Microorganismos extremófilos: cuando la vida desafía a la naturaleza (Parte 1)

Muchas veces hemos oído hablar de los deportes "extremos". Y en esos casos siempre pensamos en una persona sobre una bicicleta en un extraño recorrido de rámpas y tubos metálicos, o en los circuitos de patinetas o en alguna persona de dudosa integridad psicológica bajando una montaña a toda velocidad en una pendiente remota. Asociamos el término "extremo" a todo aquello en lo que nosotros no nos encontraríamos presentes. Por lo tanto, al decir "extremo" siempre nos referimos a una concepción propia de nosotros, un término antropocéntrico, la cual implica la ausencia de nosotros o todos los que son como nosotros (aeróbicos, mesófilos, autótrofos o heterótrofos, "humedos" y más calientes que el entorno). Pero ¿que hay de aquellos lugares que no respetan estas características "no extremas"?

Los ambientes extremos según el factor

Debido a nuestra excelente capacidad de clasificar y ordenar, somos capaces de identificar factores ambientales que nos darán el concepto de extremo. Pero antes de ingresar en esto deberíamos definir por qué un ambiente debería ser considerado extremo. En este caso pediremos ayuda a la ecología y nos basaremos en el concepto de "biodiversidad de especies". Si comparamos dos ambientes A y B que comparten varios factores pero difieren en alguno, la menor diversidad de especies en uno de dichos ambientes estará relacionado al estrés selectivo que genera el factor distintivo. Consideremos por ejemplo un curso de un río. En determinado momento en parte de ese río se produce una descarga de, digamos, un metal tóxico. Por lo tanto tenemos 2 ambientes: el río sin metal y el río con metal. Este es un ejemplo un tanto "extremo", pero cumplirá con la explicación. Si comparamos ambos ambientes veremos que la única diferencia es la presencia/ausencia del metal. Ahora supongamos que, previo a la presencia del metal, el río cuenta con 10 especies de bacterias, 8 especies de hongos, 15 de algas, 11 de artrópodos y 1 de peces. Luego de la contaminación el río cuenta con 5 especies de bacterias, 2 de hongos, 3 de algas,4 de artrópodos y 0 de peces. Se produjo una reducción de la biodiversidad en el ambiente.

Por lo tanto, cuando hablemos de "ambientes extremos" nos referiremos a aquellos ambientes en los cuales la biodiversidad se encuentre reducida respecto de otro ambiente "control" por el efecto de 1 o varios factores que afectan a dicho ambiente.

Gráfico en el que se muestra como la diversidad de especies variaría según las condiciones fisicoquímicas del ambiente. En el gráfico se destaca un "óptimo", o condiciones en las cuales la diversidad es máxima. Es importante destacar que esto es puramente conceptual e ilustrativo para el concepto de ambiente extremo.

Entonces, ¿qué factores afectan al ambiente de tal manera que lo clasifiquemos dentro de "extremo"? Los principales factores que utilizamos son los siguientes:

Temperatura: Nosotros, salvo algunas excepciones, vivimos en temperaturas medias que oscilan entre los 15 y 35 °C. Estas temperaturas son agradables para nosotros, ni muy frías ni muy cálidas. Aquellas personas que vivan en latitudes elevadas (tanto al sur como al norte) entenderán que temperaturas inferiores a los 15 grados centígrados son frías, mientras que aquellos que habiten en zonas ecuatoriales sabrán que, por sobre los 35 grados centígrados el ambiente es muy cálido. Las temperaturas por debajo de los 15 °C son consideradas bajas. Al acercarse la temperatura a los 0 °C la vida se ve restringida por el congelamiento del agua. Las células están compuestas aproximadamente en un 90% de agua. Al congelarse, el agua forma cristales que pueden comprometer la integridad de la membrana celular. Al contrario, las temperaturas superiores a los 40 °C atentan contra la estructura de las proteínas. Estas poseen un rango de temperatura de acción. Por sobre los 40 °C muchas proteínas pierden su estructura y, por ende, su función, causando la muerte del organismo.

