Microorganismos extremos
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Microbiología 4 TEC Microorganismos que sobreviven en condiciones extremas Fuente: American Society for Microbiology / microbeworld.org 1 – Termófilos ¿Alguna vez has soportado un día de calor tan intenso que le has dicho a tus amigos “siento que me estoy derritiendo”? Por supuesto que es una exageración, pero existen microorganismos llamados termófilos, o amantes del calor, que viven en temperaturas tan altas que podrían derretirse si no hubieran desarrollado algunos trucos y herramientas para soportar ese calor tan extremo. Thermocrinis ruber, heat-loving bacteria Enzimas especiales Los termófilos tienen ciertas proteínas o enzimas, que están especialmente diseñadas para sobrevivir a temperaturas tan altas como 140°C. Recordemos que el agua hierve a 100°C. Las proteínas y enzimas de nuestro cuerpo se desnaturalizarían (desenrollándose y descomponiéndose) muchísimo antes de llegar a una temperatura como los 140°C. Aminoácidos Las proteínas son cadenas de moléculas llamadas aminoácidos (imaginate un collar de perlas donde cada perla es un aminoácido) Pero para que las proteínas funcionen correctamente, las cadenas de aminoácidos no pueden extenderse en una línea. Aminoácidos que constituyen una proteína Tienen que estar enrolladas y dobladas en un patrón tridimensional correcto (imagina el collar de perlas enrollado en tu mano) Las altas temperaturas pueden provocar que estas estructuras tridimensionales se desdoblen y las uniones que las mantienen juntas, se rompan. Y cuando las enzimas se desdoblan, no pueden actuar correctamente 1 Microbiología 4 TEC Las enzimas de los termófilos, se llaman enzimas extremas. Una de las cosas que hacen estas enzimas para mantener su forma tridimensional en altas temperaturas es doblarse aún más fuertemente que las enzimas que están sometidas a temperaturas normales. Como bien sabes, un nudo apretado de los cordones de tus zapatos es más difícil de soltar que uno flojo. Así mismo, muchos de los enlaces químicos que se forman entre los aminoácidos de las superficies externas de las enzimas extremas ayudan a mantener estas proteínas intactas y dobladas correctamente. Estos enlaces actúan como cinturones, manteniendo la forma de las enzimas. Otro truco, es poseer una cantidad menor de glicina (un aminoácido) que las proteínas normales. De los 20 aminoácidos que conforman las proteínas, la glicina es el segundo aminoácido más comúnmente encontrado en ellas. Este aminoácido ayuda a la enzima a mantener su flexibilidad y su capacidad de doblarse. Al tener menos glicina, las enzimas extremófilas son más rígidas y fuertes. Una de las herramientas más interesantes que las hipertermófilas usan para mantener sus enzimas funcionando correctamente es la proteína chaperona (un tipo especial de proteína reparadora). Esta proteína chaperona repara las enzimas que se comienzan a separar, uniéndose a ellas y enrollándolas en su forma original. 2 Microbiología 4 TEC Reparación del ADN El desarrollo de trucos y herramientas para mantener sus enzimas funcionando es una de las formas en que las termófilas sobreviven. También usan técnicas para evitar que su ADN se descomponga bajo el calor intenso. Al igual que las proteínas, la larga molécula de ADN en espiral comienza a desenrollarse y a descomponerse bajo el calor extremo. Una de las formas en que las termófilas evitan que esto ocurra es con la ayuda de la enzima ADN girasa reversa. Esta enzima hace que el ADN se enrolle y doble sobre sí mismo de tal forma que lo hace más estable en temperaturas muy altas (similar a un cable de teléfono enrollado apretadamente sobre sí mismo). Los microorganismos que viven en temperaturas normales tienen una ADN girasa normal, que hace que el mismo se enrolle pero no tan apretadamente. Las termófilas también tienen muchísimas proteínas de unión al ADN, que hacen justo lo que su nombre sugiere, entran en acción para “pegar” las piezas de las moléculas de ADN cuando estas comienzan a descomponerse, un poco como las proteínas chaperonas que se mencionaron arriba. Cómo mantenerlo todo unido Naturalmente que las herramientas que evitan que las enzimas, el ADN y otras partes de la célula se rompan no serían útiles si el exterior o la superficie se estuvieran rompiendo. Por esta