La Ciencia y sus Demonios

Hace unos días propuse una pequeña adivinanza en este blog tan joven y dicharachero. Y si bien es seguro que me pasé poco con la dificultad… ¿a qué fue entretenido?. Esta vez quienes más se aproximaron fueron Svyadov por postular la presencia “bacteriana” y El Crazy Xabi por descubrir la “técnica empleada“. Enhorabuena a los dos!

<<Y Picapoyos minipunto por “fluorescencias“>>

Así que por fin, ahora desvelamos el misterio que encerraba aquella imagen. Que es mucho más de lo que parecía a simple vista. ¿Qué vimos entonces? Una imagen muy curiosa, llena de contrastes de color, una técnica maravillosa llamada FISH y uno de los casos más curiosos de la biología. Pero, ¿qué hago adelantando todo esto? Mejor lean esta entrada.

Los comienzos de una revolución

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Nuestra historia comienza en el año 1967. Fue un año que supuso un nuevo punto de inflexión para la Biología Evolutiva. Fue el año en el que, tras una intensa “lucha” previa, apareció por fin publicado y con la siguiente referencia: Journal of Theoretical Biology. 1967 Mar; 14(3): 255-74 un artículo titulado “On the origin of mitosing cells”, el cual revolucionaría las ideas existentes sobre el mundo microbiano y el origen de la célula eucariota. Su autora era una joven bióloga llamada Lynn Sagan. Hoy, es reconocida como Lynn Margulis y en aquel año publicó su famosa “Teoría Endosimbiótica”.

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Antes de la mencionada publicación, la hipótesis prevaleciente sobre el origen de la célula eucariota postulaba que la complejidad de la misma era fruto del cambio gradual en la disposición, comportamiento y naturaleza de las membranas celulares. Un cambio muy lento y gradual desde la humilde célula procariota hasta la compleja célula eucariota..

Sin embargo, en aquellos años había muy poca información que sostuviera tal modelo. Si bien concordaba relativamente bien con la mentalidad prevaleciente en aquella época. Pero Lynn Margulis no estaba de acuerdo, inspirada en las ideas del biólogo ruso Konstantin Mereschkowski, de inicios del siglo XX , propuso un modelo alternativo y muy heterodoxo en aquel entonces. Lo suficientemente radical como para que tuviera bastante dificultades a la hora de ser publicado.

Hoy día en cualquier lado también encontramos personajes con nuevos “modelos radicales”, la mayoría a tan solo dos clicks de distancia. Pero no tienen mucho éxito, de hecho, la mayoría son marcadamente acientíficos. Por ello y como defensa, estos “autores” se escudan de la crítica, lanzan acusaciones tales como que el edificio de la ciencia es una “gran ortodoxia inamovible”, una “conspiración” de “mentes cerradas”; mientras que ellos representan la vanguardia, la apertura mental y la lucha por una verdad que en el futuro se descubrirá.

Peeero, estos abiertos “investigadores” se equivocan y por mucho. Un buen científico jamás pedirá fe, apertura mental o ausencia de crítica. Un buen científico simplemente se limitará a contra-argumentar las críticas, a fortalecer su propia posición con argumentos fuertes y sobre todo, presentará sus pruebas ante la comunidad científica, publicándolas en sus correspondientes revistas.

Lynn Margulis proponía un modelo radical. Pero no se escudó en vaticinios o en promesas de futuro. Sino que se dedicó a formular críticas contra varios modelos prevalencientes de la Biología de aquel entonces, al mismo tiempo que formulaba un nuevo modelo, que a su vez también amparaba con pruebas verificables y contrastables fácilmente. ¿Todo a la vez? Pues sí, todo a la vez.

Ella no solo posee formación científica (era y es bióloga después de todo), sino que como buena profesional, publicó sus descubrimientos y modelos en artículos científicos, permitiendo así que sus ideas estuvieran  a disposición de toda la comunidad científica, para su estudio, evaluación, análisis y posterior corroboración o rechazo.

Por otro lado, cimentó sus artículos con datos brutos, proponiendo además un modelo que tenía posibilidad de ser demostrado como cierto o como falso, que era falsable, en virtud de los conocimientos de aquel entonces y sobre todo en futuros avances y hallazgos de la ciencia. Como era de esperar, recibió críticas de todas partes, pero ella no pidió que no se la criticara,  sino que soportó todas las críticas, las blandas y las duras, las destructivas y las constructivas, las razonadas y las demoledoras.

