Olimpiadas Microbianas 2016

La revista Nature Microbiology acaba de publicar un artículo con los nuevos campeones olímpicos del mundo microbiano (si te interesa saber el palmarés del 2014 lo tienes aquí). Pasamos a exponer el medallero con los microbios citius, altius, fortius.

Maratón
En esta prueba se ha comprobado cual es el microorganismo con mayor capacidad de dispersión. El oro ha sido para el género Polaromonas desbancando a rivales de categoría como el virus Zika (bronce) o los firmicutes termófilos marinos (plata). Las Polaromonas han aprovechado las corrientes aéreas para estar presentes en todas los rincones del planeta.

Polaromonas

Piragüismo
El campeón en la modalidad eslalon fue Vibrio alginolyticus. Esta pequeña bacteria con forma de plátano es capaz de realizar giros bruscos de 90º gracias a que su único flagelo posee una propiedad muy peculiar. Tiene una inestabilidad estructural en la zona de inserción y eso le permite pandear y cambiar de dirección.

Ciclismo Biogeoquímico
En esta categoría se evalúa la capacidad de un equipo para aprovechar los estados de óxido-reducción de un determinado elemento y fue la más polémica de todos los juegos debido a las numerosas descalificaciones por dopaje ya que los equipos utilizaban una combinación de elementos químicos y no uno solo. Eso es lo que les pasó a los equipos carbono, hierro y nitrógeno. El único que no fue descalificado y por lo tanto quedó como campeón en solitario, fue el equipo del azufre compuesto por la bacteria reductora de sulfato Desulfosarcina variabilis capaz de producir sulfuros que eran aprovechados por el quimiolitotrofo Beggiatoa sp. que los volvía a oxidar a sulfatos.

El equipo Desulfosarcina /Beggiatoa en acción

Natación sincronizada
De nuevo los Vibrios mostraron que son las bacterias acuáticas por excelencia. En este caso Vibrio parahaemolyticus mostró su maestría y gracilidad en la competición de extenderse rápidamente y por sus propios medios en la superficie de una placa de agar semisólido. Bacillus subitlis y Proteus mirabilis ganaron la plata y el bronce respectivamente.

Esgrima
Los maestros en los sistemas de secreción de tipo VI (T6SS) se toman muy en serio la competición ya que literalmente les va la vida en ello. Los contendientes no sólo deben de ser expertos en el manejo de dichos sistemas, sino también en tener unas buenas defensas para evitar al sistema del contrario. En la figura podemos ver dos de los duelos. En el primero Acinetobacter baylyi (en rojo) consigue imponerse a Vibrio cholerae (en verde). Ambos contendientes muestran una técnica muy similar lanzando sus ataques del T6SS a diestro y siniestro, intentando golpear al adversario el mayor número posible de veces. En la siguiente ronda sin embargo Acinetobacter baylyi fue derrotada por Pseudomonas aeuroginosa que utilizó una táctica muy diferente. Sus ataques eran pocos pero muy precisos y destructivos ya que superaban con facilidad las defensas de su oponente

Equitación
La competición para medir la habilidad de un microorganismo simbionte para controlar el comportamiento de su hospedador estuvo muy reñida. Se confiaba en la capacidad del hongo zombificador brasileño Ophiocordyceps ya que jugaba en casa, pero fue sobrepasado por Wolbachia que consiguió transformar un crustáceo macho en hembra tras inhibir la funcionalidad de sus glándulas endocrinas.

Determinación sexual en el isópodo Armadillidium vulgare y efecto de la simbiosis con Wolbachia. Cordaux et al.

Triatlón
¿Cuál es la bacteria con mayor movilidad frente a un estímulo aeróbico? ¿Y la que tiene un ciclo de Krebs más eficiente? ¿Y la que mejor nada sobre agar sólido? En este caso la competición estuvo muy reñida entre Bacillus subtilis y Escherichia coli. Empataron en la carrera para pasar de un ambiente anóxico a uno aeróbico. E. coli superó por muy poco a B. subtilis en la eficiencia del ciclo de Krebs al poder usar el acetato. Pero la Gram positiva se impuso decisivamente al poder extenderse sobre la superficie de agar mientras E. coli se quedaba inmovilizada en un punto formando una colonia.

Salto de longitud
El premio quedó desierto debido a que todos los participantes dieron positivo en el test para la Transferencia Horizontal de Genes

¡Eso es todo amigos!

¿Dónde están los hongos matarile-rile-rile...

Pues en el fondo del mar, ¡también! Al menos eso es lo que han encontrado los investigadores William Orsi y Virginia Edgcomb del Departamento de Geología y Geofísica de la Institución Oceanográfica Woods Hole y su colega Jennifer F. Bidle de la Universidad de Delaware, cuando han analizado mediante procedimientos metagenómicos los sedimentos marinos de distintas localizaciones oceánicas. Su idea era analizar el 18S RNA ribosomal para identificar a los microorganismos eucariotas presentes en dichos fondos. Y se han encontrado con que hay hongos en todos los sitios, desde las dorsales oceánicas a las llanuras abisales pasando por los márgenes continentales.