razón, estas criaturas amantes del calor tienen membranas celulares con una estructura diferente a la de los microorganismos que viven a temperaturas normales. Estos tienen membranas que están formadas por dos capas de moléculas llamadas lípidos, los cuales se unen para crear una bicapa. En las termófilas, las partes internas de la capa lipídica que da hacia el interior están químicamente unidas formando una sola capa gruesa o monocapa lipídica que evita su disolución en condiciones de calor extremo. Es mucho lo que los científicos siguen aprendiendo sobre estos increíbles microorganismos amantes del calor, capaces de vivir a altas temperaturas, ya que es posible que dispongan de herramientas y trucos que no conocemos todavía. A medida que aprendamos más, muchas de estas herramientas y técnicas podrían llegar a ser productos útiles para nosotros. Por ejemplo, una enzima extrema llamada Taq, que viene de una bacteria termófila, hace posible las pruebas de ADN y de huella genómica. Gracias en parte a la Taq, los científicos han podido secuenciar el genoma humano completo, asó como el de muchos microorganismos y otros seres vivos. 3 Microbiología 4 TEC 2- Psicrófilos Recientemente, un grupo de científicos encontró microorganismos en las aguas gélidas de los lagos de la Antártida cubiertos con nieve y una gruesa capa de hielo. Han encontrado microorganismos que sobreviven en las rocas a grandes altitudes, en los suelos de las altas montañas y en la nieve polar. Desulfofrigus oceanense En realidad estos hallazgos no deberían sorprendernos: después de todo, los pingüinos caminan en el hielo de la Antártida y los osos polares y las morsas viven allí, hasta nosotros los humanos podemos viajar a los polos si nos cubrimos con las prendas adecuadas. Pero ¿cómo lo logran los microorganismos sin ayuda de fibras aislantes, pelaje u otra protección? Después de todo, el frío puede matar o al menos disminuir la cantidad de microbios por esto ponemos nuestros alimentos en la heladera para que se mantengan frescos por más tiempo. Los científicos que estudian los microorganismos que sobreviven en el frío (que reciben el nombre de psicrófilos) no han descubierto todavía todos los misterios de estos microbios amantes de las bajas temperaturas. Sin embargo, han aprendido un par de cosas sobre ellos. Los microorganismos psicrófilos pueden no tener pelaje o aislamiento, pero sí tienen enzimas especiales (proteínas) que los ayudan a sobrevivir. ¿Qué son las enzimas? Son proteínas que contribuyen a desencadenar múltiples reacciones químicas dentro de las células y que las ayudan a mantenerse vivas. Así que las enzimas psicrofílicas son similares a las de los microorganismos que viven a temperaturas normales, pero las primeras continúan funcionando a temperaturas más bajas en las que normalmente otras enzimas dejan de funcionar. ¿Cómo? Parece que las enzimas de los microbios adaptados al frío tienen una mayor flexibilidad porque pierden un poco de las moléculas que mantienen las enzimas rígidas en una forma tridimensional específica. Al ser estas enzimas flexibles, no necesitan tanta energía para funcionar, lo que es bueno en un ambiente donde no se cuenta con calor suficiente para generar energía. Otra manera en que los microbios amantes de las bajas temperaturas sobreviven en su ambiente gélido es manteniendo las membranas de sus células llenas de moléculas llamadas ácidos grasos. Al tener muchos de estos ácidos grasos, la membrana se mantiene dúctil en las bajas temperaturas y así puede tomar fácilmente y eliminar las moléculas. Desulfofaba gelida 4 Microbiología 4 TEC Aún queda mucho por conocer sobre cómo los microbios pueden vivir confortablemente en estas temperaturas super-bajas. Los científicos están estudiando vías por las cuales podríamos poner estas enzimas psicrofílicas a nuestro servicio: para la preservación de alimentos sin consumir tanta energía en los refrigeradores. Para contribuir a mejorara la bio-limpieza de la contaminación y para la producción de nuevas medicinas. 