Descubren la «materia oscura» de la biología

¿Es el espacio realmente la frontera final o están los mayores misterios más cerca de nosotros? En la cosmología, se dice que la materia oscura cuenta con la mayoría de la masa del Universo , a pesar de que se presencia se deduce a partir de efectos indirectos más que detectándola por medio de telescopios. El equivalente biológico a esto es la ‘material oscura microbiana’, la infraestructura de la vida del planeta, que se encuentra oculta y prácticamente invisible y puede tener una influencia muy profunda en los procesos medioambientales más significativos, desde el crecimiento de las plantas y la salud, a los ciclos de los nutrientes en los espacios terrestre y medioambiental, el ciclo global del carbono, e incluso, posiblemente el cambio climático. Empleando la nueva generación de secuenciación del ADN aislado de células individuales, se están dando grandes pasos en la monumental tarea de sacar a la luz y completar la información sobre ramas inexploradas del árbol de la vida bacteoriológico y de las arqueobacterias. Un estudio realizado por un equipo internacional y liderado por el U.S. Department of Energy Joint Genome Institute (DOE JGI) ha publicado en Nature los hallazgos más recientes sobre la exploración microbiana de la materia oscura.

“En lugar de preguntarnos acerca de lo inhóspito del espacio, este logro se parece más al equivalente en el siglo XXI de la expedición de Lewis y Clark al Oeste americano –explica Eddy Rubien , director del DOE JGI-. Estamos ante un poderoso ejemplo de cómo el DOE JGI es un pionero en los descubrimientos, especialmente en esa parte de ellos en los que podemos obtener un alto rendimiento de nuestra aproximación aislando y caracterizando genomas simples de una compleja muestra medioambiental de millones de células para conseguir un profundo salto y conocer la evolución microbiana en nuestro planeta. Ésta es realmente la próxima frontera”.

9.000 células

Esta materia oscura biológica se ha estudiado a partir de nueve células microbianas no cultivadas recogidas en nueva hábitats distintos: el Lago Sakinaw en British Columbia, la laguna Etoliko en el oeste de Grecia, un procesador de lodo en México, el Golfo de Maine , la costa norte de Oahu en Hawaii, el Tropical Gyre en el Atlántico sur, el East Pacific Rise , la mina Homestake en Dakota del Sur y el Great Boiling Spring de Nevada. A partir de estas muestras, el equipo seleccionó con láser 9.000 células, de las que obtuvo e identificó 201 genomas distintos que pudieron ser relacionados, con posterioridad, con 28 grandes ramas no exploradas nunca antes del árbol de la vida.

«Los microbios son la forma más abundante y diversa de vida en la Tierra »“Los microbios son la forma más abundante y diversa de vida en la Tierra –apunta Tanja Woyke , líder del Programa Microbiano del DOE JGI y autora sénior del artículo-. Ocupan cada nicho medioambiental concebible, desde las fosas oceánicas más profundas a los desiertos más secos. De cualquier modo, nuestros conocimientos sobre sus hábitos y potenciales ventajas han sido entorpecidos por el hecho de que la amplia mayoría de ellos no han podido ser cultivados todavía en laboratorio. Por tanto, apenas acabamos de empezar a comprender sus roles en los diferentes ecosistema, desde los métodos de cultivo independientes, hasta los metagenómicos y genómicos unicelulares. Lo que estamos descubriendo ahora son unas características metabólicas inesperadas, que amplían nuestro conocimiento de la biología y cambian los límites establecidos entre los dominios de la vida”.

Para entender la dificultad de conseguir cultivar microbios en el laboratorio, los esfuerzos más recientes se han centrado en desarrollar muestras basadas en el secuenciador o gen 16S ribosomial del ARN, que se conserva en la mayoría de los linajes de microbios porque desempeña un papel esencial en la ‘acogida’ de los genes, crítica para la supervivencia de los organismos. La secuenciación del genoma del resto de los genomas de la mayoría de estos linajes se produce, probablemente, de forma mucho más lenta. “La representación del genoma microbiano en las bases de datos es bastante sesgada –revela Chris Rinke , alumno postdoctoral del DOE JGI y autor principal del estudio-. Más de las tres cuartas partes de todos los genomas secuenciados se enmarcan en tres categorías taxonómicas de phyla, pero hay más de 60 tipos de phyla conocidos”. Aunque de la mayoría de ellos, en cualquier caso, no hay ejemplares cultivados disponibles.

“Basándonos en las experiencias que tenemos con la 16S conocemos que están ahí afuera, pero no sabemos mucho más, ésa es la razón por la que la llamamos la materia oscura microbiana –añade Woyke-. Emplear técnicas modernas para trabajar con células aisladas nos permite acceder a la construcción genética de alguno de ellos, incluso sin haberlos cultivado en el laboratorio”.

