todos somos especialistas. Todos somos buenos en
lo que hacemos. Los científicos pioneros que comenzaron este trabajo eran geoquímicos orgánicos
distinguidos, pero no cultivaban los microorganismos sistemáticamente en sus propios laboratorios,
por lo que tuvieron que obtener cepas de sus colegas,
que les enviaban muestras microbianas cultivadas en cualquier condición de crecimiento
que estaban examinando en el momento de enviar la cepa.

English: 
of these peaks, was identical between our cyanobacteria positive controls
and what we thought was going to be our negative control.
What was really crucial here is that the production of these molecules by our anoxygenic phototroph
was conditional upon the manner in which we grew them.
And I think this is a very important point that is worth emphasizing.
And that is, oftentimes in these interdisciplinary fields
they begin with a group of investigators who are excellent at a particular type of measurement
but not necessarily excellent at all, because who is? You know we are all specialists. We are all good at doing what we do.
And so the pioneering scientists who began this work were outstanding organic geochemists,
but were not people who routinely grew microorganisms in their own laboratories
so they were dependent upon getting strains from their colleagues
who would send them microbial samples grown up in whatever random growth condition
they happened to be doing at the time that they shipped the strain.

Spanish: 
Sin embargo, hoy en día, cuando cultivamos en nuestro laboratorio, como microbiólogos somos conscientes
de la versatilidad metabólica de estos organismos y podemos cultivarlos bajo varias condiciones.
Por eso, pudimos descubrir que estos organismos hacen la molécula
sólo bajo ciertas condiciones, y si sólo los hubiéramos mirado en una ventana más estrecha,
nos habríamos perdido su producción por completo.
Así que hay una lección importante aquí, y este lindo dibujo
de esta cianobacteria filamentosa representa la cianobacteria Nostoc punctiforme,
que les voy a mostrar después de la charla.
Está preguntando a nuestro fotótrofo anoxigénico favorito, Rhodopseudomonas palustris, "¿Haces
hopanoides 2-metilados?" y ella responde, "Sí, los hago".
Esta muy bonita caricatura fue hecha por Sky, un artista muy talentoso.
Una imagen real de esta bacteria morada se muestra aquí
en un microscopio electrónico de transmisión, tomada por mi estudiante de postdoctorado, Ryan Hunter,

English: 
However, today, when we grow them in our laboratory, being microbiologists,
we are aware of the metabolic versatility of these organisms and are able to grow them under a variety of conditions.
And because of this we were able to find that it was under certain conditions
that these organisms made the molecule, and had we only looked at them in a more narrow window,
we would have missed their production entirely.
So there is an important lesson here, and this nice cartoon
of this filamentous cyanobacterium that is supposed to represent the cyanobacterium Nostoc punctiforme
that I'll show you later in the talk
is saying, "Do you make 2-methylhopanoids?" to our favorite model anoxygenic phototroph,
Rhodopseudomonas palustris, and she is answering, "Yes, I do."
This very nice cartoon was made by Sky, who is a very talented artist.
Now an actual image of this purple bacterium is shown here
in a transmission electron micrograph, taken by my postdoc Ryan Hunter,

English: 
that he overlaid upon sediments from the Sippewissett Salt Marsh in Woods Hole, Massachusetts.
And the reason we did this is because as I've been saying,
the geological record ultimately is emanating from sediments such as these,
where today we find purple bacteria and other types of phototrophs growing.
And one can infer that these types of environments also were good homes
for these organisms back billions of years ago.
And so what we are looking at when we are looking at the fossils
are ancient remnants of these types of habitats.
So what we thought we would begin to do would be to study Rhodopseudomonas palustris
to ask whether or not we could gain insight into the molecular biological basis for the production of these compounds,
and have this help us parse whether or not they were accurate biomarkers
for cyanobacteria or, and/or, oxygenic photosynthesis.
Now R. palustris is a terrific organism to use for many reasons. It grows rapidly.
It is metabolically versatile. It's genome is sequenced.

Spanish: 
que sobrepuso a sedimentos del marisma de agua salobre Sippewissett en Woods Hole, Massachusetts.
La razón por la que hicimos esto es que, como he dicho,
el registro geológico últimamente está emanando de sedimentos de este tipo,
donde hoy encontramos bacterias moradas y otros tipos de fotótrofos en crecimiento.
Se puede inferir que este tipo de entornos también eran buenos hogares
para estos organismos miles de millones de años atrás.
Así que lo que estamos viendo cuando miramos los fósiles
son antiguos restos de este tipo de hábitat.
Así que decidimos empezar al estudiar Rhodopseudomonas palustris para preguntar
si podíamos profundizar en las bases biológicas moleculares de la producción de estos compuestos
y ver si esto nos ayudaba a analizar si son biomarcadores precisos
para las cianobacterias y/o la fotosíntesis oxigénica.
Ahora, R. palustris es un organismo excelente para usar, por muchas razones. Crece rápidamente.
Es metabólicamente versátil. Su genoma se ha secuenciado.