Concentración molar: Más de una persona habrá oído "A pesar de estar rodeado de agua, el náufrago no puede tomar el agua del mar ya que moriría...". ¿Por qué sucedería algo como esto? Resulta ser que la concentración de solutos del mar (particularmente la sal) se encuentra por sobre el 3%. La célula, en cambio, posee una concentración de solutos internos que oscila en el 0,9%. Ahora bien, la membrana celular posee la capacidad de permitir el paso de algunos compuestos, entre ellos el agua, desde el interior de la célula (el citoplasma) al exterior y vice versa. Este proceso es más conocido como ósmosis. Si la concentración de solutos fuera de la célula es mayor que dentro de la célula, el agua tenderá a salir de la célula para equiparar las concentraciones. O sea, la célula se "deshidrata" (pierde agua). Al contrario, si la concentración de solutos fuera de la célula es menor que dentro el agua tenderá a ingresar a la célula, sobrehidratándola. En este último caso sucedería lo que a un globo que se le infla con demasiado aire. Estos casos son muy conocidos experimentalmente como medios hipo, iso e hipertónicos.

Células de glóbulos rojos en medio hipertónico (agua con sal al 3%), isotónico (solución fisiológica) e hipotónico (agua destilada).

Concentración de protones: Cuando miramos un vaso con agua estamos observando una molécula muy particular compuesta por 2 átomos de hidrógeno y 1 de oxígeno, comúnmente llamada H₂O. Sin embargo en el agua algunas de las moléculas están descompuestas y se forman protones (H⁺) y oxidrilos (OH^-). En condiciones normales tanto los protones como los oxidrilos se encuentran en igual concentración y el pH (concentración de protones) es igual a 7. A esta condición la llamamos neutralidad. Cuando el pH disminuye de 7 decimos que el líquido es ácido y cuando sube de 7 decimos que es básico. Así, el jugo de limón (pH 2,4 - 2,6) es ácido mientras que la lavandina (pH 13,0) es básica.

La escala de pH, su efecto en el ambiente y ejemplos cotideanos.

Disponibilidad de agua: Un factor fundamental para la vida es la presencia de agua en estado líquido. Como mencionamos anteriormente, una célula está compuesta por aproximadamente 90% de agua. Pero en muchos lugares de la tierra el agua no es un recurso fácilmente disponible. En general solemos pensar en un desierto, como el Sahara, donde el sol evapora el agua y la humedad del ambiente alcanza valores ¡por debajo del 3%! Sin embargo existen lugares aún más secos. Un ejemplo son las planicies heladas de la Antartida, donde, a pesar de la presencia de agua en estado sólido, la humedad del ambiente suele ser de ¡0%! Un lugar emblemático en este aspecto es Ridge A, donde las temperaturas logran alcanzar los -70 °C y el agua se encuentra exclusivamente en estado sólido.

Imagen de Ridge A donde se registra una temperatura de -42 °C.

Presión: En la superficie de la tierra y a la altura del mar la presión atmosférica es de 1 atmósfera. Esta presión permite varias cosas, entre ellas mantener un tenor de oxígeno al cual estamos habituados a vivir: 21% de oxígeno en la mezcla parcial de gases que conforman el aire del que respiramos. La presión esta relacionada con el peso de todo lo que está sobre nuestra cabeza. esto significa que nosotros soportamos el peso del aire que está sobre nosotros. Si cambiamos el aire por algo más denso, digamos agua, la presión aumentará en base a la densidad del compuesto. Esto implica un mayor peso sobre nosotros. Lo mismo sucede cuando nos sumergimos. Por cada 10 metros de agua la presión aumenta 1 atmósfera. Esto implica que al bajar 1000 metros aumentamos 100 veces la presión atmosférica y, por consiguiente, la presión por cada centímetro cuadrado de nuestro cuerpo. Esto dificulta muchos procesos biológicos, entre ellos la ósmosis.
Radiaciones: Por lo general, en las ciudades gracias a la capa de ozono y a la contaminación que generamos, la radiación que recibimos es principalmente luz y radiación infrarroja. Un espectro de la luz, la luz UV resulta filtrada. Y esto es muy bueno, ya que este tipo de luz posee características perjudiciales para la vida. La luz UV es capaz de generar radicales libres (moléculas o átomos desintegrados de su compuesto original con gran reactividad). Estos radicales libres se mueven a gran velocidad y erráticamente dentro de la célula causando daño mecánico. Particularmente son causantes de mutaciones inespecíficas que pueden causar daños tales como el cáncer (en organismos pluricelulares) o la muerte de la célula.

