El viajero audaz Un ecosistema codificado en un

El viajero audaz
Un ecosistema codificado en un genoma
Agustín B. Ávila Casanueva
… descende, audax viator, et terrestre centrum atinges
… desciende, viajero audaz, y llegarás al centro de la Tierra
Julio Verne. Viaje al centro de la Tierra
Los humanos necesitamos alimento para vivir y nuestra cultura ha llevado
esta necesidad a complejidades de la talla del mole. Nos gusta cocer,
freír, caramelizar, hervir, moler, asar, diluir, sofreír y hacerla de alquimista
dentro del laboratorio de química que llamamos cocina, para disfrutar de
una buena comida. ¿Qué pasaría si sólo tuvieras piedras y agua para
hacer comida? A 2.8 km debajo de la superficie terrestre vive una bacteria
que lleva varios miles de años aislada de cualquier otro tipo de vida y de
la luz del Sol, solamente con rocas y agua en su ambiente. A pesar de
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ello
este
organismo
se
las
ingenia
para
hacer
comida,
crecer
y
reproducirse. Y todas sus recetas están escritas en su genoma.
La vida como no la conocemos
Casi toda la vida en la Tierra depende de una u otra manera de la
fotosíntesis. Las plantas y muchas bacterias la utilizan para constituir su
alimento, para hacer nuevas moléculas que sean más que la suma de sus
partes. Usan por ejemplo la energía del Sol para juntar diferentes
moléculas de poco provecho energético como el dióxido de carbono (CO2)
y el agua, y formar una que les rendirá energía posteriormente en otros
procesos metabólicos. Además, estos paquetes de energía fluyen entre el
resto de los organismos en relaciones de mutuo beneficio como la
simbiosis, el parasitismo o comerse a alguien más entero o en cachitos.
Un grupo de geólogos pertenecientes a distintas universidades de
Estados Unidos, Canadá y Taiwan, liderados por Tullis C. Onstott de la
Universidad de Princeton, decidieron buscar cómo es la vida para las
bacterias que no están expuestas a la luz desde hace millones de años, y
por lo tanto deben de tener una forma de vida muy diferente a la del
resto de los organismos.
Un buen lugar para buscar a un ser así de extraordinario sería una
mina, pero la exigencia científica no se conformaría con cualquier mina, el
Dr. Onstott decidió explorar la mina de oro más profunda del mundo, la
mina de Mponeng, que en lenguaje Sotho significa “mírame”. Esta mina se
encuentra en Sudáfrica y es un conglomerado de cuarzo, uranio y oro
formado hace 2.7 miles de millones de años.
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Las rocas y el sedimento de esta mina han alterado su profundidad,
se han calentado y enfriado varias veces durante los últimos millones de
años. Estos cambios suelen crear huecos o fracturas dentro de las
diferentes capas de sedimento acumulado durante miles de millones de
años, y le dan forma a la mina, pues movilizan las reservas de agua que
pueden entrar, salir o quedarse atrapadas durante millones de años. Los
geólogos que buscaban encontrar una extraña forma de vida lejos de la
luz del Sol y la fotosíntesis, la buscaron dentro de una de estas fracturas.
Un descenso que es un viaje en el tiempo
Conforme los investigadores bajaban por los ascensores y los túneles de
la mina de Mponeng,
iban dejando atrás,
desde los primeros metros, el
descubrimiento de América, la peste negra, la segunda y la primera guerra
mundial. Siguieron descendiendo hasta la migración de nuestros ancestros
desde África, la aparición de grandes pastizales que fueron poblados por
vez primera por caballos y antílopes, y el surgimiento del istmo de Panamá
desde el fondo oceánico. Pasaron también de largo por la evolución de
las ballenas y los primates, y la formación de los Himalaya, y después de
una hora de recorrido se encontraron a 2.8 km por debajo de la
superficie. Los mineros que trabajan en esta parte de la mina se enfrentan
a un verdadero reto debido a un fenómeno llamado gradiente geotermal,
la temperatura aumenta al mismo tiempo que la profundidad, al grado que
es necesario bombear desde la superficie 6,000 toneladas de hielo y sal
para mantener la temperatura de los túneles a 28 °C.