Finalmente, tras su primera publicación, Lynn Margulis ha seguido trabajando y publicando artículos científicos continuamente, a favor de su modelo, aportando más pruebas y datos, siempre, siempre, dentro y bajo los criterios de la comunidad científica; por muchas críticas y muchos detractores que hubiese tenido.

Y si ahora el modelo de Margulis es aceptado por la mayor parte de la comunidad científica, fue por un lado gracias a las pruebas sobre las que se sustentaba. Y por el otro, gracias a las pruebas que fueron apareciendo después. Todo ello fomentado e impulsado por la crítica y el debate.

Después de todo, y gracias a las normas de la práctica científica, al formarse “bandos” “a favor” y “en contra”  de un modelo, se forman a su vez equipos de investigación que trabajaran todo lo posible para  desbancarse mutuamente… Y como resultado, de forma inevitable aparecerán las pruebas que dictaminarán sentencia, a favor, o en contra.

Actualmente el modelo de Margulis está muy aceptado. Pero Margulis está prácticamente peleada con la mayor parte de la comunidad biólogos. Esto es consecuencia de la radicalización de la postura de la doctora, que le ha llevado a afirmar que la endosimbiosis es el único modelo aceptable de evolución y especiación, entre otras afirmaciones discutibles. Esto no sería demasiado malo si en puesto de optar por la “apertura mental“, hubiera continuado con su aporte de pruebas, lamentablemente, no ha sido así.

Pero… ¿Qué modelo propuso Lynn Margulis para levantar tamaño huracán?

Básicamente, dijo que las mitocondrias, los cloroplastos y los cuerpos basales de los flagelos celulares son en realidad antiguos (muy antiguos) organismos que terminaron por ser asimilados como simbiontes por primitivas células proto-eucariotas. Debido al pretendido origen simbiótico de estas organelas, este modelo fue bautizado como “Teoría Endosimbiótica”.

La “revolución” no se hizo esperar. En los últimos cuarenta años la bibliografía científica se ha visto inundada de artículos y revisiones con evidencias a favor de este modelo. Y gracias a los avances en genética, bioquímica, inmunología y microbiología; hoy día el origen endosimbiótico de mitocondrias y cloroplastos está más respaldado que nunca.

La única hipótesis que  ha quedado sin demostrar del modelo original de Lynn Margulis es el supuesto origen de los cuerpos basales de los flagelos como primitivos simbiontes; este tema aún está en candente debate y no hay conclusiones fuertes todavía. Para ampliar, recomiendo las referencias 1, 2, 8 y 10.

Actualmente también se conoce una enorme diversidad y variedad de eventos de endosimbiosis observables en vivo y en directo. Encontramos a estos endosimbiontes en un amplio rango de dependencia del huésped; se han descubierto desde “simbiontes” que son secuestrados de su medio y obligados a cooperar, hasta los más extravagantes, que son capaces de sustituir y adoptar la función de mitocondrias y cloroplastos, o aportan nutrientes esenciales o incluso se llegan a convertir en “organelas” de funciones únicas totalmente dependientes de la célula hospedadora para su existencia.

Estos endosimbiontes pueden ser tanto procariotas como eucariotas. Y se han encontrado en todo tipo de organismos, de ese modo tenemos:

• 1.- Cianobacterias (algas procariotas) endosimbiontes de protozoos flagelados.

• 2.- Cianobacterias endosimbiontes de esponjas.

• 3.- Cloroplastos funcionales asimilados por nudibranquios.

• 4.- Algas eucariotas endosimbiontes de nudibranquios.

• 5.- Algas eucariotas endosimbiontes de corales.

• 6.- Cianobacterias simbióticas de corales.

• 7.- Bacterias fijadoras de nitrógeno endosimbiontes de leguminosas.

• 8.- Bacterias endosimbiontes de protozoos endosimbiontes de termitas.

Y un larguísimo etcétera.

