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Una audaz viajera microbiana ha colonizado las profundidades de nuestro planeta. |
A 2,8 kilómetros debajo de la superficie de la Tierra, en la mina de oro Mponeng cerca de Johannesburgo, Sud África, se ha descubierto el primer ecosistema compuesto de una única especie biológica. Allí, la bacteria con forma de barra Desulforudis audaxviator vive en completo aislamiento, en la total oscuridad, carente de oxígeno y a 60ºC de temperatura.
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Un nuevo dominio A fines de la de década de los ´70, el Dr. Carl Woese comenzó un estudio de relaciones evolutivas entre los procariotas. En lugar de los caracteres físicos, se basó en secuencias de ARN para determinar cuán cercanamente relacionados estaban estos microbios. Descubrió que los procariotas estaban en realidad compuestos por dos grupos diferentes: las Bacterias y un nuevo grupo reconocido que él denominó Arquea. Cada uno de estos grupos es tan diferente del otro como lo es de los eucariotas. Actualmente, estos tres grupos son reconocidos como tres dominios distintos de la vida. © Berkeley |
D. audaxviator sobrevive en un hábitat en el cual obtiene su energía no del sol sino del hidrógeno y del sulfato producidos por la desintegración radioactiva del uranio. Viviendo en soledad, D. audaxviator debe fabricar por sí mismo sus moléculas orgánicas a partir del agua, del carbono inorgánico, y del nitrógeno proveniente del amoníaco que se encuentran en las rocas y los fluidos que la rodean.
Durante su largo viaje hasta estas profundidades extremas, la evolución ha equipado a esta versátil espeleóloga con genes (muchos de ellos compartidos con las arqueas, miembros de un dominio separado de la vida no relacionado con las bacterias) que le permiten enfrentar un amplio espectro de diferentes condiciones, incluyendo la capacidad de fijar nitrógeno directamente desde el nitrógeno elemental de su medioambiente.
D. audaxviator fue capturada, y su inusual genoma ha sido secuenciado y analizado utilizando las técnicas de la genómica ambiental, también llamada metagenómica, por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, del Departamento de Energía de los EE.UU. (Berkeley Lab.), el Instituto Conjunto del Genoma (JIG) y el Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste (PNNL), trabajando con colegas de la universidad de Princeton, la de Indiana, de la Universidad Nacional de Taiwán, del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), de la Universidad Estatal de Florida, del Instituto de Investigación del Desierto, y de la Universidad de Ontario Occidental. El trabajo fue un proyecto del Instituto Virtual de Tensión y Supervivencia Microbiana (VIMSS), apoyado por el Departamento de Energía de los EE.UU. (DOE) y dirigido por Adam Arkin y Terry Hazen de Berkeley Lab., y de la Iniciativa de Astrobiología Indiana Princeton Tennessee (IPTA), dirigida por Tullis Onstott de la universidad de Princeton y Lisa Pratt de la universidad de Indiana. Los investigadores comunicaron sus resultados en el número del 10 de octubre de 2008 de la revista Science.
“Lo más importante de la genómica medioambiental es que hizo posible la formación de una imagen más completa de la vida microscópica de toda la Tierra, en lugar de estar limitada a una pequeña proporción de microorganismos que puede ser cultivada en el laboratorio”, dice Dylan Chivian de la División de Biociencias Físicas (PDB) de Berkeley Lab., autor principal del artículo de Science. “Casi todos los organismos viven en comunidades con papeles sub-divididos dentro de sus ecosistemas. Al extraer el ADN de muestras medioambientales, pueden ser identificados los diversos jugadores dentro de estas comunidades microbianas así como las capacidades de los miembros dominantes, aún cuando los genomas completos de la mayoría de ellos no puedan ser individualizados”.
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Desulforudis audaxviator es un organismo que vive independientemente en la total oscuridad y a altas temperaturas, reduciendo sulfato y fijando carbono y nitrógeno a partir de su medioambiente, en las profundidades de la Tierra. Constituye el primer ecosistema conocido compuesto por una única especie. © Thanya Suwansawad |
Una colección de organismos como ésa era lo que los investigadores esperaban encontrar cuando trabajosamente filtraron unos 5 600 litros de fluido recogidos por Onstott y sus colaboradores en la roca del lugar marcado como MP104, una sección abierta recientemente del nivel 104 de la mina Mponeng.
La presencia de la especie más tarde conocida como D. audaxviator era una apuesta segura. Aunque su genoma nunca había sido secuenciado, en el año 2006 el organismo había sido identificado en MP104 por Onstott, Li-Hung de la Universidad Nacional de Taiwán, y sus ayudantes, y se sabía que era el microbio más común que se había encontrado viviendo a más de 2,5 kilómetros de profundidad en el distrito minero de Witwatersrand en Sud África.
“Sabíamos, por trabajos previos en esas minas utilizando técnicas biológicas, que parecía haber comunidades muy simples afincadas allí”, dice Fred Brockman del Departamento de Biología de PNNL de la universidad estatal de Washington, donde fue extraído el ADN a partir de las células filtradas. “Esperábamos tener la oportunidad de armar un genoma entero de la especie más dominante, o quizás hasta un 70 u 80% de los de varias especies”.
Según cuenta Chivian, “lo que descubrimos en cambio fue que había un solo organismo presente en la muestra. Más del 99,9% del ADN provenía de un único organismo, y el pequeñísimo residuo restante parecía ser una traza de contaminación de la mina y del laboratorio”.