3- Resistentes a la radiación Cuando vas al dentista para hacerte una radiografía te colocan una especie de armadura y la persona que la toma se va fuera del cuarto. Los rayos X son inofensivos, pero estas precauciones te dan una idea de cuán cuidadosos necesitamos ser cuando se manejan niveles relativamente inofensivos de radiación. El problema con los niveles peligrosos de radiación es que pueden afectar a las células y moléculas de tu cuerpo, cambiando su forma y posiblemente descomponiéndolas. Pasa lo mismo con las células microbianas. Pero hay una bacteria llamada Deinococcus radiodurans que puede sobrevivir a choques de radiación con niveles 1.000 veces más altos que los que matarían a los humanos. La radiación se mide en unidades llamadas rads o en Grays. Una dosis de 500 a 1.000 rads es suficiente para matar a una persona. Deinococcus radiodurans perdura aún después de haber sido sometida a ¡1.500.000 rads! Deinococcus radiodurans El nombre de la bacteria en latín significa “pequeña semilla que soporta la radiación”. Los científicos que estudian a Deinococcus radiodurans la han apodado “Conan, la bacteria”. El libro de Guinness récords la denominó la bacteria más fuerte del planeta. ¿Cómo es que Deinococcus radiodurans puede manejar y sobrevivir a los choques tan altos de radiación? Las bacterias forman esporas protectoras para sobrevivir a la desecación, el calor y la radiación. Entonces, ¿Deinococcus radiodurans forma esporas super fuertes? En verdad no; no es una formadora de esporas. De todas maneras, aunque las esporas pueden tolerar la radiación, ninguna puede soportar tanta como Deinococcus radiodurans. Así que, sin ninguna capa protectora especial ¿cómo hace para soportar toda esa radiación? Primero veamos lo que la radiación le hace a los seres vivos. Cuando una criatura se ve expuesta a una dosis alta de radiación, se produce una descomposición de su ADN, y ninguna criatura puede sobrevivir si sus genes no funcionan bien. 5 Microbiología 4 TEC La mayoría de los microorganismos tiene herramientas para reparar ocasionalmente daños en su ADN. Por ejemplo, cuando se avería una parte del ADN de E. coli (una bacteria que vive en el intestino humano y de varias especies) el microorganismo usualmente puede repararlo y seguir viviendo sin problemas. Sin embargo E. coli no puede sobrevivir a dos o tres daños muy grandes en su ADN. Deinococcus radiodurans, por su parte, puede recomponer el ADN fragmentado por causa de la radiación en unas pocas horas. Colonias de Deinococcus radiodurans que crecen en una placa de Petri Una razón es que tiene una gran cantidad de copia de sus genes. Las células de Deinococcus radiodurans tienen de cuatro a diez copias de su ADN mientras que la mayoría de las bacterias solamente posee una. Estas copias sirven como reserva, tal como las copias de seguridad que se hacen de los archivos de una computadora. De esta manera, cuando la radiación daña el ADN de Deinococcus radiodurans, el microorganismo tiene muchas oportunidades de encontrar una copia intacta de cada gen para usarla y recomponer su ADN. Una proteína especial llamada Rec A es la que une los fragmentos. Así mismo, parece que esta bacteria tiene más herramientas de reparación que otras. Aún así, los científicos no tienen completamente claro cómo y por qué Deinococcus radiodurans es mucho más resistente a la radiación que otros microorganismos. Después de todo, los otros tienen las mismas herramientas, aunque no tantas y con tanta variedad como esta; algunas también tienen más de una copia de sus genes, pero no tantas como esta. También los científicos intentan saber por qué Deinococcus radiodurans desarrolló esta superresistencia a la radiación, ya que en ningún lugar de la tierra el microorganismo estaría naturalmente expuesto a tan increíbles niveles de radiación. También es increíble que esta bacteria sea capaz de sobrevivir a largos períodos sin una sola gota de agua. Algunos piensan que la resistencia a la radiación es un efecto colateral de la habilidad del microorganismo para soportar largos períodos sin agua – lo que sí ocurre en muchos lugares de la naturaleza. La deshidratación causa los mismos daños que la radiación en el ADN y requiere el mismo proceso de reparación. Sea como sea que lo logra, Deinococcus radiodurans es la más fuerte de las fuertes en el mundo microbiano. 