Espectro de luz desde UV a infrarrojo.

Concentración de oxígeno: A pesar de lo que la mayoría de la gente piensa, el oxígeno es un invento bastante novedoso en la vida. Hace aproximadamente 3500 millones de años los primeros microorganismos comenzaron a poblar los océanos. Su metabolismo era puramente quimiótrofo, obteniendo pequeñas cantidades de energía de la ruptura de compuestos químicos orgánicos o inorgánicos. Sin embargo, un pequeño grupo de cianobacterias comenzó a utilizar la energía del sol para fabricar moléculas orgánicas (azúcares y lípidos). Como subproducto del metabolismo las bacterias excretaban oxígeno, el cual era particularmente tóxico para muchos de los microorganismos existentes. Este nuevo metabolismo ocurrió hace unos 2500 millones de años (1000 millones luego de la aparición de la vida en la Tierra). A pesar de la presencia innegable de oxígeno a nuestro alrededor, este gas no es muy común. Por ejemplo, inmediatamente al ingresar al agua la concentración de oxígeno baja del 21% al 8%. En la tierra fértil, por debajo de los 10 centímetros la concentración de oxígeno es menos al 0,2%. Por lo tanto la anoxigenia es más común de lo que se cree.

El tamaño hace a la diferencia... las ultra-pequeñas bacterias

 

Hace algún tiempo atrás sugerí el problema que plantea el hecho de que una gran diversidad de bacterias no son cultivables. Esto implica que aun no hemos "visto" a un gran número de bacterias. Sin embargo, un grupo de investigadores ha comenzado a echar luz sobre este tema tan particular: han podido ver a través de microscopía electrónica de transmisión (TEM por sus siglas en inglés) a bacterias tan diminutas que desafían nuestro concepto de tamaño mínimo de vida.

El grupo de investigadores ha publicado un artículo en Nature Communications sobre el hallazgo de estas bacterias y un gran número de suposiciones que desatan las mismas. Algo muy llamativo que han encontrado en este trabajo es que el genoma de este tipo de bacterias que poseen un volumen de 0,003 µm cúbicos esta "abreviado". En palabras sencillas, carece de porciones que codifican para distintos procesos y caminos metabólicos conocidos. Aunque uno pudiese sospechar que estamos frente a nuevos metabolismos, también es posible sospechar que estos microorganismos utilizan a otros integrantes de la comunidad para proveerse. Esto parece más plausible ya que este grupo de pequeñas bacterias posee una gran variedad de genes asociados a la fabricación de pili.

El pili es una estructura similar a un pelo que se protruye de la membrana plasmática y que posee diversas funciones, desde motilidad hasta transporte de sustancias. Algo que ha resultado llamativo de los hallazgos de este trabajo que se ha publicado es que las ultra-micro bacterias se conectan a otras bacterias de mayor tamaño a través de los pili. Más extraño aun es que parecería ser que los pili también ingresan hacia el citoplasma de la misma célula generando extrañas formas. Esto podría asociarse con diversas funciones de comunicación y trasporte de sustancias. Entonces la duda: ¿serán estas ultra-micro bacterias los parásitos o simbiontes de las bacterias?