«Nueva vida»

En este esfuerzo por encontrar “nueva vida”, los hallazgos del equipo recaen en tres áreas principales. La primera fue el descubrimiento de características metabólicas inesperadas. También encontraron algunas características en las arqueobacterias que previamente sólo habían sido observadas en las bacterias y viceversa. Una de esas características implicaba a una enzima que normalmente la bacteria sólo utiliza para crear un espacio dentro de su muro de protección celular que es necesario para que la célula pueda, por ejemplo, expandirse durante la división celular. Como genéricamente este muro parte la membrana protectora de la célula bacteriana, es preciso que esté fuertemente regulado. Por primera vez, se ha encontrado que un grupo de arqueobacterias podía codificar esta potente enzima y la hipótesis de los autores es que las arqueobacterias podrían emplearla como un mecanismo de defensa contra las bacterias que les ataquen.

El tercer hallazgo fue la resolución de la relación dentro y entre los microbios phyla La segunda contribución de este trabajo procede de la correcta reasignación, o ‘binning’, de los datos de algunos de los 340 fragmentos de ADN de otros hábitats del mismo linaje. Estas correcciones ofrecieron un conocimiento acerca de cómo funcionan los organismos en el contexto de un ecosistema particular, así como una mejora y una definición de conceptos en el conocimiento de las asociaciones de los genes recientemente descubiertos con otras formas de vida residente.

El tercer hallazgo fue la resolución de la relación dentro y entre los microbios phyla –la clasificación ordenada entre el dominio y la clase-, lo que condujo al equipo a proponer dos nuevos superphyla, que son altamente estables en las asociaciones entre phylas. Los 201 genomas aportaron sólidos puntos de referencia que actuarán como anclas para la phylogenética –la historia de los linajes de los organismos y sus cambios a lo largo del tiempo-. “Nuestro genoma unicelular nos da un punto de vista sobre la relación evolutiva entre los organismos no cultivados –un conocimiento que se extiende más allá del centro de la resolución del árbol del 16S ARN, y que es esencial para estudiar la variedad y evolución de las bacterias y las arqueobacterias –explica Woyke-. Es un poco como mirar a un árbol familiar para darse cuenta de quiénes son tus hermanos y hermanas. Aquí lo hicimos por grupos de organismos de los que apenas teníamos algunos fragmentos de información genética. Interpretamos millones de esos fragmentos con información genética como estrellas distantes en un cielo nocturno, tratando de alinearlas para constituir constelaciones. Al principio no encontrábamos a qué debían parecerse, pero podíamos considerar su relación con el resto, no espacialmente, pero sí en su tiempo evolutivo”. Woyke y el resto del equipo están persiguiendo una caracterización más ajustada de esas relaciones, de manera que puedan predecir mejor las propiedades metabólicas y otros datos útiles que puedan obtenerse de los diferentes grupos de microbios.

Motivaciones de la investigación

Phil Hugenhotlz , director del Australian Centre for Ecogenomics en la Univserisdad de Queenslan, antiguo investigador de DOE JGI y participante en el estudio, confirma las motivaciones que llevan a embarcarse en una investigación de este tipo: “Durante casi 20 años hemos estado asombrados por lo pequeño que era nuestro conocimiento sobre las extensísimas regiones del árbol de la vida. Este proyecto es el primer esfuerzo sistemático para abordar este enorme vacío del conocimiento. Una de las contribuciones más significativa en la que nos hemos basado es en esos datos, hemos aportado nombres para muchos de estos linajes que, como muchos de los sistemas estelares, han sido numerados justo en este momento. Para mí, la clasificación taxonómica es importante porque actúa como una bienvenida a los extranjeros en esta zona del conocimiento y los convierte en parte de la familia. Pero esto es sólo un principio porque hablamos de un número probable de varios millones de especies microbianas que permanecen en espera de que alguien las catalogue”.

Los cosmólogos sólo han logrado mapear la mitad del uno por ciento del Universo observable y el camino que aguarda ante los investigadores en el campo de la genómica es igual de sobrecogedor. “Todavía hay una impactante cantidad de diversidad por explorar –concluye Woyke-. Para intentar capturar sólo el 50% de la diversidad phylogenética conocida actualmente tendríamos que secuenciar 20.000 genomas más y todos ellos tendrían que ser seleccionados partiendo de la premisa de que se trate de miembros de una rama del árbol poco representada. Y eso sólo contando las partes que sabemos que existen, que son una mínima cantidad del total”.