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A pesar de toda esta variedad, nunca se han encontrado bacterias endosimbiontes de otras bacterias. Esto en principio no es un problema “excesivamente” grave para la Teoría Endosimbiótica. Se antoja que la célula que alojó originalmente estos simbiontes, según el conocimiento actual, difícilmente podría haber sido una bacteria.

La principal razón para ello es que las bacterias son incapaces de fagocitar <<un proceso que consiste en envolver una partícula o un organismo con la membrana celular>>. Por eso se supone que el mencionado antepasado de las células eucariotas no pudo ser una “verdadera” bacteria, sino un organismo “a caballo” entre procariotas y eucariotas, un proto-eucariota.

Cuya identidad aún se está buscando.

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¿Los límites de la endosimbiosis?

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Por lo que ante la pregunta: ¿Podría una bacteria llegar a retener como endosimbionte a otra bacteria? ¿Podría haber sido una verdadera bacteria el proto-eucariota original? Los científicos solo podían responder a esto “seguramente no” (día malo) o un “no lo sé” (día bueno). Esa era toda respuesta…

… Hasta ahora.

La primera pista sobre bacterias endosimbiontes de bacterias se remontan tres décadas en el tiempo. Hasta un breve artículo publicado por el biólogo Daniel E. Wujek, profesor emérito del Departamento de Biología de la Central Michigan University, especialista en taxonomía, morfología y ecología de algas de agua dulce.

Su artículo, publicado en el año 1979, relata que estudiando una cianobacteria <<también bautizadas como “algas verdeazuladas”, son un tipo de bacterias fotosintéticas>> llamada Pleurocapsa minor, encontró hasta seis cuerpos intracelulares en cada bacteria. Estos cuerpos eran extrañamente semejantes a otras bacterias y tenían un tamaño de 1.5 μm de largo y 0.2 μm de diámetro (ref. 12).

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El descubrimiento, en sí mismo emocionante, posee una grave pega… Apenas ha sido citado, solo cuenta con 8 citaciones (según Google Scholar) y ninguna de las cuales corrobora por sí misma el descubrimiento, por lo que no tenemos ninguna referencia de apoyo que haya contrastado tales resultados. En otro sentido, el Dr. Wujek tampoco ha seguido publicando en la misma línea, sus trabajos se han centrado en otros puntos de la biología de las algas dulceacuícolas.

Como consecuencia, no tenemos otra opción que, en el mejor de los casos, poner en cuarentena sus observaciones.

También contamos con el hecho de que Pleurocapsa durante su ciclo vital posee una etapa en la cual se forman diminutos cuerpos intracelulares llamados “beocitos” <<baeocyte>>. Son células hijas que aparecen en número variable en el interior de células mayores antes de “eclosionar”.

Y eso era todo sobre “bacterias con endosimbiontes bacterianos”…

Pero llegó el siglo XXI. En el año 2001 la prestigiosa revista Nature <<para variar>> publicó entre sus páginas un descubrimiento bastante flamante. Lo suficiente como para marcar, una vez más, la diferencia en nuestras concepciones acerca de los límites de la elasticidad de la vida.

Primero presentemos a las “cochinillas blancas” o “harinosas”, también llamadas “chanchitos” o <<Mealybugs>>. Estos animalitos, pertenecientes a la familia Pseudococcidae, son un grupo de insectos que alberga unas 2000 especies (ref. 9), tienen una pinta bastante estrafalaria, reducido tamaño y el cuerpo cubierto de prolongaciones blancas de cera a modo de protección. Y al igual que los pulgones, son una dañina plaga que asola diversos cultivos. Su vida es tan sencilla como la del pulgón: pican los vasos floemáticos de las plantas y a partir de ahí, se dedican a succionar savia mientras excretan melaza de tanto en tanto, hasta el fin de sus días…

Salvo los machos, que como si fueran grandes estrellas del rock, vivirán sus últimas horas de forma fugaz, promiscua y sin llegar a poner los pies sobre el suelo.

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Como hemos comentado anteriormente, estos animalitos tienen savia de desayuno, de almuerzo, de comida, de merienda y de cena. Pero la savia no es lo que se dice un alimento muy nutritivo. Sí, es una rica fuente de azúcares como la sacarosa, pero por el contrario, es bastante pobre en lípidos (grasas) y proteínas. Por ello, los Homópteros, un grupo de insectos que incluye a los pulgones, las “moscas blancas”, los psílidos, nuestras blancas “cochinillas” y varios chupa-savia más; poseen bacterias endosimbiontes en el interior de su organismo que les permiten complementar su dieta (ref. 6).