Spanish: 
Y es susceptible de manipulación genética. Así que es un sistema preparado para el descubrimiento
en términos de la biosíntesis y la función celular de BHPs 2-metilados.
Una de las primeras preguntas que queríamos responder era si
había una enzima específica responsable de la metilación hopanoide
en la posición C2. Dado que estas moléculas se produjeron condicionalmente
según las peculiaridades específicas de su cultivo, lo mejor
para preguntar si los organismos de escala mayor pueden hacer estas moléculas
sería pasar por alto este requisito de crecimiento y simplemente ir al genoma de un organismo
para ver si hay algún gen diagnóstico, que podría predecir la capacidad de hacer estas moléculas.
Paula Welander, una alumna de postdoctorado en mi laboratorio,
se sentó a ver el genoma de Rhodopseudomonas palustris
y mediante un trabajo bioinformático muy inteligente identificó toda una parte del cromosoma que codifica los genes

English: 
And it is amenable to genetic manipulation. And so it's a system primed for discovery
in terms of the biosynthesis and the cellular function of 2-methyl BHPs.
So one of the first things that we wanted to answer was whether or not
there was a specific enzyme responsible for methylating hopanoids
at the C2 position because given the fact that these molecules were produced very conditionally
upon specific quirks of how one were to grow them, what would be desirable
in terms of asking the question which organisms writ large are able to make these molecules
would be to bypass this growth requirement and simply be able to go to an organism's genome
to see if there were some gene that were diagnostic, that could predict the ability to make these molecules.
So Paula Welander, a postdoc in my laboratory,
sat down with the genome of Rhodopseudomonas palustris
and through some very clever bioinformatic work identified a whole part of the chromosome that encoded genes

English: 
that she suspected might have something to do with hopanoid biosynthesis.
And that's because in the middle of this cluster there is a gene annotated as shc that had previously been shown
to encode an enzyme responsible for the first step in hopanoid biosynthesis,
the cyclization of squalene into the first pentacyclic ring.
Now what we wanted was the enzyme responsible for a later part in the biosynthetic pathway
and that is the methylation at C2 because a wide variety of bacteria are capable of making hopanoids in general,
but what had been thought, as I told you, to be the diagnostic feature was this methyl group at the second position.
So if we could find a methylase that was specifically responsible for putting this methyl group on that position
we might be in a position to ask whether or not different organisms beyond cyanobacteria and this one freak
discovery we made, were capable of also making 2-methylhopanoids.

Spanish: 
que se sospecha que podrían tener algo que ver con la biosíntesis hopanoide.
Es que en medio de este grupo existe un gen anotado como shc, que como se había demostrado previamente
codifica una enzima responsable del primer paso en la biosíntesis hopanoide,
la ciclación del escualeno en el primer anillo pentacíclico.
Ahora, lo que queríamos era la enzima responsable de una parte posterior en la ruta biosintética
y que es la metilación en C2. Porque una amplia variedad de bacterias pueden hacer hopanoides en general,
pero lo que se consideró, como les dije, un rasgo diagnóstico fue este grupo de metilo en la segunda posición.
Si pudiéramos encontrar una metilasa que fuera directamente responsable de poner el grupo de metilo en
esa posición, podríamos preguntar si diferentes organismos, más allá de las cianobacterias y este
descubrimiento raro que hicimos, pueden hacer también hopanoides 2-metilados.

Spanish: 
Para hacer eso, Paula miró esta región genómica e identificó un gen por aquí
que parecía tener atributos que podrían indicar que su producto es
capaz de catalizar esta reacción de metilación.
Para probarlo, ella hizo una limpia eliminación enmarcada de este gen
y luego preguntó si la cepa mutante
que se llama delta 4269 puede hacer hopanoides metilados en comparación con el tipo salvaje.
Lo que está viendo aquí es un cromatograma líquido que presenta picos de elución
de diversos tipos de estructuras hopanoides.
Estos de aquí se llaman... este es diploptene y éste
tiene un grupo de metilo en la posición 2, por lo que se llama diploptene 2-metilado,
y éste es un tipo diferente de hopanoide, con un grupo R ligeramente diferente en el extremo.

English: 
So to do that Paula looked at this genomic region, and she identified a gene over here
that seemed to have attributes that might be consistent with its product being
capable of catalyzing this methylation reaction.
And so to test that she made a clean in frame deletion of this gene,
and then she asked whether or not the mutant
strain that she called delta 4269 was capable of making methylated hopanoids in comparison to the wildtype.
And so here what you are looking at is a liquid chromatogram showing peaks of elution
of various types of hopanoid structures.
These over here are called...this one is diploptene, and this one
has a methyl group at the 2 position, so it is called 2-methyldiploptene
and this is a different type of hopanoid, with a slightly different R group on the end.

English: 
And again here, this peak that elutes first is the 2-methylated version of the molecule.
And as you can see when you compare it to the mutant that Paula made,
there is no peak here in the foreground showing that the 2-methylated versions
of these hopanoids are not being made in this mutant background.
Now when she complements and adds back to this mutant strain the wildtype
gene, then again she sees, indeed, just where she should, the peaks
that indicate the production of the methylated versions of those hopanoids.
So this was a very nice demonstration that indeed this methylase was responsible for
producing these methylated hopanoids.
Now in collaboration with another postdoc in the lab, Maureen Coleman,
Paula and Maureen went on to show that this methylase gene that they dubbed hpnP,
was much more broadly distributed than we had suspected.
And so what matters here is not the individual names of these organisms,