Tal vez lo más sorprendente de este trabajo es el tamaño de las bacterias estudiadas. Como mencioné más arriba, estamos hablando de volúmenes de 0,003 micrometros cúbicos. Esto es lo mismo que 0,000000000000003 mililitros o, para ponerlo de otro modo unos 10 billones de veces más pequeño que una gota de agua. Hasta el momento se suponía que el límite de la vida se ubicaba en los 0,009 micrómetros cúbicos, pero los valores hallados por este grupo de investigadores llega a valores aún más pequeños. Esto es sin duda un desafío para la vida y la organización celular. Como es costumbre, la naturaleza no deja de sorprendernos.

Imagen tomada de Nature Communications (doi10.1038/ncomms7372) donde se observan ultra-micro bacterias mediante Cryo-TEM. En todos los casos la barra representa 100 nanómetros. Según los autores en estas fotografías se pueden observar distintos aspectos de la pared celular, la distribución de los pili y sus contactos con otras células, la división de una célula (c) implicando actividad metabólica y la presencia de bacteriófagos (d) lo cual también es indicio de actividad metabólica.

Tal vez este sea un pequeño paso en la investigación, pero sin duda tendrá grandes repercusiones en nuestro entendimiento de la naturaleza y los seres vivos.

Referencia:

Luef, B. et al. Diverse uncultivated ultra-small bacterial cells ingroundwater. Nat. Commun. 6:6372 doi: 10.1038/ncomms7372 (2015).

Luego de 30 años... un nuevo y prometedor antibiótico

Desde 1930 en adelante los antibióticos han revolucionado nuestra forma de vivir. En 1928 el microbiólogo Alexader Fleming descubría la penicilina, una enzima activa proveniente del hongo de tierra Penicillum notatum, la cual era capaz de destruir las membranas de las bacterias en un proceso que Fleming denominó lisis. El descubrimiento de la penicilina se popularizó luego de la segunda guerra mundial, gracias al aporte de los productores cerveceros cuya tecnología permitió la producción masiva del antibiótico.

Luego de los descubrimientos de Fleming muchos científicos se volcaron al estudio de microorganismos ambientales en búsqueda de otros antibióticos capaces de eliminar a las bacterias patógenas. Y, vale la pena decirlo, tuvieron mucho éxito. Las enfermedades causadas por bacterias parecían cosa del pasado...

Pero la naturaleza suele tener muchas herramientas a su disposición para evitar los desbalances. Los médicos comenzaron a utilizar los antibióticos de manera descontrolada, incluso de forma preventiva. Las altas concentraciones de antibióticos en el cuerpo comenzaron a atacar a toda la flora microbiana presente en el cuerpo. Esto generó automáticamente una selección hacia los microorganismos resistentes. La resistencia a antibióticos en los microorganismos es genética y los genes que codifican para la resistencia suelen encontrarse en una estructura genética llamada "plásmido". El plásmido es una estructura circular de ADN que se encuentra dentro de la célula de la bacteria pero no está asociado a su material genético. Esto permite a las bacterias transferir este trozo de ADN a otras bacterias, y de hecho lo hacen frecuentemente. El problema es que esta transferencia horizontal de genes no es especie-específica: esto implica que una bacteria de una especie puede transferirle el plásmido a una bacteria de otra especie.

Las bacterias patógenas en algún momento comenzaron a "recibir" genes de resistencia a antibióticos. Por otra parte los antibióticos también comenzaron a utilizarse en el ganado, ya que brindan los mismos beneficios para los demás animales (además del humano). Las enormes cantidades de antibióticos generaron una respuesta desmedida en los microorganismos los cuales comenzaron a volverse cada vez más resistentes.

Un ejemplo de resistencia microbiana en ambientes con altas concentraciones de antibióticos se da en las enfermedades intrahospitalarias. Este tipo particular de enfermedades se produce por bacterias que viven dentro de los hospitales y se transmiten entre pacientes. El problema de estas bacterias es que poseen multiresistencias a antibióticos. Esto significa que poseen plásmidos que codifican para la resistencia a varios antibióticos. Ejemplos de esto son Clostridium difficile y Staphylococcus aureus MR (o MRSA por las siglas inglesas Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus). Estos microorganismos causan enfermedades que, de no ser curadas, pueden causar la muerte del paciente. El problema radica en que, debido a que son resistentes a los antibióticos, es muy difícil curarlas.