Los túneles son un sauna, muy lejano del ambiente ideal para
trabajar, y las reservas de agua que están dentro de la mina, con una
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temperatura promedio de 56 °C, tampoco se pueden describir como
hospitalarias. A pesar de ello, este ambiente es el hogar de una especie
singular
de
bacteria
a
la
que
le
llaman
Candidatus
Desulforudis
audaxviator. El nombre audax viator, que se traduce como “viajero audaz”,
está precisamente inspirado en la novela de Julio Verne, Viaje al centro de
la Tierra, pues esta bacteria atravesó por algo semejante a lo que les
sucedió a los personajes de Julio Verne: junto con el agua en que
habitaba, inició un largo e involuntario viaje para el que afortunadamente y
sin saberlo, estaba preparada. Los geólogos calculan que el agua y el
viajero audaz “viajaron” entre 40 y 100 millones de años atrás; más o
menos
hasta
cuando
un
gran
meteorito
inició
la
extinción
de
los
dinosaurios.
Mineros rompiendo la roca en la mina de Mponeng. Graeme Williams/The New York
Times/Redux
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Una bacteria que no entra en el laboratorio
El principal problema para el estudio de las bacterias cuyo ecosistema es
de los más complicados de imaginar para nosotros, es justo éste. Los
microbiólogos se limitan a replicar las condiciones de vida de
diferentes
organismos
para
poder
estudiarlos
y
utilizan
los
técnicas
especializadas para cada tipo: para las bacterias que necesitan vivir sin
oxígeno, un ambiente cerrado; para las bacterias que viven en los
intestinos, medios de cultivo a base de sangre y corazón de res; para
algunas bacterias patógenas hay hasta medios con publicidad engañosa
como el agar chocolate, hecho a base de sangre coagulada, de ahí su
nombre.
Pero no sólo a nuestro viajero audaz le gustan los extremos, hay
bacterias que viven en minas de ácido, con un pH cercano a uno, eso es
diez veces más ácido que la batería de un coche. Otras viven en las
ventilas hidrotermales en el fondo del mar, donde las temperaturas van de
los 80 a los 120 °C. Algunas otras pueden crecer mientras reciben
radiación nuclear. Si los microbiólogos quisieran replicar todos estos
medios,
sus
laboratorios
serían
una
colección
de
trampas
mortales
bastante costosas. Se estima que cerca del 90% de las especies de
bacterias que existen no se pueden cultivar en el laboratorio.
La mejor manera
que tienen los científicos de estudiar estas
bacterias es secuenciando todo su ADN; es decir, su genoma. No es que
busquen el ADN de una bacteria en particular, muchas veces no tienen ni
siquiera idea de cuáles o cuántas especies bacterianas hay, sino que
intentan
obtener
ecosistema donde
las
secuencias
de
todos
los
microorganismos
del
habitan. Este proceso es llamado metagenómica.
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En el caso específico del agua de la mina de Sudáfrica, extrajeron
cerca de 5,600 litros. Toda esta agua la pasaron a través de un filtro lo
suficientemente pequeño para no dejar pasar a las bacterias y otros
microorganismos que pudieran vivir allí. Las células que recuperaron fueron
sometidas a diferentes procesos para separar sus componentes. Les
pusieron detergentes para romper las membranas, las centrifugaron para
separar las proteínas, les agregaron diferentes solventes para quitar los
lípidos, y siguieron varios pasos para después quedarse sólo con el ADN.
Al llegar a este punto, el ADN que se obtiene está partido en
cachos. Esto no es un problema, ya que la secuenciación --el proceso de
determinar el orden de los nucleótidos que son los componentes del ADN- se hace por pedazos muy pequeños. Los investigadores utilizaron dos
técnicas diferentes: una llamada secuenciación tipo Sanger que logra leer
la secuencia en tramos de mil nucleótidos en promedio, y otra llamada
pirosecuenciación, que lee cachos de un poco más de cien nucleótidos.
Todos estos tramos se van comparando unos con otros utilizando
software especializado. Lo que se busca hacer es encontrar tramos que se
sobrepongan y así armar la secuencia de los replicones presentes; es
decir, de cada molécula de ADN individual, de cada cromosoma y de cada
plásmido, que son cromosomas pequeños casi siempre circulares que
tienen las bacterias.
En un ecosistema más diverso esta tarea sería
prácticamente imposible. Cada genoma es un rompecabezas con miles de
piezas e intentar obtener los genomas completos de un ecosistema como
el intestino humano, por ejemplo, donde llegan a vivir hasta mil especies,
sería como armar mil rompecabezas de miles de piezas cada uno al
mismo
tiempo.
Es
demasiada
información
para
interpretar.
Los
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investigadores ya habían averiguado por precaución que en esta agua
había muy pocas especies de bacterias, aunque no se imaginaban que era
sólo una. Gracias a la poca diversidad lograron conocer toda la secuencia
de ADN de audax viator, o sea su genoma, cuyo tamaño es de 234 mil
pares de bases nucleotídicas. En él se encuentra descrito todo un
ecosistema.
