“El intercambio sexual rápido entre bacterias es parte del secreto de su éxito”


EMILIO CASAMAYOR, Director del Centro de Estudios Avanzados de Blanes (CEAB-CSIC). Experto en Ecología y Biología de microorganismos.


nota-csic-casamayorAdelantos¿Qué sabemos ahora que no sabíamos antes sobre el modo en que los microbios se vuelven resistentes a los antibióticos, o ciertas cepas bacterianas se transforman en otras más peligrosas?

Emilio Casamayor  –Nuestro estudio no trata de ese tema en concreto. Lo que sí hemos comprobado es que el mismo proceso de intercambio o ganancia de genes que acontece en esas transformaciones permite a una bacteria en la naturaleza adquirir atributos para colonizar un ambiente que antes le estaba vedado y convertirse en una nueva especie.

“Parte de los genes de la bacteria huésped pasan al virus, que infecta al siguiente huésped con ese material genético”

–Las bacterias ¿intercambian genes no sólo entre ellas, sino también con virus?

–Así es. Parte de los genes de la bacteria huésped pasan al virus. Cuando el virus infecta a un nuevo huésped, le puede transferir el material genético arrastrado del anterior huésped.

–¿Cuándo ese intercambio es un éxito o un fracaso?

–En nuestro estudio, ese intercambio lo consideramos un éxito porque el equipamiento adquirido le ha permitido a la bacteria colonizar un ambiente nuevo sin apenas competidores y crecer de manera masiva, incluso tiñendo el agua de color marrón por los nuevos pigmentos que ahora es capaz de sintetizar.

–¿Intervienen nuestros modernos antibióticos en el proceso?

–No hay relación directa con ese tema.

“Añadimos evidencias de que la generación de nuevas especies en la naturaleza se ha visto acelerada por la transferencia sexual de genes entre bacterias”

–Y ese proceso ¿es mucho más rápido de lo que se pensaba?

–Hasta el descubrimiento de la transferencia sexual de genes entre bacterias, se pensaba que la evolución únicamente funcionaba a base de acumular mutaciones de manera aleatoria e individualizada. Ese proceso es extremadamente lento y azaroso. Al demostrar en nuestro estudio que este intercambio sexual rápido tiene consecuencias ecológicas de gran calibre, añadimos evidencias que apuntan a que la generación de nuevas especies en la naturaleza se ha visto ampliamente acelerada con este mecanismo. Lo que va generando o “inventando” cada organismo individual se hace accesible a toda la comunidad y esta “socialización” de los genes acelera extraordinariamente el proceso de evolución y adaptación a nuevos ambientes.

Recipientes con una muestra de agua de Banyoles, una de superficie (izquierda) y otra de aguas profundas (derecha) en la que se aprecia una coloración marronosa, debida a la presencia natural de bacterias fotosintéticas del azufre pigmentadas.

Recipientes con una muestra de agua de Banyoles, una de superficie (izquierda) y otra de aguas profundas (derecha) en la que se aprecia una coloración marronosa, debida a la presencia natural de bacterias fotosintéticas del azufre pigmentadas.

“Nuestro estudio demuestra el equivalente a lo que le ocurre al personaje ficticio de Spiderman, porqué se convierte rápidamente en un híbrido muy exitoso”

–¿Puede explicarnos con un ejemplo, para que veamos, o imaginemos, el proceso completo?

–Esta adquisición rápida de caracteres que, de manera individualizada, han necesitado millones de años de evolución, seria el equivalente a lo que le ocurre al personaje ficticio de Spiderman: mediante un vector (la araña radiactiva o, en nuestro caso, posiblemente un virus) el huésped adquiere de manera rápida unas habilidades nuevas desconocidas para él y generadas por otras especies a lo largo del proceso evolutivo. Como en nuestro estudio, Spiderman se convierte rápidamente en un híbrido muy exitoso.

“Banyoles es una reliquia viviente de las condiciones que predominaron en el pasado geológico en que la vida era microscópica”

–¿Qué tienen de especial para este estudio las aguas profundas de los lagos de Banyoles, Gerona?

–El lago de Banyoles ha despertado el interés de los científicos desde hace mas de 40 años. Las aguas profundas no tienen oxígeno y son ricas en azufre e hidrogeno. Sólo viven organismos adaptados a esas condiciones y nos sirven para estudiar cómo se desarrolla la vida en condiciones que eran muy parecidas a como era la Tierra antes de que aparecieran los organismos fotosintéticos generadores de oxigeno y transformadores del planeta hace unos 2.000 millones de años. En estas aguas encontramos seres vivos que se alimentan de azufre, de hidrogeno y de hierro y que mueren frente al simple contacto con el oxigeno. En esta zona, las poblaciones de bacterias son muy densas y llegan a teñir de diferentes colores las aguas haciéndose “visibles”. Banyoles es una reliquia viviente de las condiciones que predominaron en el pasado geológico mas antiguo, donde la vida era microscópica. Como el proceso que hemos estudiado se ha dado en una bacteria tan antigua, asumimos que este proceso puede estar en el origen de la diversificación de la vida.