Ejemplo de un plásmido con multiresistencia

Desde el descubrimiento de la vancomicina, en 1987, no se lograron identificar nuevos antibióticos. Y, para nuestro pesar, Clostridium difficile ha conseguido volverse resistente a este antibiótico. Con esta nueva resistencia y la resistencia adquirida de otros patógenos a los antibióticos nuestras opciones comenzaron a agotarse. La posibilidad de volver a un mundo semejante a aquel previo al descubrimiento de los antibióticos se estaba convirtiendo cada vez más en una realidad.

Sin embargo, de todos los microorganismos que conocemos actualmente una gran proporción (más del 80%) son denominados "microorganismos no cultivables". Estos microorganismos tienen la característica de no crecer en nuestros medios de cultivo tradicionales. Podemos detectarlos genéticamente, pero nunca los hemos visto crecer. Y al no poder cultivarlos no podemos estudiar sus características metabólicas, entre ellas la producción de compuestos tipo antibióticos.

El grupo de investigadores liderado por Kim Lewis ha diseñado una estrategia para poder "observar" el metabolismo de los microorganismos no cultivables. Han logrado esto a través de diseñar un aparato denominado iChip que permite aislar células de microorganismos en el medio ambiente. Por lo tanto no es necesario aislar y recultivar al microorganismo, sino que simplemente sigue su vida normal en el ambiente, pero puede ser estudiado. Así, este grupo de investigadores logró detectar un compuesto producido por la bacteria Eleftheria terrae capaz de matar a bacterias multirresistentes sin generar nuevas resistencias. Este nuevo antibiótico, denominado teixobactin, está siendo probado actualmente en ratones y se cree que las primeras pruebas en humanos serán realizadas en dos años más. A pesar que el tiempo parece largo, si este antibiótico posee las mismas características que la vancomicina podemos suponer que tendremos al menos 30 años más antes que las bacterias comiencen a mostrar resistencia a este nuevo antibiótico. Aunque a largo tiempo, este descubrimiento suena prometedor y refrescante. Esperemos que así sea.

Bibliografía:

-Losee L. Ling, Tanja Schneider, Aaron J. Peoples, Amy L. Spoering, Ina Engels, Brian P. Conlon, Anna Mueller, Till F. Schäberle, Dallas E. Hughes, Slava Epstein, Michael Jones, Linos Lazarides, Victoria A. Steadman, Douglas R. Cohen, Cintia R. Felix, K. Ashley Fetterman, William P. Millett, Anthony G. Nitti, Ashley M. Zullo, Chao Chen and Kim Lewis (2015). A new antibiotic kills pathogens without detectable resistance. Nature. doi:10.1038/nature14098.

-Heidi Ledford (2015). Promising antibiotic discovered in microbial ‘dark matter’. Nature News. Publicado el 7 de Enero de 2015.

La lucha contra los microorganismos: ¿por qué queremos librarnos de ellos?

Una pregunta justa es ¿por qué debemos vivir junto con los microorganismos? Después de todo asociamos a estas diminutas criaturas con nuestras peores pesadillas: malaria, síndrome urémico hemolítico, cólera... Instintivamente cuando hablamos de microorganismos (sin contar por supuesto a los virus) pensamos en infinidad de enfermedades capaces de causarnos mucho dolor e, inclusive, la muerte. Muchas personas, y particularmente los publicistas, nos orientan a creer que un mundo "sin bacterias" sería idílico. Y así publicitan una batería de productos antimicrobianos de todo tipo. Pero, ¿cuál es realmente la función de los microorganismos entre nosotros y, más importante, en la naturaleza?