Gráfico que muestra los cinco grupos taxonómicos eucariotas más abundantes encontrados en el estudio de los sedimentos marinos realizado por Orsi et al.

Pero una cosa es encontrar un gen que codifica para un RNA ribosomal y otra muy distinta es demostrar que proviene de un ser vivo metabólicamente activo. El DNA es una molécula muy estable y quizás pudiera provenir de microorganismos muertos, en forma latente, o incluso de tiempos remotos (es lo que se conoce como Paleoma). De hecho, hace una década ya se habían detectado que había hongos en los sedimentos marinos, e incluso se habían conseguido crecer en el laboratorio. Pero se pensaba que no eran muy frecuentes y que algunos podrían provenir simplemente de esporas latentes presentes en dichos sedimentos. La novedad del presente estudio es que primero han aislado RNA ribosomal de los sedimentos. De esa forma, en teoría sólo han podido muestrear microorganismos que tuvieran ribosomas funcionales, lo que supone que esas células estaban metabólicamente activas. Tras usar transcritasa reversa, han realizado una PCR para amplificar y luego secuenciar los RNA ribosomales. Así se ha podido correlacionar la presencia de diversas poblaciones de hongos con las cantidades de carbono orgánico total (TOC), nitratos, sulfuro y carbono inorgánico disuelto (DIC). Sin importar el lugar donde se han tomado las muestras, lo que se ha encontrado es que los perfiles químicos se correspondían con los perfiles biológicos.

Diversidad del RNA ribosomal pirosecuenciado encontrado en cinco localizaciones distintas que representan los distintos tipos de fondos marinos (NP: North Pond cerca de la dorsal oceánica del Atlántico, EEP: Pacífico Ecuatorial Oriental, BSP: Corriente de Benguela en África, HR: Cresta de los hidratos de gas en el Pacífico noroeste, PM: Márgenes de Perú). En la parte superior se muestra el porcentaje de secuencias leídas (eje y) y el color indica el tipo de organismo eucariota al que pertenecen. En la parte inferior, el dendrograma muestra el agrupamiento jerarquico de las muestras. Los círculos verdes representan la cantidad de carbono orgánico total de la muestra. Fuente de la imagen: Orsi et al.

Evidentemente, de confirmarse el hallazgo habrá que recalcular algunas de las tasas de renovación de los elementos en los ciclos biogeoquímicos. Hasta ahora se pensaba que las actividades heterotróficas de los fondos marinos estaban realizadas exclusivamente por procariotas. La presencia de hongos implica que puede haber nuevas capacidades degradativas que movilicen recursos y nutrientes de forma similar a lo que ocurre en los suelos terrestres. Los investigadores además han encontrado un dato bastante curioso en sus análisis. Han conseguido identificar RNAs ribosomales provenientes de plantas y diatomeas presentes en sedimentos que se formaron en tiempos remotos, concretamente con edades entre los 0'03 y los 2'7 millones de años, lo que sugiere que el RNA ribosomal de algunos taxones eucariotas es mucho más estable de lo que se pensaba. Es decir, además de un Paleoma para el DNA, hay que pensar que puede existir un Paleoma de RNA ribosomal.

Esta entrada participa en el XXII carnaval de la Química alojado en Roskiciencia y en el XXI carnaval de la Biología alojado en La enciclopedia galáctica.



Orsi W, Biddle JF, & Edgcomb V (2013). Deep Sequencing of Subseafloor Eukaryotic rRNA Reveals Active Fungi across Marine Subsurface Provinces. PloS one, 8 (2) PMID: 23418556

La imagen del fondo marino proviene de Publicdomain pictures y ha sido modificada por mi.

La hipótesis de la Reina Negra

Una de las primeras cosas que aprendes cuando estudias la evolución de los parásitos es que estos pierden genes. No importa que los parásitos sean grandes o pequeños, eucariotas o procariotas. Es lo que se conoce como decaimiento genómico (genome decay). Si el hospedador parasitado realiza una función ¿para qué quiere el parásito los genes que codifican para esa función? El decaimiento genómico no es exclusivo de los parásitos. También se da cuando hay simbiosis mutualistas. El típico ejemplo de decaimiento genómico llevado al extremo es el cromosoma de la mitocondria. Hace miles de millones de años el ancestro de la mitocondria era algo parecido a una alfa-proteobacteria, y tendría un gran genoma de unas 4 Mb que debía de codificar miles de proteínas necesarias para hacer la pared celular, un gran número de rutas metabólicas, una membrana externa, etc. Ahora, su genoma es algo menor de 20kb y sólo codifica para unas cuantas decenas de genes.