Spanish: 
De nuevo aquí, este pico que eluye primero es la versión 2-metilada de la molécula.
Como se puede ver al compararlo con el mutante que hizo Paula,
no hay ningún pico aquí en el primer plano, lo que muestra que las versiones 2-metiladas
de estos hopanoides no se están haciendo en esta cepa mutante.
Cuando ella lo complementa y devuelve a esta cepa mutante el gen de tipo salvaje
entonces ve de nuevo, justo donde deberían aparecer, los picos
que indican la producción de las versiones metiladas de esos hopanoides.
Esta fue una muy buena demostración de que efectivamente esta metilasa es responsable de
la producción de estos hopanoides metilados.
Ahora, en colaboración con otro estudiante de postdoctorado en el laboratorio, Maureen Coleman,
Paula y Maureen demostrararon que este gen de la metilasa, que llamaron hpnp,
se distribuye mucho más ampliamente de lo que habíamos sospechado.
Lo que importa aquí no son los nombres individuales de estos organismos,

Spanish: 
de ninguna forma, sino simplemente el hecho de que lo que vemos es un árbol complicado
que se dibuja con la secuencia de ADN ribosomal 16S para toda una variedad de organismos.
Lo que ven en azul son aquellos organismos de este árbol que pueden producir hopanoides en general.
Y hay muchos, como ya he dicho.
Pero la pieza realmente clave está aquí: es el anillo exterior
el cual se puede ver en tres grupos diferentes, en las cianobacterias, en las acidobacterias,
y aquí abajo en las proteobacterias, la evidencia para el gen hpnp a partir del genoma.
Esta evidencia se basa en un límite de corte muy estricto donde exigimos un alto grado de similitud
de identidad de secuencia entre secuencias putativas de hpnp
y nuestra secuencia de hpnp, que hemos demostrado como necesaria para la metilación en la posición C2.

English: 
by any means, but simply the fact that what you are looking at is a complicated tree
that's drawn using the 16S ribosomal DNA sequence for a whole variety of organisms.
And what you are looking at now is in blue those organisms on this tree that are capable of producing hopanoids in general.
And there are many, as I said.
But the really key piece is that here, which is this outer ring
in which you can see in three different groups, in the cyanobacteria, in the acidobacteria,
and down here in the proteobacteria, evidence for the hpnP gene from the genome.
And this evidence is based on a very stringent cutoff where we are asking for a very high degree of similarity
in sequence identity between putative hpnP sequences
and our sequence of hpnP that we have shown is required for the methylation at the C2 position.

Spanish: 
Ahora, la otra cosa a destacar es que cada vez que estas secuencias se han encontrado en el genoma,
donde se han hecho mediciones de la capacidad real de hacer el compuesto, hemos encontrado
una correspondencia 100%. Y a la inversa, nunca hemos encontrado un caso
de un organismo que pueda hacer BHPs 2-metilados y que no contenga este gen.
Por eso, aunque es posible que en el futuro se descubra otro tipo de metilasa,
en estos momentos hay una correspondencia del 100% entre la posición de este gen en el genoma
y la capacidad de tomar el compuesto tal como se mide directamente.
Así que parece un indicador bastante robusto.
Bueno, aquí hay que fijarse en algunas cosas: como dije antes, no todas las cianobacterias hacen esto.
A priori, no es necesario para la fotosíntesis oxigénica.

English: 
Now the other thing to note is that in every case that these sequences have been found in the genome
where the measurements of the actual ability to make the compound have been made, we have found
a 100 percent correspondence. And inversely, we have never found an instance
for an organism that is capable of making 2-methylated BHPs where they don't contain this gene.
So while of course it is possible that in the future another type of methylase will be discovered,
right now there is a 100% correspondence between position of this gene in the genome
and the ability to make the compound as measured directly.
So it appears as though it is a fairly robust indicator.
All right so, there are a few things to note here, as I said before, not all cyanobacteria make this.
So a priori, it is certainly not required for oxygenic photosynthesis.

Spanish: 
La pregunta es si lo hacen...y segundo, no sólo las cianobacterias lo hacen. No es un solo organismo al azar.
Encontramos que hay muchos otros tipos de bacterias aquí en este proteoma,
la familia de alfa-proteobacterias, que pueden producir estos compuestos.
De hecho para algunas de éstas, se demostró en el trabajo original que producen hopanoides metilados.
Sólo se afirmó que no estaban produciéndolos en una abundancia relevante para la diagénesis.
Así que eso merece más análisis.
Pero está este otro grupo, el acidobacteria, que antes no se creía que hacía estas moléculas.
Debo decir que esto es sólo la punta del iceberg, ya que estos son sólo los genomas
de microbios que se han secuenciado, que representan una fracción diminuta de la diversidad microbiana
en la naturaleza. Ahora tenemos las herramientas para ir al entorno y preguntar más ampliamente,
¿cuándo vemos estas secuencias? ¿Qué tipo de organismos probablemente contienen?

English: 
The question is whether...and number two, more than cyanobacteria make it. It is not just a case of one random organism
being a flier. No. We find that there are many other types of bacteria here in this proteome,
alpha-proteobacteria family, that are capable of producing these compounds.
Some of these actually have even been shown in that very original paper to produce the methylated hopanoids.
It just had been claimed that they weren't producing them in abundance that was relevant for diagenesis.
And so that deserves a bit of re-examination.
But here is this whole other group, the acidobacteria, that hadn't previously been appreciated to make these molecules.
And I should say that this is just the tip of the iceberg, because these are only the genomes
of microbes that currently have been sequenced, which represent a minute fraction of the microbial diversity
in nature, and so now we have the tools where we can go out into the environment and ask more broadly,
where do we see these sequences? What type of organisms are likely containing them?