“Hace diez años habría sido imposible hacer esto”

–“Las especies exitosas en la naturaleza suelen resistirse a ser domesticadas y estudiadas en cultivos de laboratorio”, dice la nota de prensa emitida por ustedes. ¿Cómo lo han hecho, entonces?

–Básicamente, lo que hacemos es recogerlas y concentrarlas; luego, rompemos las células y les extraemos y purificamos su material genético. Ese material genético lo fragmentamos y lo secuenciamos, para posteriormente separar los fragmentos que pertenecen a nuestra especie de interés y reconstruirlo pieza a pieza con potentes ordenadores. La idea es sencilla pero el reto tecnológico es enorme. Hace diez años hubiese sido imposible o inviable; hoy en día lo podemos hacer gracias al extraordinario desarrollo tecnológico en secuenciacion genómica masiva y en supercomputación y bioinformática que están fertilizando muchos campos de la ciencia.

“Los ladrillos que forman nuestro cuerpo contienen un orgánulo -la mitocondria- con su propio material genético, de cuando éramos bacterias”

–Ustedes, los autores de este estudio, sostienen que, en cuanto apareció vida sobre la Tierra, la diversificación de los microbios pudo ser rapidísima. Los humanos -y no sólo los humanos- ¿empezamos siendo bacterias?

–Correcto, nuestros ancestros son bacterias. Los ladrillos que forman nuestro cuerpo, la célula humana y la de otros seres vivos, tienen incrustado en su interior un orgánulo con material genético propio y de origen bacteriano, la mitocondria.

“Hay que preservar los microorganismos: los necesitamos”

–Usted es miembro del Comité Español Diversitas, que promueve la inclusión de los microorganismos en las estrategias internacionales de conservación. ¿Qué microorganismos, y para qué?

–Los microorganismos fueron los primeros seres vivos en aparecer en la Tierra, hace mas de 3.000 millones de años. Desde entonces, han estado interaccionando con la química y la geología de este planeta y han aprendido a utilizar un amplisimo repertorio de fuentes de energía y de alimento para su supervivencia. Tienen metabolismos muy versátiles que se encuentran codificados en una riquisima variabilidad genética. De estas habilidades metabólicas el hombre saca provecho mediante la bioprospección y la biotecnología, pero de hecho toda la biosfera se sostiene gracias al trabajo en cadena de estos diminutos seres vivos. Son los responsables de la mayoria de los procesos vitales y de regulación de la biosfera conocidos como servicios de los ecosistemas, como la producción de oxígeno y secuestro de CO2, depuración del agua y reciclado, regulación del clima y fertilidad del suelo, entre otros. Además, son fuente directa y de inspiración para una gran parte de la industria alimentaria, de aditivos y de desarrollo biotecnológico. Descifrar y preservar todo ese patrimonio genético resulta por tanto primordial.

El lago de Banyoles, Girona, esconde una bulliciosa vida microbiana en sus aguas profundas, ricas en azufre y libres de oxígeno.

El lago de Banyoles, Girona, esconde una bulliciosa vida microbiana en sus aguas profundas, ricas en azufre y libres de oxígeno. La foto muestra a investigadores del Venter Institute, de la Universidad de Girona y del CSIC, sobre una barca neumática, tomando las muestras de este estudio.

Diferentes bacterias fotosinteticas pigmentadas del azufre enriquecidas en medios de crecimiento artificiales. Este tipo de bacterias son muy abundantes en los lagos de Banyoles, si bien las especies que se consiguen cultivar en el laboratorio no son siempre las mas exitosas en la naturaleza.

Diferentes bacterias fotosinteticas pigmentadas del azufre enriquecidas en medios de crecimiento artificiales. Este tipo de bacterias son muy abundantes en los lagos de Banyoles, si bien las especies que se consiguen cultivar en el laboratorio no son siempre las mas exitosas en la naturaleza. (Foto: X Vila y X Triadó)

Diferentes bacterias fotosintéticas pigmentadas del azufre, enriquecidas en medios de crecimiento artificiales. Este tipo de bacterias es muy abundante en los lagos de Banyoles, si bien las especies que se consiguen cultivar en el laboratorio no son siempre las más exitosas en la Naturaleza.

Perfil de profundidad de muestras de agua de uno de los lagos de Banyoles, sobre un filtro. Las diferentes coloraciones representan millones de células microscópicas distintas, que habitan en las diferentes capas de agua. Su abundancia es tan elevada que se vuelven “visibles” al ojo humano.

 


Tomàs Llorens–Marès, Zhenfeng Liu, Lisa Zeigler Allen, Douglas B Rusch, Matthew T Craig, Chris L Dupont, Donald A Bryant, and Emilio O Casamayor. Speciation and ecological success in dimly lit waters: horizontal gene transfer in a green sulfur bacteria bloom unveiled by metagenomic assembly. The ISME Journal. DOI: 10.1038/ismej.2016.93