En el año 2008 se publicó el descubrimiento de una bacteria que cambió nuestra percepción de lo que es un ecosistema y que significó un antes y un después en la investigación sobre los límites de la vida. Esta bacteria, descubierta en una mina de oro en Sudáfrica, es capaz de fijar carbono y nitrógeno, y de vivir a más de 2 km bajo tierra y a más de 60ºC de temperatura, entre otras características sorprendentes.
La búsqueda de los límites de la vida
Antes de entrar en materia, ¿cómo llegó un grupo de científicos a querer investigar las poblaciones microbianas de una mina de oro, a una profundidad en la que no se conocían seres vivos capaces de soportar tales condiciones?
Desde el descubrimiento de los primeros seres vivos extremófilos (aquellos que son capaces de vivir o resistir en condiciones extremas), la búsqueda de seres vivos en entornos poco favorecedores para la vida ha sido un campo de investigación muy importante en biología y en microbiología, ya que la mayoría de los extremófilos son microorganismos.
Encontrar vida en condiciones adversas nos permite explorar los límites de la vida, y llegar a conocer mejor su origen y su desarrollo en la Tierra. También, abre la posibilidad de la existencia de vida en otros planetas cuyas condiciones en un primer momento pudieran parecer inapropiadas. Además, los mecanismos de los extremófilos para soportar estas condiciones extremas pueden tener aplicaciones biotecnológicas importantes. Por ejemplo, muchas de las enzimas que se usan en la industria provienen de microorganismos que soportan alta temperaturas.
Las limitaciones de los cultivos microbianos
Los microorganismos no se pueden ver a simple vista (salvo algunas excepciones), pero para estudiarlos disponemos de algunos medios de cultivo en los que podemos observar su crecimiento. Sin embargo, la mayoria de los microorganismos que existen no son cultivables. Esto se debe a que no es posible diseñar un medio de cultivo que vaya bien para todos los microorganismos, ya que cada especie o cepa puede tener sus propios requerimientos nutricionales.
Por eso es difícil estudiar las poblaciones de muestras ambientales, porque es complicado elaborar un medio de cultivo y reproducir en un laboratorio las condiciones exactas del ambiente donde se encuentran. Sin embargo, gracias al auge de las técnicas de biología molecular, se puede secuenciar el ADN de las poblaciones para identificar a las especies que habitan en un lugar concreto, aunque no podamos cultivarlas.
El descubrimiento de Desulforudis audaxviator
Las condiciones en los ambientes subterráneos de más de 1 km de profundidad son muy diferentes a las que encontramos en la superficie: no llega la luz solar, las temperaturas son elevadas y no hay oxígeno. Los microorganismos que encontramos en estas zonas están habituados a la escasez de nutrientes y su tasa de reproducción es muy lenta, de incluso cientos y miles de años. Algunos, incluso, se encuentran en un estado de latencia a la espera de mejores condiciones ambientales.
Investigar las poblaciones que habitan en este tipo de ambientes subterráneos reviste un interés especial porque son formas de vida que no dependen de la luz del Sol. El mejor método para analizar poblaciones de microorganismos con requerimientos tan especiales es el análisis metagenómico. Es decir, se toma una muestra del ambiente y se extrae todo el ADN presente en ella, con la finalidad de secuenciarlo e intentar identificar las especies presentes. Aun así, no es una tarea fácil dada la complejidad de la mayoría de los ecosistemas naturales.
Así fue como un grupo de científicos se propuso identificar todas las especies presentes en el agua de una grieta a más de 2 km de profundidad en la mina de oro Mponeng, en Sudáfrica. Cuál fue su sorpresa cuando descubrieron que ese ecosistema estaba formado por una sola bacteria, que además contenía en su ADN todos los genes necesarios para vivir de forma independiente de otros seres vivos.
Descende, audax viator, et terrestre centrum attinges.
Viaje al Centro de la Tierra, Jules Verne (1864)
La bacteria recibió el nombre de Candidatus* Desulforudis audaxviator en honor al libro Viaje al centro de la Tierra de Jules Verne, en el que se escribe «Descende, audax viator, et terrestre centrum arringes» (Desciende, audaz viajero, y llegarás al centro de la Tierra).
*La palabra Candidatus se añade delante del nombre científico de los microorganismos que se han caracterizado gracias al análisis de su genoma, pero no han podido ser cultivados.
Características de la bacteria audaz
Desulforudis audaxviator tiene toda una serie de mecanismos impresionantes que le permiten vivir en condiciones como las de la mina Mponeng (falta de oxígeno y más de 60ºC). El análisis de las características fenotípicas de Desulforudis audaxviator se realizó a partir de la identificación de los genes contenidos en su genoma.