Spanish: 
Vamos a tener una mejor imagen de la diversidad filogenética de los organismos que los componen.
Sin embargo, para volver al punto central de si es un biomarcador robusto,
a pesar de que hoy en día vemos que estas moléculas se distribuyen entre muchos organismos,
todavía podría ser un biomarcador válido de cianobacterias
con tal de que haya buena evidencia que sugiera
que su raíz evolutiva está en el grupo de las cianobacterias.
Así que para llegar a esa pregunta de cuál es la raíz de esta enzima,
dónde se inventó primero, Maureen Coleman decidió mirar la historia filogenética de la familia de enzimas.
Entonces hizo un árbol donde tuvo la oportunidad de demostrar, y ahora es un árbol sin raíces,
las diferentes ramas de los organismos que sabemos que pueden hacer esto.
Se trata de dos grupos distintos de proteobacterias. Aquí tenemos las cianobacterias.
Y aquí tenemos las acidobacterias.

English: 
And we'll get a much better picture of the phylogenetic diversity of the organisms that make them.
However, to get back to the central point in terms of whether or not this is a robust biomarker,
even though today we see that these molecules are distributed amongst many organisms,
they still might be a valid biomarker of cyanobacteria
provided we can have some good evidence suggesting
that their root evolutionarily was within the cyanobacterial group.
So to get at that question of what is the root of this enzyme,
where was it first invented, Maureen Coleman decided to look at the phylogenetic history of the enzyme family.
So she made a tree where she was able to show, and now this is an unrooted tree,
the different branches of the organisms that we know can make this.
All right, so these are two different groups of proteobacteria. Here we have the cyanobacteria.
And here we have the acidobacteria.

English: 
And what we wanted to know was which of these groups was the first to invent this enzyme.
Now here is where it became complicated, and also where it became very important to do a rigorous
statistical analysis to align these sequences in various ways, use different algorithms,
to infer the most parsimonious evolutionary path to their divergence.
And when Maureen did this, quite literally by doing an in silico experiment, by varying a variety of parameters,
none of which was clear what was the absolute correct assumption to make,
but all of which would affect the topology of the trees that ultimately would result.
What she found was that the root, at least at present, is ambiguous,
that statistically there was as good support for these three different topologies,
that led to very different answers.
The first where the ancestral root of this methylase would be in the cyanobacteria.
The second where it was quite simply unresolved,

Spanish: 
Lo que queríamos saber era cuál de estos grupos fue el primero en inventar esta enzima.
Ahora, aquí es donde se puso complicado, y también donde se hizo muy importante hacer un riguroso
análisis estadístico para alinear estas secuencias de diversas maneras, utilizar diferentes algoritmos,
para inferir el camino evolutivo más parsimonioso hacia su divergencia.
Cuando Maureen hizo esto, literalmente haciendo un experimento in silico, variando múltiples parámetros,
en ningún caso estaba claro cuál era la suposición correcta,
pero todo eso afectó la topología de los árboles que a la larga resultarían.
Lo que encontró fue que la raíz, por lo menos en la actualidad, es ambigua,
que estadísticamente hay un apoyo igualmente bueno para todas estas tres topologías diferentes,
que dieron lugar a respuestas muy diferentes.
La primera mostró dónde estaría la raíz ancestral de esta metilasa en las cianobacterias.
El segundo, donde simplemente no estaba resuelto,

Spanish: 
donde no hubo un patrón de ramificación claro,
de cuál subconjunto habría sido el más temprano en hacer esta enzima,
o el resultado opuesto, donde se infiere que el antepasado fue una alfa-proteobacteria.
Esperamos que en el futuro, mientras más secuencias se obtienen, que podamos
decidir entre estas tres opciones con mayor confianza, pero lo que sí podemos decir con confianza ahora
es que no podemos interpretar con confianza que las cianobacterias fueran siquiera los inventores
evolutivos de esto. No se sabe si en el futuro eso se pruebe o no,
pero en la actualidad no es válido argumentar que existe una certeza absoluta
de que estas moléculas son biomarcadores incluso para las cianobacterias mismas,
sin hablar de la fotosíntesis oxigénica.
Así que vamos al grano y a hablar de la fotosíntesis oxigénica
porque eso es realmente lo que motivó esto todo el tiempo.
¿Podríamos encontrar un marcador biológico que nos daría información sobre el proceso de la fotosíntesis

English: 
where there was no clear branching pattern,
of which subset would have been the earliest one to make this enzyme,
or the opposite result where the ancestor would be inferred to be an alpha-proteobacterium.
We hope that in the future as more sequences are gained we will be able to,
with greater confidence, resolve between these three options, but what we can confidently say
now is that we cannot with confidence interpret that cyanobacteria were even the evolutionary inventors of this.
And so the case remains open whether or not in the future they will be proven to be so,
but at present it is invalid to argue that there is an absolute certainty
that these molecules are biomarkers even for the cyanobacteria themselves,
saying nothing about oxygenic photosynthesis.
So let's cut to the chase and talk about oxygenic photosynthesis
because that is really what motivated this all along.
Could we find a biomarker that would give us insight into the process of oxygenic photosynthesis?