La perdida de genes es un buen mecanismo evolutivo siempre y cuando alguien haga por ti, lo que tú ya no puedes hacer. La energía y recursos dedicados a esas funciones perdidas se pueden dedicar a otras cosas. Por ejemplo, nosotros no tenemos genes para sintetizar aminoácidos como el triptófano o la fenilalanina. Los tomamos de los otros seres vivos que consumimos en nuestra dieta. Si lo que hemos comido es un filete, la ternera a su vez los habrán tomado de otro ser vivo ¿Quién hace en último término esos aminoácidos esenciales? Pues generalmente las plantas y las bacterias. Y puede decirse de ellas que hay relativamente bastante abundancia.

¿Y si la comida es escasa? En el océano hay mucha agua y luz, pero no hay casi materia orgánica disuelta. Uno esperaría que aquellos microorganismos que viven en esos ambientes oligotróficos posean una dotación genética tan completa que codifique para numerosas funciones que les permita sobrevivir en esos hábitats sintetizando todo aquello que requieren a partir de los pocos recursos disponibles. Serían el equivalente biológico a una navaja suiza. Pero paradójicamente no es así. Los dos géneros microbianos más abundantes de los océanos son las bacterias Pelagibacter y Prochlorococcus. El primero es un heterótrofo y el segundo un fotoautótrofo. Sin embargo, al estudiar su genoma se ha encontrado que también han sufrido la perdida de genes.

Célula de Pelagibacter ubique al microscopio electrónico. Fuente de la imagen.

Inicialmente se pensó que esa perdida de genes había sido debida a la deriva genética. Pero las funciones perdidas hacían que ambos tipos de microorganismos sean metabólicamente dependientes de otros. Así que ahora se piensa que esa pérdida no ha sido un producto del azar, sino de la Selección Natural. Pero ¿qué ventaja tiene perder genes que te hagan dependiente de otros en esas condiciones tan duras?

Jeffrey Morris, Richard Lenski y Erik Zinser creen tener la respuesta. Es la "hipótesis de la Reina Negra". El nombre está inspirado en el juego de naipes denominado "Hearts" (*). En cada mano de dicho juego debes de evitar quedarte con los naipes del palo de corazones, o con la reina de picas. Si te quedas con esas cartas, puntúas un punto por cada corazón y trece puntos por la reina de picas. Pierde el primero que llega a cien puntos. Está claro que a ninguno de los cuatro jugadores le gusta tener a la reina de picas entre sus cartas e intentará descartarla, pero alguien tiene que tenerla porque de lo contrario no se podría jugar.

Captura de pantalla de una partida juego "Corazones" que va incluido en el sistema operativo Windows. El jugador "Oeste" se ha descartado de la reina de picas y se la va a llevar el jugador "Este" ya que ha echado el as de picas

Pues algo parecido pasa con los microorganismos en los ambientes oligotróficos. Algunas especies pierden la habilidad de llevar a cabo ciertas funciones si pueden beneficiarse a costa de otra especie de microorganismos que la realice por ellos. Es decir, la cooperación entre dos especies microbianas surge por un rasgo totalmente egoísta. Una especie a la que le ha tocado la reina de picas es aquella que realiza una función necesaria para ella pero que "tiene una fuga" que permite que el producto de dicha función sea aprovechado por otros miembros de la vecindad, sin que necesariamente la especie "desafortunada" obtenga algo a cambio. Aunque de alguna forma esos "jugadores desafortunados" deben de obtener algo, porque si desaparecen también lo harían el resto de especies que dependen de ellos. Es lo que se llama un "mutualismo de subproducto"

La hipótesis de la reina negra explica el porqué las comunidades microbianas están íntimamente relacionadas por medio de una intrincada red de interacciones. Esta hipótesis predice que a nivel individual se favorece el que se pierdan genes cuyas funciones las realizan otros, y que evolucionará hasta que la producción de los bienes comunes es justo la suficiente para aguantar el equilibrio de toda la comunidad. En ese punto, el beneficio de cualquier perdida adicional se verá desfavorecido por el coste evolutivo. Las etapas evolutivas del establecimiento de estos "mutualismos de subproducto" serían: 1-utilización egoísta del producto sintetizado por otra especie; 2- perdida de los genes que se dedicaban a sintetizar ese producto que ahora se toma de otros; 3- evolución de complejos caracteres cooperativos para maximizar el aprovechamiento de las funciones realizadas por otros. En un determinado ecosistema, una especie puede llevar la reina de picas para una determinada función, pero a su vez se ve favorecida porque otra especie distinta lleva una reina de picas para otra función esencial. Es decir, el sistema no admite tramposos.