El esfuerzo secuenciador en el JGI del DOE fue encabezado por Alla Lapidus de la División Genómica de Berkeley Lab; incluso antes de que el análisis fuera completado, resultó evidente que el genoma de la solitaria especie era notable. No era tan delgado como podía esperarse de un organismo que vivía en lo que presumiblemente era un medioambiente muy estable. Este tipo de bacterias tienen típicamente unos 1 500 genes, mientras que D. audaxviator contaba con 2 157 genes codificadores de proteínas. Delgado, pero no desprovisto.
Lo que puede hacer este paquete genético no tan mínimo se reveló en el análisis genómico realizado por Chivian, Arkin y Paramvir Dehal de PBD y por Eric Alm del MIT: el genoma contenía todo lo necesario para sostener una existencia independiente y reproducirse, incluyendo la capacidad de incorporar los elementos necesarios para la vida a partir de fuentes inorgánicas, moverse libremente, y protegerse de los virus, de las duras condiciones y de los períodos pobres en nutrientes convirtiéndose en una espora.
“Una cuestión que ha surgido cuando se considera la capacidad de otros planetas para sostener la vida es si los organismos pueden existir independientemente, incluso sin acceso a un sol”, dice Chivian. “La respuesta es sí, y aquí está la prueba. Resulta filosóficamente emocionante saber que todo lo necesario para la vida puede ser empacado en un único genoma”.
Trabajos previos habían identificado a los sulfatos como la fuente de energía más rápidamente disponible en el medioambiente de D. audaxviator. D. audaxviator no solamente tiene el equipo para reducir sulfatos, sino que esta capacidad está respaldada por genes adicionales que parecen haber sido tomados de las arqueas por transferencia genética horizontal, es decir, la incorporación de material genético de una especie no relacionada.
Las arqueas, un dominio diferente al de las bacterias, atrajeron la atención por primera vez como extremófilas, aunque desde entonces se han descubierto muchas otras clases de ellas. En comunidades microbianas de las minas sudafricanas se han localizado hasta la fecha algo así como 280 tipos de bacterias y 44 tipos de arqueas.
D. audaxviator puede obtener su carbono desde un número de fuentes, dependiendo de los alrededores de donde se encuentre. Puede digerir azúcares y aminoácidos, lo que sugiere que una fuente de carbono podrían ser las células muertas de otros microbios en lugares donde la concentración de células lo permita. Pero en el medio fluido del nivel 104, donde la biodensidad es baja, D. audaxviator puede sobrevivir porque su genoma contiene también genes que permiten al organismo obtener carbono a partir del monóxido de carbono, del dióxido de carbono, del bicarbonato y de otras fuentes no biológicas.
Su nitrógeno proviene del amoníaco liberado por las rocas y disuelto en el fluido en el nivel 104, pero D. audaxviator posee también un gen para una nitrogenasa que podría, si fuera necesario, extraer nitrógeno desde sus alrededores después de convertirlo primero en amoníaco, un gen que también parece compartir con las arqueas de alta temperatura.
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El organismo con forma de barra D. audaxviator fue recuperado de entre miles de litros de agua recogida en las profundidades de la mina Mponeng en Sud África. © Micrograph by Greg Wanger, J. Craig Venter Institute, and Gordon Southam, University of Western Ontario |
Otros genes compartidos con las arqueas confieren características tales como una defensa contra los virus, pero un sistema de autoprotección es único para el filo Firmicutes al que pertenece D. audaxviator: la capacidad de formar endoesporas, estructuras resistentes que sirven de escudo al ADN y al ARN evitando que se desequen, protegiéndolos también del calor, del hambre, y de los ataques químicos. Como muchas bacterias, D. audaxviator está equipada con un flagelo, una estructura parecida a un látigo que le permite nadar hacia fuentes de nutrientes tales como los que se pueden encontrar en los poros de las rocas y de otras superficies minerales.
Casi lo único que D. audaxviator no puede resistir es el oxígeno, lo que sugiere que no ha estado expuesta al oxígeno puro por un largo tiempo. Para que D. audaxviator haya evolucionado hasta alcanzar su notablemente versátil genoma, partes claves del cual comparte con las arqueas, debe haber estado en su profundo viaje durante muchas generaciones, quizás por tanto tiempo como el agua de la fractura en la que fue encontrada, que no ha visto la superficie durante millones de años.
“Parte de la fortaleza de la genómica comparativa proviene del hecho de que ahora tengamos los genomas de más de mil bacterias y arqueas, y a que sabemos qué es lo que esos genes pueden hacer”, dice Chivian. “En un nivel simple, nos permite observar un nuevo genoma y volver a armar su metabolismo, basándonos en los genomas mejor estudiados de esos otros microorganismos. Esto resulta ser particularmente poderoso para comprender mejor a los nuevos organismos del medioambiente que por otra parte no están bien caracterizados”.
Las notables capacidades de D. audaxviator dieron lugar a su nombre. El nombre del género Desulforudis fue acuñado por Tullis Onstott a partir de las palabras latinas para “del azufre” y “barra”, haciendo notar su forma y su capacidad de obtener energía a partir de los sulfatos. ¿Y “audaxviator”? Dylan Chivian encontró la clave en la novela “Viaje al centro de la Tierra”, de Julio Verne, en un mensaje (“convenientemente escrito en latín”, dice Chivian) descifrado por el protagonista, el profesor Lidenbrock, y que en parte reza: “descende, Audax viator, et terrestre centrum attinges” (desciende, audaz viajero, y alcanza el centro de la Tierra).
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Artículo original: “Life Is Lonely At The Center Of The Earth”
Fecha: Octubre 11, 2008
Enlace con el artículo original: aquí= = = = = = = = = = = = = = =