El ADN de Desulforudis audaxviator está optimizado de tal forma que en la secuencia más corta posible contiene 2157 genes que codifican para proteínas, muchos más que en otros microorganismos de vida independiente. Se encontraron genes para todos los procesos indispensables para la vida, tales como la fijación del carbono, la fijación del nitrógeno y el metabolismo energético.
La bacteria es capaz de utilizar fuentes de carbono externas como azúcares y aminoácidos si están presentes en el medio. En zonas como la mina de Mponeng, donde los nutrientes son muy escasos, puede asimilar el carbono inorgánico.
En la grieta donde se aisló Desulforudis audaxviator las concentraciones de amoníaco son bastante elevadas. La bacteria es capaz de utilizar este amoníaco como fuente de nitrógeno, un elemento esencial para la vida. Sin embargo, si se encontrará en un medio con poco o ningún amoníaco, también contiene enzimas para fijar el nitrógeno atmosférico.
También contiene genes que le permiten formar vesículas de gas para moverse por el agua y dos secuencias CRISPR que le permiten protegerse frente a virus. Además, dispone de las rutas de síntesis de todos los aminoácidos.
Otras característica que le permite sobrevivir en un ambiente tan hostil es que puede formar endosporas, que son estructuras propias de algunas bacterias que les permiten entrar en un estado de inactivación hasta que las condiciones son más favorables.
Se encontraron genes en Desulforudis audaxviator que indican que puede detectar gradientes bioquímicos y moverse gracias a flagelos para ir a las zonas con los nutrientes que le interesan.
Algo sorprendente es que en su genoma no se encontró ningún gen capaz de resistir el oxígeno, que sí tienen otros microorganismos que habitan en condiciones de anaerobiosis. Esto nos indica que vive en ambientes sin oxígeno desde hace mucho tiempo.
Como principal fuente de energía utiliza el hidrógeno que obtiene de la radiolisis del agua y de iones sulfato presentes en el medio.
Avances en el cultivo de Desulforudis audaxviator
Las condiciones ambientales en la mina donde se encontró por primera vez Desulforudis audaxviator son extremas y estresantes para la bacteria que, aunque puede vivir ahí, tiene una tasa de división celular (la forma de reproducción bacteriana) de incluso cientos a miles de años.
Sin embargo, en 2019 se publicó el primer artículo donde se informaba del éxito del cultivo de una cepa de Desulforudis audaxviator que se había aislado en un acuífero siberiano a 2 km de profundidad. Aunque, la verdad es que no fue nada fácil.
Primero, cogieron una muestra de agua y utilizaron varios medios de enrequecimiento para favorecer el crecimiento de Desulforudis audaxviator. Incubaron los viales a 50-60ºC e hicieron varios análisis de ADN para comprobar que lo que crecía era la bacteria deseada. Después de muchas pruebas, se consiguió optimizar el medio de cultivo y se consiguió cultivar a Desulforudis audaxviator con una tasa de reproducción de 28.5 horas.
Esto demostró que, aunque pueda adaptarse a condiciones extremas, Desulforudis audaxviator es una bacteria todoterreno que dispone de mecanismos para utilizar varias fuentes de carbono y de energía, si están disponibles en el medio, y vivir y crecer a un ritmo mayor que en el subsuelo.
Posteriormente, en 2021 se publicó un artículo en el que se describía una forma de optimizar aún más el medio de culltivo para seguir aumentando la tasa de crecimiento de Desulforudis audaxviator.
Posibles implicaciones y avances futuros
El descubrimiento de Desulforudis audaxviator cambió la definición de lo que es un ecosistema y la percepción de la vida, ya que se consideraba que un ser vivo debía relacionarse con otros. En algún momento de su evolución, la bacteria interaccionó con otros microorganismos. Esto lo sabemos porque tiene genes que han sido encontrados en arqueas, que seguramente le fueron transferidos. Sin embargo, su proceso evolutivo la llevó a poseer todos los genes indispensables para poder adaptarse a las condiciones adversas que se dan a más de 2 km de profundidad y para vivir de forma independiente.
Esta nueva redefinición de condiciones donde es posible la vida también hace que sea posible explorar en busca de vida otras zonas donde en un primer momento parecería impensable. Incluso, en el espacio y en otros planetas, por muy alejados que estén del Sol.
También, las investigaciones de su cultivo pueden ayudar a diseñar mejores medios para aislar microorganismos similares y para estudiar mejor sus características morfológicas y metabólicas.
Referencias
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