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

En el caso concreto de Pelagibacter y de Prochlorococcus, lo que se ha estudiado es la pérdida del gen katG que codifica para la catalasa-peroxidasa. Esta enzima intracelular es la encargada de neutralizar el peróxido de hidrógeno (H₂O₂), un compuesto muy oxidante que se produce como consecuencia de reacciones de fotooxidación de la materia orgánica disuelta en el agua de mar. Si se disponen células de Prochlorococcus en agua de mar estéril y se ilumina con luz solar, al cabo de pocas horas se ha acumulado tanto peróxido de hidrógeno que todas las microalgas mueren. Las especies más cercanas a los ancestros evolutivos de Prochlorococcus sí que tienen el gen katG, sin embargo ni de lejos son tan abundantes en los océanos como ella. Algo similar ocurre con Pelagibacter. ¿Cómo sobreviven ambas especies a la acción del peróxido de hidrógeno? Pues por la enzima catalasa-peroxidasa que producen otros microorganismos que hay en la vecindad. El peróxido de hidrógeno permea a través de las membranas biológicas como una molécula de agua, y la catalasa-peroxidasa de los microorganismos es tan eficiente que aunque sea intracelular inactiva tanto peróxido de hidrógeno que la concentración extracelular de dicho compuesto nunca alcanza los niveles tóxicos para Pelagibacter y Prochlorococcus.

Dendrogramas que muestran las relaciones filogenéticas entre diversas especies de cianobacterias. A la izquierda está el basado en el 16S rRNA, a la derecha el basado en la presencia del gen katG. El ancestro común a Synechococcus y a Prochlorococcus debía de poseer dicho gen. Los puntos rojos indican el evento de perdida de katG. Fuente: Morris et al..

¿Qué es lo que se gana al perder el gen katG? Pues lo que se gana es hierro. Este bioelemento es un recurso muy escaso en los océanos. Si no necesitas el hierro para hacer catalasa-peroxidasa, lo puedes dedicar a reproducirte y crecer. Los autores han formalizado matemáticamente la hipótesis con la siguiente expresión:

Donde B es el beneficio adaptativo relativo (relative fitness benefit)y está determinado por el ahorro en energía y otros recursos que se consigue al perder un gen. Para ello se comparan las cuotas celulares de dichos recursos para una especie ancestral que posea el gen (Q_A) y una especie mutante que ha perdido dicho gen (Q_M). En el caso de Prochlorococcus, requiere un 0,2% menos hierro que el ancestro que poseía el gen katG. Eso quiere decir que Prochlorococcus era capaz de crecer un 0,2% más rápidamente que su ancestro. Asumiendo que el tiempo de generación del ancestro es de una vez al día, una sola célula de Prochlorococcus habría desplazado a su ancestro de todos los océanos en tan solo 129 años.

Los autores proponen otros escenarios y hábitats donde puede estar dándose este caso. Por ejemplo, el caso de la fijación del nitrógeno en los océanos, o las fuentes de compuestos de azufre reducido para la síntesis de macromoléculas. La hipótesis de la reina negra también podría explicar el establecimiento de los biofilms en determinados hábitats, y las complejas interrelaciones de los componentes de dichos biofilms. La hipótesis de la reina negra parece una "buena hipótesis" porque no solo explica una serie de observaciones y hechos como por ejemplo el porqué es tan difícil obtener cultivos puros de algunos microorganismos tan abundantes, sino que además plantea otra buena serie de nuevas preguntas, entre ellas la siguiente: ¿Existirán "organismos clave" en los ecosistemas cuya extinción conduzca a la inestabilidad y a una catástrofe en dicha comunidad? Esta última pregunta viene dada por la siguiente situación teórica. En el juego "Hearts" hay una estrategia ganadora muy arriesgada. Es el "disparo a la luna" (shooting the moon) y consiste en recoger todos los corazones y la reina de picas. En la Naturaleza eso equivaldría a un ser vivo que cumple todas las funciones beneficiosas y necesarias para la comunidad. No tendría porque ser el más abundante, pero sin él, toda la comunidad colapsaría.

El "disparo a la luna". El jugador que recoja todas esas cartas gana la partida. Fuente: Wikipedia.

Esta entrada participa en el carnaval de las Matemáticas, en el XV carnaval de la Química que se hospeda en El Cuaderno de Calpurnia y en el XIII carnaval de la Biología que se aloja en Caja de Ciencia.

Y por si el lector no lo ha notado, hoy es dia 13, es la edición 13 del carnaval de la biología, y la reina de picas vale 13 puntos.



Morris, J., Lenski, R., & Zinser, E. (2012). The Black Queen Hypothesis: Evolution of Dependencies through Adaptive Gene Loss mBio, 3 (2) DOI: 10.1128/mBio.00036-12

Algas polares y cremas faciales.

Proliferación del alga Phaeocystis antartica vista desde el espacio. Origen de la imagen: AAD

Es muy probable que cualquiera de nosotros haya visto el agua de una charca completamente recubierta de una sustancia verde a la que se denomina "verdín". Su aspecto no suele ser precisamente muy agradable. Lo que estamos contemplando es lo que se denomina como una floración, proliferación o explosión de algas. En inglés recibe el nombre de Algal bloom.