English: 
And of course, just because an organism makes a molecule, doesn't necessarily
mean that it has anything to do with a particular function.
And so what we wanted to ask was whether or not there was a connection between
the ability to produce this molecule and photosynthesis directly.
So, as I told you, hopanoids resemble sterols.
And if you take a look at the biosynthetic pathway
for cholesterol over here and compare it to bacteria hopanoids over here,
you see that they go through very similar structures.
Of course the rings are different between them, but they are reminiscent.
And so it would be reasonable when thinking about the universal functions for these molecules
that we would turn to sterols for some inspiration.
And this is a very fascinating field in cell biology in eukaryotes,

Spanish: 
oxigénica? Por supuesto, el hecho de que un organismo haga una molécula no necesariamente
significa que tiene algo que ver con una función particular.
Lo que queríamos preguntar era si existía o no una relación entre
la capacidad de producir esta molécula y la fotosíntesis directamente.
Así que, como he dicho, los hopanoides se asemejan a esteroles.
Y si buscamos en la ruta biosintética
el colesterol por aquí y lo comparamos con bacterias hopanoides por allí,
se ve que pasan por estructuras muy similares.
Por supuesto, los anillos son diferentes entre ellos, pero son una reminiscencia.
Así que sería razonable al pensar sobre las funciones universales de estas moléculas
que acudiéramos a los esteroles para un poco de inspiración.
Este es un campo muy interesante de la biología celular en las eucariotas, y estoy segura de que

Spanish: 
hay algunos comentarios interesantes sobre esto en otros seminarios iBio a los que Uds. se pueden referir.
Muy brevemente, lo que me limitaré a decir ahora es que se ha demostrado que los esteroles
en las membranas eucariotas tienen un rol tanto en la fluidez como la integridad de la membrana.
Pueden jugar un rol en la curvatura de la membrana. También son importantes
en la creación de las llamadas balsas lipídicas, que implican el reclutamiento
de lípidos y proteínas específicos para lugares particulares dentro de la membrana.
Todas éstas son áreas muy activas de investigación en la biología de células eucariotas,
y uno puede legítimamente preguntar si estas moléculas hopanoides
que se asemejan a los esteroles podrían desempeñar funciones similares
en los sistemas eucariotas bacterianos, arqueales o incluso microbianos. Y se puede ir más allá para
preguntar si de algún modo estas funciones están relacionadas específicamente con la fotosíntesis oxigénica.
Algo que podemos hacer para comenzar a abordar esto es simplemente averiguar dónde residen

English: 
and I am sure there are some interesting commentaries on this in other iBioSeminar series that you can refer to.
Very briefly what I will just say now is that it has been demonstrated
that sterols in eukaryotic membranes have roles in both membrane fluidity and integrity.
They can play roles in membrane curvature.  They are also important
in creating what are called lipid rafts, that involve the recruitment
of specific lipids and proteins to particular places within the membrane.
All of these are very active areas of research in eukaryotic cell biology,
and one can reasonably ask whether or not in bacterial and in archeal,
or even microbial- eukaryo systems these hopanoid molecules
that resemble sterols might play similar functions.
And one can go further to ask whether or not in any way these functions are related specifically to oxygenic photosynthesis.
So, one thing that we can do to begin to address this is simply to figure out in different types of microbial cells

English: 
where hopanoids reside. And the point here is that it is not obvious,
because microbial membranes are actually very complex,
particularly in phototrophs where we have these
beautiful inner cytoplasmic membrane lamellar invaginations.
We can have other types of invaginations
that are either vesicular or tubular, there are many different types of
internal membrane structures that can form,
and as I said this is a wonderful opportunity for future research in microbial cell biology.
But getting back to the focus here, the question is, and in this cell,
what I am showing you is a thin section of my favorite organism Rhodopseudomonas palustris,
where do the hopanoids reside? Are they in the outer membrane or are they in the cytoplasmic membrane?
Are they in this membrane called the inner cytoplasmic membrane,
which is where the photosynthetic machinery is housed?
And the same question can be asked of cyanobacteria, where you see these inner cytoplasmic membranes,
which also host the photosynthetic machinery in cyanobacteria.

Spanish: 
los hopanoides en diferentes células microbianas. El punto aquí es que no es evidente
porque las membranas microbianas son en realidad muy complejas,
particularmente en fotótrofos donde tenemos estas
hermosas invaginaciones intra-citoplasmáticas laminares de membrana.
Podemos tener otros tipos de invaginaciones
que son ya sea vesiculares o tubulares, hay muchos tipos diferentes de
estructuras de la membrana interna que se pueden formar, y como he dicho,
ésta es una gran oportunidad para el futuro de la investigación en la biología celular microbiana.
Pero volviendo a este tema, la pregunta es...y en esta célula
lo que estoy mostrando es una sección delgada de mi organismo favorito, Rhodopseudomonas palustris...
¿dónde residen los hopanoides? ¿Están en la membrana externa o están en la membrana citoplasmática?
¿Están en esta membrana llamada membrana citoplasmática interna,
que es donde se aloja la maquinaria fotosintética? La misma pregunta
se puede hacer de las cianobacterias, donde se ven estas membranas citoplásmicas interiores,
que también son el sitio de la maquinaria fotosintética de las cianobacterias.