6 Microbiología 4 TEC 4- Esporas Algunas bacterias forman esporas protectoras que las ayudan a sobrevivir en condiciones adversas. Podemos pensar en una espora como una bacteria momificada. La espora tiene una cubierta dura la cual protege las partes importantes de la bacteria – como el sarcófago que protege a la momia. La espora tiene también capas de membranas protectoras, como las vendas que envuelven a la momia. Espora que se forma dentro de una bacteria Dentro de esta membrana y la cubierta dura, la bacteria durmiente es capaz de sobrevivir durante semanas, aún años, a la sed, el calor e inclusive la radiación. Cuando las condiciones llegan a ser más favorables – hay más agua o alimento disponible – la bacteria “vuelve a la vida”, transformándose de espora a célula. Algunas esporas han revivido luego de haber estado enterradas por más de 250 millones de años. ¿Y cómo hacen las bacterias para convertirse en esporas? Primero, la bacteria percibe que su hábitat se está volviendo inhóspito: el alimento o el agua comienzan a escasear o la temperatura aumenta demasiado. Entonces hace una copia de su cromosoma, la cadena de ADN que contiene sus genes. Luego, la membrana celular elástica que rodea los fluidos de la célula bacteriana comienza a doblarse hacia adentro rodeando la copia del cromosoma hasta que hay una pequeña célula dentro de una gran célula bacteriana. Esta pequeña célula se llama “célula hija” y la célula original, que comienza como la “célula vegetativa” en esta ilustración, es ahora la “célula madre”. A continuación, la membrana de la célula madre rodea y envuelve la célula pequeña de manera que ahora dos capas de membrana rodean a la célula hija. Entre estas dos membranas celulares se empieza a formar una gruesa pared compuesta de un material llamado peptidoglicano, que es el mismo que se encuentra en las rígidas paredes celulares bacterianas. Finalmente, se forma una cubierta externa resistente hecha de un grupo de proteínas que envuelve todo esto, encerrando completamente la célula hija, la cual es ahora 7 Microbiología 4 TEC una espora. A medida que la célula madre se debilita o es dañada por las condiciones ambientales adversas, la espora permanece latente soportándolo todo, simplemente en espera de que las condiciones mejoren. No todas las bacterias pueden formar esporas, pero muchos tipos de las que viven en el suelo sí pueden. Las bacterias de los géneros Bacillus y Clostridium son formadoras de un tipo de esporas llamadas endosporas. Otro grupo de bacterias, las Methykisinus, producen esporas llamadas exosporas, La diferencia entre éstas y las endosporas consiste principalmente en la manera en que se forman. Las endosporas se forman dentro de la célula bacteriana original, las exosporas se forman afuera por crecimiento o gemación de uno de los extremos de la célula. Las exosporas no tienen todas las capas protectoras de las endosporas, pero perduran igual. Los miembros de los grupos Azotobacter, Bdellovibrio, Mixococcus y Cianobacterias forman estructuras de protección llamadas quistes. Los quistes son estructuras de pared gruesa que, como las esporas, protegen a las bacterias del daño, pero son mucho menos duraderos que las endosporas o las exosporas. Las bacterias nos son los únicos microorganismos que pueden formar esporas de protección, algunos protistas también pueden. Por ejemplo, un grupo de protozoos parásitos llamados Microsporidia se rodea de una espora protectora cuando infectan a sus hospedadores. Los Microsporidia se encuentran principalmente en los intestinos de los insectos y en la piel y los músculos del pescado, aunque unas pocas especies pueden causar enfermedades en las personas. Las esporas de Microsporidia son generalmente redondas, ovaladas o en forma de bastón, y muchas especies tiene esporas de formas muy elaboradas que pueden ayudarlos a ocultarse del sistema inmune del hospedador. Espora de Microsporidium con su tubo a través de la célula hospedadora Las esporas ayudan a los protozoos a sobrevivir mientras están fuera del hospedador quienes se infectan generalmente cuando ingieren las esporas de Microsporidia. Una vez que estas esporas alcanzan los intestinos, producen un tubo a través de las cubiertas de las mismas que insertan en las paredes del intestino y otros tejidos del hospedador. Luego, los fluidos y el núcleo, que es el centro de comando de la célula, avanzan a lo largo de este tubo hueco desde la espora hacia la célula hospedadora. A medida que Microsporidia se reproduce en las células, se forman nuevas esporas que salen del cuerpo con las heces. 8