Ese gran incremento de población puede ser causado por una cianobacteria o por un alga eucariota. Y es debido a que se han dado unas condiciones óptimas para que se produzca un crecimiento exponencial de dichos microorganismos. Generalmente esa proliferación es debida a una eutrofización, la acumulación de nutrientes en una determinada zona. Las proliferaciones de algas no están limitadas a pequeñas extensiones de agua. A veces pueden ocupar grandes superficies en ríos, lagunas o incluso en los mares. En este último caso, las proliferaciones de algas pueden ocupar enormes extensiones, de hasta miles de kilómetros cuadrados. Como estos microorganismos tienen en sus membranas pigmentos fotosintéticos el agua puede verse coloreada de verde, verdeazul o rojo. Así estas explosiones poblacionales pueden ser observadas y estudiadas mediante el uso de satélites artificiales.

Aspecto de las placas de hielo junto con la proliferación del alga Phaeocystis antartica flotando en el mar. Origen de la imagen: AAD

La última explosión poblacional de algas en ser detectada ha sucedido en la Antártida. Al parecer el viento que ha soplado sobre la zona denominada Placa de Hielo de Amery ha llevado una gran cantidad de nutrientes al mar. Actualmente en la Antártida es verano y hay una gran cantidad de luz a lo largo del día. Así que se han dado las condiciones óptimas para que el alga unicelular eucariota denominada Phaeocystis antarctica, crezca de manera exponencial hasta cubrir una superficie de 100 por 200 kilómetros cuadrados. De hecho, se ha convertido en la proliferación algal más grande jamás registrada en dicha área (ver fotografía superior). Este alga es bastante interesante porque debe de sobrevivir largos periodos de oscuridad junto con temperaturas de congelación. Es uno de los principales productores primarios del océano Antártico.

Phaeocystis antarctica. En la fotografía superior izquierda se puede ver una célula nadadora y en la inferior izquierda una célula colonial. A la derecha se puede ver una colonia formada por varias células embebidas en una matriz polisacarídica. P. antartica es una alga eucariota perteneciente a la división Haptophyta. Origen de las imágenes. Células individuales: VIMS. Colonia: Phaeocystis.org

Estas explosiones poblacionales son transitorias. En cuanto se acaban las condiciones que permitieron la proliferación el número de microorganismos declina muy rápidamente. En algunos casos eso sucede gracias a la ayuda de los virus. Es lo que se conoce como el efecto "matar al ganador" ya que la infección vírica depende de la densidad de hospedadores susceptibles de ser infectados. Y funciona así. Si hay pocos microorganismos presentes, un virus lo tiene difícil para infectar a uno de ellos y multiplicarse. Pero si el microorganismo susceptible está presente en grandes números, entonces el virus tiene muchísimas más probabilidades de infección y de multiplicación. Con lo cual hay muchos más virus presentes y así es más fácil acabar con toda la población.

Volviendo a P. antarctica, es probable que al lector le suene. Eso es debido a que es la protagonista de la última "maravilla" de la industria cosmética. Como puede verse en la página web del producto se supone que es uno de los ingredientes de una crema facial hidratante. Por si fuera poco, otro de sus ingredientes es "agua celular de plancton termal". Bueno, reconozcamos que vender agua con verdín a casi 1 euro el mililitro supera en imaginación a la venta de otros "productos milagro" como la coenzima Q10, la arginina o el resveratol. En fin, si alguien ve un barco de la compañía Biotherm entre los hielos polares recogiendo P. antarctica que me avise. Esperaré sentado.

Esta entrada participa en el XI carnaval de la Biología alojado en Ciencia y alguna otra cosa.

Tang KW, Smith WO Jr, Shields AR, & Elliott DT (2009). Survival and recovery of Phaeocystis antarctica (Prymnesiophyceae) from prolonged darkness and freezing. Proceedings. Biological sciences / The Royal Society, 276 (1654), 81-90 PMID: 18765338

Fuhrman, J., & Schwalbach, M. (2003). Viral Influence on Aquatic Bacterial Communities Biological Bulletin, 204 (2) DOI: 10.2307/1543557

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

Lo mejor del 2010

Happy Darwin Day. Fuente: Gonzolabs

Hoy es el Día de Darwin y además se está celebrando el I carnaval de la Biología con especial interés en las bacterias, que por algo son los seres vivos más abundantes del planeta. Así que aquí va un resumen del artículo del blog Small things considered escrito por Moselio Schaechter conjuntamente con Mark Martin y en el que han preguntado a diversos microbiólogos cuales han sido los artículos que más les han llamado la atención durante el 2010. Algunos han sido comentados en este blog, y otros lo serán.

Michael Yarmolinsky eligió ATP control of dynamic P1 ParA-DNA interactions: a key role for the nucleoid in plasmid partition escrito por Vecchiarelli, Han,Tan, M Mizuuchi, Ghirlando, Biertümpfel, Funnell, y Mizuuchi. Versa sobre el mecanismo de segregación de los cromosomas en el proceso de reproducción bacteriana.