English: 
And this is an organism that isn't even photosynthetic,
but does indeed produce 2-methylated hopanoids
and as you can see, it has complex membrane systems as well.
So where are the hopanoids, in which of these membrane systems?
And just for the remainder of this time, I am only going to focus on showing you work
we've done using a representative cyanobacterium called Nostoc punctiforme.
So Nostoc punctiforme is a terrific microbial system for studying cellular differentiation.
And the reason for this is that there are three states it can exist in, as the vegetative growing cells,
some of which can differentiate to form specialize structures called heterocysts,
and this is where nitrogen fixation occurs in this organism.
But these organisms are also capable of creating a spore like state,
that is known as an akinete, and this is a very stress resistant cell type
that forms under stressful conditions that is not metabolically active. It is metabolically quiescent.

Spanish: 
Este es un organismo que ni siquiera es fotosintético,
pero que de hecho produce hopanoides 2-metilados
y como se puede ver, tiene sistemas de membranas complejas también.
Entonces, ¿dónde están los hopanoides?, ¿en cuál de estos sistemas de membrana?
Durante el resto de este seminario, sólo voy a centrarme en mostrarles el trabajo
que hemos hecho usando una cianobacteria representativa, Nostoc punctiforme.
Nostoc punctiforme es un sistema microbiano excelente para el estudio de la diferenciación celular.
La razón de esto es que puede existir en tres estados, como las células en crecimiento vegetativo,
algunas de las cuales pueden diferenciarse para formar estructuras especializadas llamadas heterocistos,
y aquí es donde se produce la fijación de nitrógeno en este organismo.
Sin embargo, estos organismos también son capaces de crear un estado parecido a una espora,
que se conoce como un akinete, y éste es un tipo de célula muy resistente al estrés
que se forma en condiciones de estrés y que no es metabólicamente activa. Es metabólicamente quiescente.

English: 
So Dave Doughty, a postdoc in my laboratory decided to take Nostoc
as a beginning entry way into understanding
where hopanoids would partition in cyanobacteria.
And what he decided to focus on were the different membranes that I just described:
the outer membrane, the inner membrane, and the inner cytoplasmic membrane
in the vegetative, heterocyst, and the akinete cell types.
And what you can see when you do these thin sections of the organisms
and look at them under electron microscopy,
is that the cell types change quite dramatically.
For example, there are very few, what he is labeling here as thylakoids,
this is just borrowing a term from eukaryotic cell biology
but what this is also really talking about here is the inner cytoplasmic membrane
that these cyanobacteria have that houses the photosynthetic apparati.
They have very few when they are in the akinete state, which makes sense, because these are resting cell types.

Spanish: 
Así que David Doughty, un postdoctorado de mi laboratorio, decidió tomar a Nostoc
como una puerta de entrada para comprender
dónde los hopanoides se partirían en las cianobacterias.
Decidió centrarse en las diferentes membranas que acabo de describir:
la membrana externa, la membrana interna y la membrana citoplásmica interna
en el vegetal, heterocisto, y los tipos de células akinetes.
Lo que se puede ver cuando hacemos estas secciones delgadas de los organismos
y los observamos en microscopía electrónica
es que los tipos de células cambian de forma espectacular.
Por ejemplo, hay muy poco de lo que él llama aquí tilacoides.
Esto es tomar prestado un término de la biología celular eucariota,
pero lo que esto realmente describe es la membrana citoplasmática interna
que tienen estas cianobacterias y que alberga los aparatos fotosintéticos.
Tienen muy pocos cuando están en el estado akinete, lo cual tiene sentido porque éstas son células en reposo.

English: 
The heterocysts have a much thickened cell envelope, and these are the cells in which nitrogen fixation occurs.
And this is just a normal view of a vegetative cell,
where you have what Dave calls a thylakoid membrane, and what I have been calling the inner cytoplasmic membrane.
As well as an outer membrane and an inner membrane in the overall cell envelope.
Now what we wanted to ask was depending upon the way in which the cell was grown,
would we find that hopanoid content and also hopanoid localization to these three membranes change?
And the answer was dramatically yes.
And so what Dave showed was when he was able to grow them as vegetative cells,
as heterocysts. Isolate the heterocysts, and then grow them so that they went into the akinete cell type
and then fractionate each of those three different cell types with respect to the cytoplasmic membrane,
the thylakoid membrane, and outer membrane,
that for these cell types the concentration of hopanoids, micrograms of hopanoids per milligram of total lipid,

Spanish: 
Los heterocistos tienen una envoltura celular muy espesada, y éstas son las células donde se produce
la fijación de nitrógeno. Esto es sólo una vista normal de una célula vegetal,
donde está lo que Dave llama una membrana tilacoide y lo que yo he llamado la membrana citoplasmática interna.
Además de una membrana externa y una interna en la envoltura celular global.
Ahora, lo que queríamos preguntar era si, dependiendo de la forma en que se cultiva la célula,
si el contenido hopanoide y la localización hopanoide en estas tres membranas cambia.
Y la respuesta fue un espectacular sí.
Lo que Dave mostró fue cuando pudo cultivarlas como células vegetativas,
como heterocistos. Aislar los heterocistos y cultivarlos para que entraran en el tipo de célula akinete
y luego fraccionar cada uno de esos tres tipos de células con respecto a la membrana citoplasmática,
la membrana de los tilacoides y la membrana externa. Mostró que para estos tipos de células,
la concentración de hopanoides, los microgramos de hopanoides por miligramo de lípidos totales,

English: 
varied quite dramatically.
And what I'll have you note here is that for the cytoplasmic membrane and the thylakoid membrane
the scale is much smaller than for the outer membrane.
Here this is only going up to ten, and here it goes up to sixty.
And so while indeed we do find some of these hopanoids in akinetes
and in vegetative cells being generated in the thylakoid membrane
by far the greatest concentrations are in the outer membrane of the akinetes, which are the resting cell types.
So as I told you, akinetes can be very resistant. They are survival structures.
But what I want to add to that description is the fact that
they can develop when cells are grown completely in the absence of light.
And so while in this experiment Dave did he'd originally grown them up photosynthetically,
and then subjected them to starvation conditions so that they went into the akinete type.