La cuestión en sí es algo más compleja de lo que aparenta ser. Los áfidos (pulgones) por ejemplo, poseen dos tipos de endosimbiontes: un endosimbionte primario, que suele ser la bacteria Buchnera aphidicola, que se encarga de pagar su hospedaje con vitaminas, aminoácidos esenciales y otros nutrientes; y endosimbiontes secundarios, que se ha observado que pueden conferir al huésped (cual pequeños Goa’uld) tolerancia al calor, resistencia frente avispas parásitas, inmunidad contra los hongos y un incremento de la variedad de plantas de las que puede alimentarse (ref. 6).

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Y no es un caso único. Nuestras “cochinillas blancas” <<mealybugs>> también tienen endosimbiontes primarios y secundarios. El insecto posee en su abdomen unos órganos especializados denominados “bacteriomas”, formados por la aglomeración de células especializadas llamadas “bacteriocitos” (ref. 3, 6).

Estos “bacteriocitos” son células del propio insecto; en su interior se guardan las llamadas “esferas simbióticas”, de consistencia mucosa y limitadas por un juego de membranas (ref. 3, 6). Estas “esferas simbióticas” son algo bastante extraño: presentan RNA, gránulos semejantes a ribosomas, glicoproteínas, etc… Y si el insecto recibía un tratamiento con antibióticos, las “esferas simbióticas” degeneraban, los simbiontes se perdían y finalmente el animal moría (ref. 3).

Sin embargo, estas “esferas simbióticas” resultaban todo un misterio; nunca antes se había encontrado nada semejante en el reino animal, ¿qué podían ser? ¿un derivado del retículo endoplasmático? ¿de la membrana celular? ¿quizás del Golgi?.

Hasta que un equipo de investigadores de la Utah State University, encabezado por Carol D. von Dohlen, dio con la respuesta.

El estudio genético de los endosimbiontes mostró que estos podían dividirse en dos grupos: las β-proteobacterias (grupo que incluye bacterias patógenas como Neisseria gonorrhoeae, causante de la gonorrea) y las γ-proteobacterias (que incluye bacterias tan famosas como Escherichia coli o Legionella). Así que, dispuestos a averiguar donde se localizaba cada endosimbionte los autores montaron uno de esos juguetitos que tanto gustan a los biólogos: las sondas de DNA.

<<Off topic: por si acaso alguien se lo pregunta, (β) se dice beta y (γ) se dice gamma>>

Fabricar una sonda de DNA consiste en tomar un fragmento de DNA concreto y de un organismo exclusivo. Multiplicarlo hasta la enésima potencia y acoplar a cada copia de ese fragmento el mismo compuesto fluorescente. Actualmente no es una técnica muy difícil. ¿Y esto para qué sirve? Muy sencillo, en este caso los autores tenían a su disposición:

• 1.- En la puerta A. Miles de copias de un magnífico fragmento de DNA exclusivo de β-proteobacterias adosadas a un compuesto fluorescente que irradia “un color”.

• 2.- En la puerta B. Miles de copias de un fragmento de DNA exclusivo de γ-proteobacterias adosadas a un compuesto fluorescente que irradia “otro color”.

Y como toda hebra de DNA hibrida solo con su hebra complementaria, los fragmentos de DNA de β-proteobacterias solo se unirán al material genético de las β-proteobacterias; mientras que los fragmentos de DNA de γ-proteobacterias solo se unirán al material genético de γ-proteobacterias. Luego, gracias al compuesto fluorescente, podremos saber para dónde ha tirado cada fragmento. También esto es la razón por la cuál esta técnica se llama FISH <<fluorescent in situ hybridization>>.

Así que, ¡por fin! La solución a la adivinanza del otro día: esta magnífica imagen. Una imagen que por cierto, me gusta mucho, es tremendamente explicativa por sí misma. Tomad aire porque la leyenda es densa de narices:

Si habéis leído la leyenda anterior, habréis presenciado como los autores llegaron a su conclusión final: en el interior de esas células tan especiales del animal, los “bacteriocitos”, residen las “esferas simbióticas”; que no son sino β-proteobacterias simbióticas; y en el interior de estas, viven felizmente las γ-proteobacterias,  endosimbiontes de la anterior (ref. 3). Esta es la solución final de la adivinanza: “son bacterias endosimbiontes de bacterias”, siendo estas últimas a su vez, endosimbiontes de un insecto.