Charles Yanofsky se inclina por los artículos aparecidos en la revista Microbe sobre Darwin, la evolución y la microbiología. El primero está escrito por Roberto Kolter y Stanley Maloy. El segundo por Richard Lenski describiendo su famoso experimento que ya lleva 50.000 generaciones.

David Lipson vota por el artículo de la "arsénico-bacteria" sobre todo por el revuelo que causó, más que por su calidad científica.

Forest Rohwer opina que el mejor es el artículo escrito por su grupo: Viral and microbial community dynamics in four aquatic environments, a pesar de que nadie lo entiende :)


Nanne Nanninga se decanta por dos trabajos. Uno es el de Venter y su grupo al conseguir construir una bacteria con un genoma sintetizado artificialmente. El otro es el titulado Rapid evolutionary innovation during an Archaean genetic expansion y que trata sobre la aparición de numerosos genes precediendo a la acumulación de oxígeno en la Tierra.

Michel Malamy da su voto al artículo Robust Growth of E.coli. en el que los autores han diseñado un dispositivo que permite estudiar la reproducción de varias células de E. coli de manera individual y durante largos periodos de tiempo.

Conrad Woldringh también se decanta por el proceso de reparto de los cromosomas. Entropy as the driver of chromosome segregation es el interesante título del artículo seleccionado.

Margaret McFall-Ngai escoge el artículo sobre las "Celestinas Microbianas" como lo más curioso del 2010.

Lisa Gorski prefiere el artículo sobre la microbiología de las pinturas rupestres y su importancia para la conservación del patrimonio cultural de la humanidad. Este tema lo usé hace tiempo para un problema de microbiología.

Yuri Gorbi ha seleccionado dos artículos sobre la comunicación entre comunidades microbianas al estilo "Avatar". Uno de ellos fue comentado en el blog y el otro ha sido publicado recientemente en Science.

Mark Martin lleva su elección a un artículo que describe como Salmonella es capaz de aprovechar el funcionamiento de nuestro sistema inmune para progresar en su infección y que fue comentado en "El podcast del Microbio". Su segunda elección es para el artículo que habla de la caracterización de la microbiota de la piel como una nueva herramienta forense y del que también hemos hablado.

Finalmente, Merry Youle seleccionó también dos artículos. Uno escrito por T Kenzaka, K Tani, y M Nasu titulado: High-frequency phage-mediated gene transfer in freshwater environments determined at single-cell level y que inspiró su entrada Promiscuous Bacteria and Playboy Viruses. El otro fue Decision Making at a Subcellular Level Determines the Outcome of Bacteriophage Infection y que disecciona el proceso denominado "decisión lisis-lisogenia" en el fago λ.

Esta entrada participa en el I Carnaval de la Biología cuyo anfitrión es el blog Microgaia.

Fijación Marina

El CO2 atmosférico es convertido, o fijado, en materia orgánica gracias a la fotosíntesis. Actualmente se estima que el 50% del total de la fijación fotosintética es debida a las plantas terrestres y el otro 50% a los microorganismos fotosintéticos marinos, conocidos como fitoplancton. Aunque son muchos los investigadores que apuntan a que la contribución marina probablemente sea mucho mayor. Determinar los niveles de fijación correctamente es un requisito si queremos entender correctamente el ciclo del carbono en la Biosfera.

En estos tiempos en el que se nos anuncia el Apocalipsis en forma de cambio climático no es de extrañar que haya cada vez más trabajos y artículos sobre las comunidades fotosintéticas marinas. El más reciente, realizado por el grupo del profesor Dave Scanlan de la Universidad de Warwick, ha estimado los porcentajes de fijación de los microorganismos procariotas y de los eucariotas. Parece que ambos están igualados.

Un 56% de la fijación del CO2 que ocurre en los océanos es debida a los microorganismos procariotas: las cianobacterias y las proclorofitas. A estas comunidades también se las conoce como el picofitoplancton, que viene a significar el fitoplancton pequeñito. Estos microorganismos son muy abundantes tanto en la superficie como hasta los 800 metros de profundidad.

El 44% restante de la fijación marina del CO2 la realizan las algas eucariotas unicelulares. Son menos abundantes que los procariotas, pero son mucho más grandes, lo que les permite asimilar mucho más carbono fijado según los investigadores.

Microfotografía de Chrysochromulina, un género de Prymmesiofitas (fuente: Encyclopedia of Life)

Los detalles del trabajo se han publicado en la revista Journal of the International Society for Microbial Ecology. Los investigadores han tomado muestras de las aguas superficiales en zonas subtropicales y tropicales del Océano Atlántico Nororiental. Tras analizarlas han encontrado dos grandes grupos de eucariotas fotosintéticos. El grupo “EukA” es más abundante pero sus células son más pequeñas que las especies pertenecientes al grupo “EukB”. Mediante técnicas moleculares han encontrado que el grupo EukB está compuesto principalmente de Prymmesiophytas, y son las responsables de un 38% del total de la producción primaria del Atlántico Nororiental. Se piensa que deben de realizar una contribución semejante en el resto de océanos pero eso aún debe de confirmarse.