Spanish: 
varió de manera espectacular.
Lo que deben tener en cuenta aquí es que para la membrana citoplasmática y la tilacoide,
la escala es mucho menor que para la membrana externa.
Aquí, esto sólo va hasta 10, y aquí va hasta 60.
Por eso, aunque encontramos algunos de estos hopanoides en akinetes
y en las células vegetativas que se generan en la membrana de los tilacoides, las mayores concentraciones
se encuentran en la membrana externa de los akinetes, que son las células en reposo.
Como les he dicho, los akinetes pueden ser muy resistentes. Son estructuras de supervivencia.
Pero lo que quiero añadir a esa descripción es el hecho de que
que puedan desarrollarse cuando las células se cultivan completamente en ausencia de luz.
Mientras que en este experimento Dave las cultivó fotosintéticamente
y luego las sometió a condiciones de hambre para que pasaran al tipo akinete.

Spanish: 
Nunca tienen que pasar por la fase fotosintética para convertirse en akinetes.
Por lo tanto, ya que la mayoría de los hopanoides metilados en este organismo
están localizados en la membrana externa de los akinetes, se puede inferir que la fuente más probable
de la deposición de hopanoides 2-metilados en los sedimentos, al menos desde este organismo,
serían las células donde la fotosíntesis no se produce.
Debido a esto podemos volver e interpretar el registro rocoso y preguntar lo siguiente:
cuando encontramos ambos estos fósiles moleculares de hopanoides 2-metilados
y estos fósiles morfológicos que los paleontólogos, que son muy inteligentes y capaces de mirar
estas imágenes y decir cuándo es un akinete versus otro tipo de célula
y asignarlas a tiempos muy antiguos en el registro rocoso...

English: 
They do not need to ever go through the photosynthetic phase in order to become akinetes.
Therefore, since the majority of the methylated hopanoids in this organism
are localized to the outer membrane of the akinetes, one can infer that
the most likely source of 2-methylated hopanoid deposition into sediments, at least from this organism,
would be from cells where photosynthesis is not occurring.
And because of this we can go back and interpret the rock record and ask the question,
when we find both these molecular fossils of 2-methylated hopanoids
as well as these morphological fossils that paleontologists who are very clever and able to look at
these images and actually tell you when it is an akinete versus some other type of cell
and date them to very old times in the rock record.

English: 
Here we are talking about billions of years, so 1.5, 1.6, and 2.1 billion year old samples
where the akinete cell types as diagnosed by these paleontologists
are known to have been produced, we can ask whether or not
the 2-methylated hopanoid record that we find at similar ages
might have been produced through the shedding of the akinete envelope
into the sediments and may be reflecting a stress response
as opposed to anything to do with oxygenic photosynthesis per se.
That said, there is still more work to be done in examining whether there is some type of indirect connection
with oxygenic photosynthesis. There may be.
And we have a lot more to discover, so this is a very exciting field to be in
and will remain a very fruitful area of research for many years.
So to summarize what I hope I have been able to show you through an example
is how we can re-examine molecules that have been used as biomarkers for ancient metabolisms,
and ascertain whether or not these are valid biomarkers.

Spanish: 
Aquí estamos hablando de miles de millones de años, muestras de 1,5, 1,6 y 2,1 millones de años,
cuando se sabe que se producían las células akinetes diagnosticadas por estos paleontólogos.
Podemos preguntar si
el registro hopanoide 2-metilado que encontramos en épocas similares
podría haberse producido por el derramamiento de la envolvente akinete
en los sedimentos y podría reflejar una respuesta al estrés
en vez de algo relaciondo con la fotosíntesis oxigénica per se.
Dicho esto, todavía hay mucho trabajo por hacer para examinar si existe algún tipo de conexión indirecta
con la fotosíntesis oxigénica. Puede ser.
Tenemos mucho más por descubrir, por lo que éste es un campo muy emocionante
y seguirá siendo un área de investigación muy fructífera durante muchos años.
Así que para resumir con un ejemplo lo que espero haberles mostrado,
podemos reexaminar las moléculas utilizadas como biomarcadores para metabolismos antiguos
y determinar si estos biomarcadores son válidos.