Como prueba adicional los autores muestran imágenes de micrografía electrónica, donde las “esferas simbióticas” presentan TRES membranas: dos de ellas procedentes de la β-proteobacteria y una tercera proveniente de la célula huésped (ref. 3).

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Y a diferencia del caso anterior, distintos autores se han interesado por este descubrimiento, por ello ha sido confirmado varias veces. Y tenemos el aliciente de que se ha profundizado sobre la extraña naturaleza de esta doble simbiosis.

Se sabe que desde el nacimiento hasta la segunda etapa larvaria, los bacteriomas aumentan en volumen, en cantidad de “bacteriocitos” y en número y densidad  de endosimbiontes . Estos bacteriomas, en el caso de las hembras, mantienen constante su tamaño desde la tercera etapa larvaria hasta la madurez, con un pico de desarrollo durante el desarrollo de los huevos y la ovoposición (ref. 6). Esto tiene en cierto modo sentido, ya que los simbiontes son transferidos verticalmente de la madre a los hijos (ref. 9).

Por su parte, en los machos los bacteriomas degeneran rápidamente en la etapa de pupa, ninfa o crisálida (como gusten llamarla), de modo que estos se pierden cuando el insecto es ya adulto. Lo cual tampoco es demasiado extraño, los machos no se alimentan una vez alcanzan la madurez y mueren rápidamente, el sentido de su existencia se limita a convertirse en vehículos de esperma. Tampoco es un fenómeno raro, la degeneración del “sistema endosimbiótico” también se ha observado en los machos otros insectos, como pulgones y psílidos (ref. 6).

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Los análisis filogenéticos por su parte confirman que el simbionte primario o principal, la β-proteobacteria, está genéticamente relacionado en todos los <<mealybugs>>, por ello se la considera el simbionte original de estos animales, en otras palabras, todos los simbiontes primarios de las “cochinillas harinosas” forman un grupo monofilético (ref. 6, 9).

Por el contrario, se sospecha que el simbionte secundario ha sido asimilado de forma independiente por al menos cuatro linajes de “cochinillas harinosas” a partir de precursores distintos, incluso por transferencia horizontal a través de otros insectos. Según los autores, esto explicaría la gran diversidad interna de estos simbiontes (ref. 9).

Consorcios. Rodeados de socios

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Relacionados con el probable origen de la célula eucariota y las asociaciones bacterianas, en estos días disponemos de otros hallazgos que también son la repanocha.

Es bien sabido que existen simbiosis de organismos que, si bien no son tan frikis como para llegar a asociarse a nivel intracelular, si llegan a juntarse de manera tan íntima que a menudo parecen ser una única entidad. Quizás el ejemplo más famoso de esto es el caso de los líquenes, una profunda asociación entre un hongo y un alga.

Casos semejantes se conocen en el mundo bacteriano, reciben el nombre de “consorcios”. Y seguramente el mejor ejemplo de ellos es el “organismo” (ojo, comillas) conocido como “Chlorochromatium aggregatum”.

Se trata de una entidad móvil, formada por la asociación entre una bacteria central, del tipo de las β-proteobacterias (ref. 5, 7 y 11) y entre 20 y 69 bacterias verdes del azufre que la recubren (ref. 5, 11).

Las bacterias verdes del azufre son otro tipo de bacterias fotosintéticas, pero que a diferencia de las plantas y las cianobacterias, que utilizan H₂O y liberan O₂; estas bacterias emplean H₂S, liberando azufre en estado puro. En esta asociación, las bacterias verdes del azufre envuelven a la β-proteobacteria, razón por la cual se las llama “epibiontes”. Finalmente, ambos organismos entrelazan y unen sus diminutos cuerpos gracias a diversas proyecciones y filamentos (ref. 11).

Pero aún muchas facetas de esta asociación permanecen en el misterio. Hasta ahora se ha observado que:

• Existe comunicación directa entre la bacteria central y los “epibiontes”. Aparentemente, están literalmente interconectados (ref. 5, 11).