Pero la fijación del CO2 mediante fotosíntesis no es la única forma que tiene el fitoplancton eucariota de obtener carbono. Hace poco el mismo grupo investigador encontró que dichas algas unicelulares podían alimentarse de bacterias. Probablemente parte del carbono orgánico del fitoplancton eucariota es exportado desde la zona fótica al fondo de los océanos, en lugar de volver a la atmósfera en forma de CO2. Eso significa que dichos microorganismos actúan como un sumidero para el dióxido de carbono. Los investigadores concluyen que es crucial entender los factores que controlan el crecimiento de estos pequeños eucariotas.

Jardillier, L., Zubkov, M., Pearman, J., & Scanlan, D. (2010). Significant CO2 fixation by small prymnesiophytes in the subtropical and tropical northeast Atlantic Ocean The ISME Journal DOI: 10.1038/ismej.2010.36

Microbiología "Avatar" Style

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Bueno, pues yo también voy a hablar de la película "Avatar" que nunca viene mal que te aumente el número de visitantes. Sin entrar en el aspecto cinematográfico y artístico, hay varios blogs y páginas que se han dedicado a las facetas científicas de dicha película. La mayor parte de ellos lidian con los aspectos de la física, aunque también los hay que han tratado los aspectos biológicos y evolutivos. La verdad es que si uno se pone en plan biofriki hay muchas cosas que discutir: ¿Por qué los Na'vi son azules? ¿Cómo surgió el puerto USB biológico? ¿Por qué los Na'vi son humanoides con cuatro extremidades mientras que el resto de la fauna de Pandora tienen seis? etc. Pero desde mi punto de vista, el principal hecho biológico es que el planeta Pandora es una recreación de la hipótesis Gaia.

No es la primera vez que dicha hipótesis ha aparecido en la Ciencia-Ficción. En la obra "Mundo Anillo" se habla por primera vez del mundo de los girasoles, una variación del "mundo de las margaritas" postulado por Lovelock. También Asimov y Orson Scott Card han utilizado la hipótesis Gaia en sus obras. Personalmente opino que Gaia aún debe de considerarse como una "hipótesis" y que todavía faltan observaciones y, sobre todo, experimentos que permitan corroborarla y así considerarla una "teoría". De hecho, dicha hipótesis no casa muy bien con la actual teoría evolutiva y con otros datos geológicos. Lo bueno que tiene la hipótesis Gaia es ha permitido considerar un enfoque más holístico en el abordaje de algunos problemas biológicos. Lo malo, que muchos se la han tomado como una especie de religión debido a su carácter teleológico.

Pandora (fuente: Mundo Troodon)

James Cameron imagina que toda la biosfera de Pandora puede interconectarse entre sí. En el caso de la fauna todos los animales parecen poseer unas extensiones con un puerto USB biológico en su interior. Los leonopteros, los prolemures o los tanatores tienen dos de esas conexiones, pero los Na'vis solo poseen una en forma de estilosa trenza. La flora en cambio presenta una especie de micorrizas bioluminiscentes para efectuar dicha conexión. Llegado el caso, la conexión es tan efectiva que la biosfera de Pandora se comporta como un mega-superorganismo capaz de actuar frente a amenazas externas como los terrícolas.

El famoso puerto USB biológico que permite conectarse a toda la biosfera de Pandora (fuente: Mundo Troodon)

El comportamiento de Pandora como superorganismo es bastante diferente al de los superorganismos terrícolas. Los ejemplos típicos de superorganismo terrícola son los hormigueros y las colmenas. En ellos la colonia lo es todo y los individuos que forman parte de ella tienen sus tareas asignadas desde su nacimiento. Hay obreras que trabajan por la colonia, soldados que defienden la colonia y reinas que reproducen la colonia. Pero, salvo en películas como "Hormigaz" o "Bichos", nunca veremos a las obreras pelearse entre sí o con los soldados y las reinas. En cambio, en Pandora, cada ser vivo se comporta de manera darwiniana (comer o ser comido, dejar descendencia) durante casi toda la película, y sólo cooperan cuando el planeta se siente amenazado. En ese sentido, el superorganismo Pandora se comporta de forma parecida a una sociedad humana. Los miembros de una misma sociedad pueden competir por los recursos, pero pueden cooperar si se sienten amenazados.