El viajero audaz visto desde un microscopio electrónico de barrido. Esta bacteria tiene
una forma cilíndrica, claramente distinguible. Fotografía de Chivian et al. Science 2008.
Viviendo sin luz y sin oxígeno
Todos recordamos alguna escena de películas o dibujos animados donde
un científico loco utiliza la energía de un rayo en plena tormenta para
darle vida a una creación monstruosa de su autoría. Como bien sabía
Mary Wollstonecraft Shelley, la autora de Frankenstein o el moderno
Prometeo, la electricidad forma una parte indispensable de la vida, tanto
de la humana como la de las bacterias (link a artículo de Las nuevas bac-
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terías) o los insectos. Cualquier tipo de vida utiliza electricidad, claro que
a diferentes escalas, pero probablemente no hay ningún organismo que se
beneficie de la descarga directa de un relámpago.
La electricidad es simplemente un flujo de electrones, un flujo de
cargas eléctricas, y es necesaria para la vida. Las plantas utilizan este flujo
de electrones junto con la luz solar para echar a andar una maquinaria
molecular que convierte el CO2 en azúcares que le sirven de alimento.
¿Cómo obtiene su alimento el viajero audaz sin tener una fuente de
energía tan grande como el Sol?: utiliza la radioactividad.
significa
que
esta
bacteria
sea
un
reactor
nuclear,
Pero esto no
simplemente
se
beneficia de fuerzas radioactivas para obtener su comida. Las plantas
utilizan normalmente el oxígeno como receptor de electrones para iniciar la
corriente eléctrica, pero encerrado en las profundidades, el viajero audaz
no tiene oxígeno disponible, sólo sulfito, una mezcla de dos moléculas de
hidrógeno y una de azufre (H2S). Esta molécula tampoco es muy útil, pues
su carga es neutra y por lo tanto no puede tomar parte en una corriente
eléctrica. Pero en su hábitat también hay uranio, que es ligeramente
radioactivo y libera energía constantemente. Esta energía en forma de
electrones (moléculas con carga negativa) suele interaccionar con el agua
atrapada en la mina haciendo que pierda un hidrógeno, cambiando el
agua, H2O, a peróxido de hidrógeno, HO. Esta molécula interacciona con el
sulfito y forma sulfato SO4-2, el -2 que se encuentra en la fórmula de la
molécula significa que tiene una carga negativa muy fuerte. El viajero
audaz puede entonces utilizar esta diferencia de cargas del sulfato con el
hidrógeno liberado de la molécula de agua para iniciar una corriente
eléctrica y echar a andar toda su maquinaria molecular.
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El inicio eléctrico del metabolismo del viajero audaz. Adaptado de microbewiki.
Pero la vida es más que electricidad. Los organismos vivos, incluso los que
viven
encerrados
durante
millones
de
años
a
varios
kilómetros
de
profundidad, necesitan carbono y nitrógeno para sobrevivir. Si bien hay
carbono disponible en el medio, el análisis del genoma del viajero audaz
muestra todos los componentes necesarios para incorporar el carbono,
otros elementos y moléculas necesarias, como los nucleótidos que forman
el ADN, de sus compañeros muertos. Como muchos otros viajeros audaces,
esta bacteria es canibal.
Si
nitrógeno,
bien
en
los
nucleótidos
de
sus
congéneres
hay
bastante
el viajero audaz que necesita más para formar más nucleótidos
y aminoácidos, lo toma del ambiente,
N2, y lo incorpora a nuevos
aminoácidos; y por cierto, tiene también la capacidad de sintetizarlos
todos.
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Los geólogos que llevaron a cabo este estudio no se quedaron durante
meses a estudiar a Desulforudis audaxviator y cómo interaccionaba con su
ambiente. Simplemente tomaron una muestra del medio, analizaron el ADN
que contenía y pudieron decir con todo detalle cómo era la vida en un
lugar que nadie había estudiado jamás.
Bibliografía
1.
2.
3.
4.
Dylan Chivian et al., “Environmental Genomics Reveals a Single-Species Ecosystem
Deep Within Earth”, Science, vol. 322, 10 de octubre de 2008.
Li-Hung Lin et al, “Long-Term Sustainability of a High-Energy, Low-Diversity Crustal
Biome”. Science, vol. 314, 20 de octubre de 2006.
Clark, D. P, Dunlap, P. V., Madigan, M. T., Martinko, J. M.,
Brock Biology of
Microorganisms, Pearson, San Francisco, 2010.
http://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Desulforudis_audaxviator
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