Spanish: 
En este caso particular, hemos demostrado que estos compuestos,
hopanepolyols bacterianos 2-metilados u hopanos, como se les llama en el registro de la roca,
es probable que hayan sido generados por muchas bacterias diferentes.
Y todavía no podemos decir qué tipo de organismo inventó la capacidad de hacerlos.
Así que el jurado aún está deliberando si pueden ser utilizados como biomarcadores de cianobacterias.
Dicho esto, aunque las cianobacterias los hayan inventado primero,
no es del todo claro que tengan algo que ver con la fotosíntesis oxigénica
y de hecho, toda la evidencia disponible nos llevaría a concluir lo contrario.
Es que los estudios de localización celular muestran que están principalmente en las membranas
que no tienen nada que ver con las células activas,
y tampoco necesariamente tienen que reflejar el haber pasado por un proceso de fotosíntesis.
En experimentos que no tengo tiempo para mostrar aquí,
hemos podido eliminar estos compuestos metilados en Rhodopseudomonas palustris,

English: 
In this particular case, we have shown that these compounds
2-methylated bacterial hopanepolyols, or hopanes, as they are called in the rock record,
are likely to have been generated by many diverse bacteria.
And we can not yet say which type of organism invented the ability to make them.
So the jury is still out whether they can be used as biomarkers of cyanobacteria.
That said, even if cyanobacteria did invent them first,
it is not at all clear that they have anything to do with oxygenic photosynthesis
and in fact, all of the available evidence really would most reasonably lead you to conclude otherwise.
And that is because cellular localization studies show that they are mainly in membranes
that do not have anything to do with active cells,
nor do they necessarily have to reflect going through a photosynthetic process.
And in experiments which I don't have time to show you here,
we've been able in Rhodopseudomonas palustris to actually knockout these methylated compounds,

English: 
and find that even for the process of anoxygenic photosynthesis
they are not required and so, it doesn't appear that they play a direct role in metabolism.
But what it does seem to be important is that they are involved in stress response,
and likely this is manifesting through effects in membrane permeability and membrane fluidity.
Potentially there are other roles, and we await future discoveries to eliminate the full menu of options
that these molecules are serving in terms of their biological function in modern cells.
All right, so to summarize what I hope I have been able to show you from this story
is that we can use studies of modern bacteria to gain insight into the genesis of ancient metabolisms.
And while there is still a lot more work to do, we have a very exciting
future ahead of us where we have these remarkably geostable
compounds that hang around in rocks that are incredibly old, going back over two billion years,

Spanish: 
y encontrar que incluso para el proceso de la fotosíntesis anoxigénica
no se les necesita, así que al parecer no tienen un rol directo en el metabolismo.
Pero lo que parece ser importante es que ellos están involucrados en la respuesta al estrés, y es probable
que esto se manifieste a través de efectos en la permeabilidad y la fluidez de la membrana.
Potencialmente hay otros roles y esperamos los descubrimientos futuros para eliminar el menú de opciones
que estas moléculas están sirviendo en términos de su función biológica en las células modernas.
Muy bien, así que para resumir lo que espero haberles mostrar de esta historia, podemos utilizar
los estudios de las bacterias modernas para profundizar en la génesis de los metabolismos antiguos.
Y aunque todavía hay mucho trabajo por hacer, tenemos un futuro muy interesante
por delante, donde tenemos estos compuestos notablemente geostables
que están en rocas increíblemente antiguas, que se remontan más de dos millones de años,

English: 
and we need to be able to interpret them rigorously. And so in the case of these 2-methylated bacterial hopanes,
it appears that they really are no longer the best indicators of oxygenic photosynthesis,
however, they might be good indicators of microbial stress responses and other things.
And so in the future we hope to understand what their biological functions
are in both cyanobacteria and the other organisms that make them,
and be able to utilize these molecules as biosignatures of wonderful inventions in the history of cell biology.
So with this, I would like to acknowledge the people in my lab
that I have been referring to who have done this work.
It's been a collaboration over many years, and it began at Caltech with the student Sky Rashby,
co-advised by my colleague Alex Sessions, and in collaboration with my colleague Roger Summons at MIT.
And then continued by two postdocs, primarily Paula Welander and Dave Doughty.
Paula doing the work in Rhodopseudomonas palustris, and Dave with Nostoc,

Spanish: 
y tenemos que poder interpretarlos con rigor. En el caso de estos hopanos bacterianos 2-metilados,
parece que realmente ya no son los mejores indicadores de la fotosíntesis oxigénica.
Sin embargo, podrían ser buenos indicadores de las respuestas al estrés microbiano y otras cosas.
En el futuro esperamos entender cuáles son sus funciones biológicas
en tanto las cianobacterias como otros organismos que los hacen. Y tenemos que utilizar estas moléculas
como firmas biológicas de maravillosos inventos en la historia de la biología celular.
Así que con esto me gustaría agradecer a la gente de mi laboratorio
a la que me he referido, que hicieron este trabajo.
Ha sido una colaboración de muchos años que comenzó en Caltech con el el estudiante Sky Rashby,
co-asesorado por mi colega Alex Sessions, y en colaboración con mi colega Roger Summons en MIT.
Luego fue continuada por dos investigadores postdoctorales, principalmente Paula Welander y Dave Doughty,
Paula haciendo el trabajo con Rhodopseudomonas palustris y Dave con Nostoc,

English: 
and now continuing with Rhodopseudomonas, helped out by phylogenetic work with Maureen Coleman
and microscopy by Ryan Hunter.
And the Howard Hughes Medical Institute, NASA, and the NSF have contributed to supporting our research.

Spanish: 
y ahora continuando con Rhodopseudomonas, ayudado en el trabajo filogenético por Maureen Coleman
y en microscopía por Ryan Hunter.

Spanish: 
Y el Instituto Médico Howard Hughes, la NASA y la NSF han contribuido a nuestra investigación.