Un superorganismo terrícola en acción. Fotograma de la película "Hormigaz" (Antz) (fuente: Filmscliponline)

Bueno, el caso es que parece haberse encontrado un nuevo tipo de superorganismo en el planeta Tierra. Lars Peter Nielsen y su grupo de la Universidad de Aarhus en Dinamarca han encontrado que las comunidades de bacterias oxidadoras del azufre que se encuentran en el interior de los sedimentos marinos parecen estar conectadas por una red de nanocables proteicos con las comunidades aeróbicas de la superficie de dichos sedimentos. Esos filamentos permitirían el transporte de electrones entre las diferentes comunidades microbianas a través de la distancia, lo que permitiría que los microorganismos vivan en una simbiosis eléctrica. Según Nielsen, el descubrimiento "es casi mágico... pero no creo que haya mucho "espíritu" en la red que tenemos aquí. Puede ser tan sólo energía. Pero hay una conexión." Como en otras ocasiones en la historia de la ciencia, el descubrimiento se ha hecho casi por casualidad. El grupo de Nielsen estaba interesado en el estudio de la actividad química de las bacterias del azufre que se encuentran en los fondos de la bahía de Aarhus. Así que establecieron un control negativo que consistía en un matraz conteniendo agua marina y sedimentos libres de bacterias del azufre para compararlo con matraces que contenían a dichas bacterias. Una vez acabado el experimento los matraces se dejaron apartados. Al cabo de unas semanas notaron que los sedimentos en dichos matraces cambiaban de color, lo que indicaba que había una actividad química en ellos.

El profesor Lars Peter Nielsen. A la derecha puede verse el aspecto de los sedimentos estudiados. El aspecto negruzco del fondo es debido a la presencia de materia orgánica y de sulfuros metálicos. (fuente: Wired)

Los investigadores notaron que si cambiaban los niveles de oxígeno presentes en la superficie del sedimento al cabo de pocos minutos se producía una fluctuación en la actividad microbiana de las capas inferiores del mismo. La distancia entre la superficie y el fondo era tan sólo de un par de centímetros. No parece mucho para nosotros, pero para un microorganismo del tamaño de una micra sería una distancia equivalente a 20 kilómetros. La distancia era demasiado grande para que dichos cambios se explicaran debido a un transporte químico o a una difusión molecular. Las fluctuaciones eran debidas a otra causa. Se especuló sobre la posibilidad de que hubiera una conexión entre las comunidades bacterianas presentes entre las distintas capas del sedimento. Cualquier cosa que afectara a los microorganismos aerobios de la superficie sedimentaria debería afectar a los microorganismos del azufre que se encontraran debajo. Hasta ahí, nada que no se haya visto antes en ecología microbiana. Pero la rapidez de la conexión sólo se explicaba si ésta era de naturaleza eléctrica. Dicha hipótesis fue propuesta hace algún tiempo, pero es la primera vez que se ha encontrado una evidencia experimental.

Microfotografía electrónica mostrando bacterias de la especie Shewanella onediensis conectadas por nanocables. Se está intentando utilizar dicha propiedad para la construcción de biobaterias (fuente).

Nielsen y su grupo han publicado sus resultados en un reciente artículo de la revista Nature. Incluso han merecido un comentario por parte del equipo editorial. Allí describen como el consumo de oxígeno en la superficie del sedimento se puede acoplar mediante una corriente eléctrica con la oxidación del sulfuro de hidrógeno (H2S) y de compuestos de carbono orgánico presentes en los sedimentos profundos anóxicos. Estaríamos delante de una gran geobiobatería eléctrica. Han encontrado que más del 40% del consumo de oxígeno que sucede en la superficie se debe a los electrones transportados desde la zona anóxica. Es decir, en este sistema las capas superiores "respiran" por el todo, mientras que las capas inferiores "comen" por el todo.

En el esquema se representa como funcionaría la geobiobatería mediante el acoplamiento de unas reacciones de oxidación-reducción. En las profundidades anóxicas tendríamos comunidades microbianas que oxidarían el sulfuro de hidrógeno. Los electrones generados en dicha reacción viajarían a traves de los nanocables hasta las comunidades microbianas de la superficie aeróbica. Los electrones reducirían las moléculas de oxígeno que junto con los protones (H+) generarían agua como producto final, (fuente).

Aún falta por confirmar una cosa. ¿Qué material transporta a los electrones? Los autores proponen que el transporte se realiza gracias a unos nanocables formados por proteínas y pirita (Fe2S), pero aunque estos nanocables se han descrito para Geobacter, en este caso no se han observado. Lo cierto es que si se confirma esta observación se habrá añadido una nueva dimensión al entendimiento de los ciclos biogeoquímicos y de la ecología microbiana.

Bibliografía: Nielsen, L., Risgaard-Petersen, N., Fossing, H., Christensen, P., & Sayama, M. (2010). Electric currents couple spatially separated biogeochemical processes in marine sediment Nature, 463 (7284), 1071-1074 DOI: 10.1038/nature08790 Sanderson, K. (2010). Bacteria buzzing in the seabed Nature DOI: 10.1038/news.2010.90

Audios 1 y 2 en "El podcast del microbio"