• Que el “consorcio” se siente atraído por la luz, siendo la movilidad cedida por la flagelada β-proteobacteria central <<los “epibiontes” no tienen inventos de esos>> (ref. 4).

• Además, les gusta el 2 – oxoglutarato, se sospecha que su aprovechamiento corre a cargo de la bacteria central (ref. 4, 5).

• Y también se ha conseguido cultivar en laboratorio (ref. 4, 5 y 11).

Este fascinante consorcio habita en aguas contaminadas de materia orgánica, ricas en azufre reducido y carentes de oxígeno (ref. 4).

¡Y mi enhorabuena si habéis tenido la paciencia para llegar hasta aquí! Como hemos visto, si bien el punto cero del origen de la célula eucariota aún es un tema oscuro, la naturaleza nos enseña que es mucho más plástica de lo que en principio podíamos llegar a imaginar.

Para terminar, una imagen que me gusta mucho, resume de un vistazo todo lo visto hasta ahora:

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Y un pequeño vídeo cuyo protagonista es Elysia chlorotica, ese simpático nudibranquio que roba cloroplastos con el fin de usarlos para su propio beneficio. ¿A que es una monada?

Y como siempre digo… en cualquier caso, son necesarios más estudios

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REFERENCIAS

• (1) Bhattacharya, D. et al (2004) Photosynthetic eukaryotes unite: endosymbiosis connects the dots. BioEssays, 2004, vol. 26, no1, pp. 50-60. ISSN 0265-9247

• (2) Dyall, S. D. et al (2004) Ancient Invasions: From Endosymbionts to Organelles. SCIENCE VOL 304 9 APRIL 2004

• (3) Dohlen, C. D. et al  (2001) Mealybug bold beta-proteobacterial endosymbionts contain big gamma-proteobacterial symbionts. Nature 412, 433-436 (26 July 2001). Artículo completo disponible AQUÍ.

• (4) Fröstl, J. M. y Overmann, J. (1998) Physiology and tactic response of the phototrophic consortium “Chlorochromatium aggregatum”. Archives of Microbiology, Volume 169, Number 2 / febrero 1996.

• (5) Kanzler, B. E. M. (2005) Molecular Characterization of the Nonphotosynthetic Partner Bacterium in the Consortium “Clorochromatium aggregatum”. Appl Environ Microbiol. 2005 November; 71(11): 7434–7441. doi: 10.1128/AEM.71.11.7434-7441.2005

• (6) Kono, M. et al (2008). Infection Dynamics of Coexisting Beta- and Gammaproteobacteria in the Nested Endosymbiotic System of Mealybugs. Applied and Environmental Microbiology, July 2008, p. 4175-4184, Vol. 74, No. 13

• (7) Lake, J. A. (2009) Evidence for an early prokaryotic endosymbiosis. Hypothesis, Nature 460, 967-971 (20 August 2009) / doi: 10.1038/nature08183

• (8) McFadden, G. I. (1999) Endosymbiosis and evolution of plant cell. Current Opinion in Plant Biology, Volume 2, Number 6, 1 December 1999 , pp. 513-519(7)

• (9) Thao, M. L. et al (2002). Secondary (gamma-Proteobacteria) Endosymbionts Infect the Primary (beta-Proteobacteria) Endosymbionts of Mealybugs Multiple Times and Coevolve with Their Hosts. Applied and Environmental Microbiology, July 2002, p. 3190-3197, Vol. 68, No. 7

• (10) Timmis, J. N. et al (2004). Endosymbiotic gene transfer: organelle genomes forge eukaryotic chromosomes. Nature Reviews Genetics 5, 123-135 (February 2004) | doi:10.1038/nrg1271

• (11) Wanner, G. et al. (2008) Ultrastructural Characterization of the Prokaryotic Symbiosis in “Chlorochromatium aggregatum”. Journal of Bacteriology, May 2008, p. 3721-3730, Vol. 190, No. 10

• (12) Wujek, D. E. (1979) Intracellular Bacteria in the Blue-Green Alga Pleurocapsa minor. Transactions of the American Microscopical Society, Vol. 98, No. 1 (Jan., 1979), pp. 143-145