Los pinzones de Darwin bacterianos

origen de la imagen: La ciencia de la vida

La genómica de poblaciones permite comparar los genomas de diferentes poblaciones de la misma especie microbiana. De esa forma se puede ver cuales forman parte del "núcleo de genes" (core genes) presentes en todos los miembros de una especie, y cuales son genes específicos de una población (flexible genes). Esos genes específicos pueden decir muchas cosas sobre el medio ambiente en el que vive una población dada y pueden dar una pista sobre su adaptación a posibles cambios en el ecosistema que habitan. Así puede entenderse que fuerzas evolutivas: presión de selección, procesos neutrales; dan forma a dichos genomas.

La profesora Sallie W. Chisholm y su colaboradora Maureen Coleman del MIT's Department of Civil and Environmental Engineering (CEE) compararon poblaciones de dos especies bacterianas que son ubicuas en todos los mares del mundo: la bacteria fotosintética Prochlorococcus y la bacteria Pelagibacter. La comparación fue entre poblaciones que vivían en el Océano Atlántico y en el Pacífico. Han encontrado que aunque las poblaciones están separadas por miles de kilómetros, el núcleo de “genes domésticos” (housekeeping genes) era muy similar entre ambas especies. Las diferencias se encontraban en los genes específicos de población, y estas estaban relacionadas con su hábitat: las bacterias del Atlántico tienen más genes dedicados a la captación de fósforo que sus parientes del Pacífico. Como el fósforo es un bioelemento esencial para la vida, esas diferencias son adaptativas. Es decir, la disponibilidad de dicho elemento químico es la fuerza evolutiva que ha dado forma a las diversas comunidades

Distribución del “núcleo de genes” y los “genes flexibles” entre poblaciones de Prochlorococcus estudiadas en Hawaii (HOT) o en las Bermudas (BATS). Los genes del “núcleo” están presente en los doce aislados secuenciados. El pico agudo indica que esos genes están presentes con una estequiometria uno-a-uno. Los "genes flexibles" están presentes en alguno pero no en todos los genomas de los aislados. Fuente: Coleman and Chisholm.

Este hallazgo es similar a lo que encontró Darwin en los pinzones de las Galápagos. Los picos de los pinzones de las distintas islas mostraban las distintas adaptaciones a los hábitos alimentarios. En este caso, en lugar de modificarse el pico, simplemente se han modificado las proteínas que captan fósforo ya que el Atlántico tiene menos fósforo que el Pacífico. De hecho, los Prochlorococcus atlánticos son tan eficientes en captar fósforo que algunos de las proteínas tienen el papel de neutralizar el arsénico, un elemento que a veces se absorbe "por error" debido a su semejanza química (el fósforo y el arsénico están en la misma columna de la tabla periódica). ¡Todo lo contrario de lo que supuestamente hace la famosa "bacteria del arsénico"!.

Lo que no esperaban los investigadores es que esa iba a ser la única diferencia entre ambos tipos de poblaciones. Ellos esperaban encontrar más. Este resultado indicaba que la disponibilidad de fósforo era la fuerza selectiva principal que había definido a ambas poblaciones.

Comparación de genomas de dos aislados de Prochlorococcus. Las líneas grises conectan genes homólogos. Los genes exclusivos de cada aislado están representados en colores. Estos genes se agrupan juntos en determinadas zonas del cromosoma y están involucrados en la captación del fósforo. Fuente: Coleman and Chisholm.

Pero también obtuvieron un resultado peculiar. El repertorio genético de genes de captación de fósforo en Pelagibacter era filogenéticamente distinto al de Prochlorococcus lo que podía indicar que ambos géneros muestran un comportamiento adaptativo denominado "partición de nicho ecológico". Esto permite que las células con diferentes "estilos de vida" puedan compartir un microambiente evitando la competencia por un recurso. Es decir, la fuente de fósforo para Prochlorococcus es diferente de la que utiliza Pelagibacter.

El siguiente objetivo es ampliar el estudio por ejemplo muestreando diferentes profundidades, latitudes y temperaturas y así conocer su efecto en los genomas de las distintas poblaciones microbianas. De esa forma se espera entender como es la evolución de los microorganismos en la Naturaleza.

Células de Prochlorococcus al microscopio de barrido. Fuente: Chisholm laboratory.

Esta entrada participa en el I carnaval de la Biología organizado por "MicroGaia" y en el II Carnaval de la Química organizado por "El busto de Palas".

Coleman ML, & Chisholm SW (2010). Ecosystem-specific selection pressures revealed through comparative population genomics. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 107 (43), 18634-9 PMID: 20937887