Moyasimon: animé japonés de un adolescente capaz de ver a los microorganismos

Los microorganismos en nosotros: una simbiosis exitosa

Algo importante de entender es cuán significativos son los microorganismos en nuestro propio cuerpo. Lógicamente, cuando nos vemos al espejo pensamos en nosotros como seres humanos. Los microorganismos son insignificantes (organismos unicelulares que viven exclusivamente para reproducirse una y otra ves). Si consideramos nuestra biomasa (la masa que corresponde a nuestro sistema biológico), se estima que 2 kilogramos de nuestro peso corresponden a microorganismos (en un adulto promedio). Esto puede no parecer gran cosa, pero ¿qué sucede si contabilizamos las células "humanas" contra las células "microbianas" en nuestro cuerpo? La proporción de células humanas es 10 veces menor que la cantidad de células microbianas. O sea, somos más "microorganismo" que "humano". Esto se incrementa si consideramos los genes presentes en nuestro cuerpo. En este aspecto los microorganismos nos superan en una proporción de 1000 a 1.

El genoma humano comparado con el microbioma.

Esta gran diversidad de microorganismos en nuestro cuerpo nos está tratando de indicar algo: si hay tantos microorganismos en nuestro cuerpo algo deben estar haciendo. Analicemos los hechos: no estamos muertos, no estamos continuamente enfermos, no estamos débiles. Esto implica que los microorganismos que habitan nuestro cuerpo no nos están haciendo daño. Pero, ¿cuál es su función?

A medida que la ciencia microbiológica avanza más y más nos percatamos de la gran diversidad de funciones que poseen los microorganismos que nos habitan. En primer lugar, los microorganismos generan una barrera efectiva contra cualquier otro microorganismo que quiera invadir nuestro cuerpo. Son una armadura protectora que compite eficazmente contra cualquier microorganismo que quiera "romper" la estabilidad en la que se encuentran. Esto sucede tanto en el exterior de nuestro cuerpo (la piel) como en los tejidos internos (por ejemplo el tracto intestinal). Podemos aislar microorganismos de casi cualquier parte de nuestro cuerpo (a excepción de nuestra sangre y otros tejidos especiales) y podemos aislar productos bacterianos (proteínas, enzimas, azúcares) de todo nuestro cuerpo, sin excepción.

Por otra parte los microorganismos de nuestro cuerpo "entrenan" a nuestro sistema inmune. Básicamente lo activan a fin de que nuestro sistema inmune sea capaz de reconocer a los microorganismos "buenos" de los "malos" y que lo logre rápida y eficientemente. Esto se ha descubierto recientemente, pero ha ganado un gran impulso debido a nuestra actual crisis de funcionalidad de antibióticos.

Los microorganismos también nos alimentan. Nuestro cuerpo es bastante limitado para la extracción de nutrientes y procesamiento de alimentos. El metabolismo microbiano es mucho más variado, lo que permite la degradación de diversas fuentes de nutrientes orgánicos e inorgánicos. Asimismo, los microorganismos son capaces de producir vitaminas, las cuales nosotros no las producimos pero sí las necesitamos. Los microorganismos que viven en nuestro tracto digestivo nos aportan una gran variedad de vitaminas que utilizamos en nuestro metabolismos. ¡Incluso nos aportan aminoácidos esenciales para nuestro aparato celular!

Nuestro interés por comprender el rol de los microorganismos en nuestro cuerpo nos ha llevado incluso a iniciar el Proyecto Microbioma Humano, el cual busca dilucidar cual es la diversidad y función de los microorganismos presentes en nuestro cuerpo. Este proyecto posee importantes implicaciones en la medicina, pudiendo dar respuestas sobre la resistencia de los microorganismos a los antibióticos, la inmunidad adquirida naturalmente, el desarrollo de terapias metabólicas e incluso el impacto a nivel psicológico y neuronal de los microorganismos.

Los microorganismos en el ambiente: una historia conocida

Una frase muy utilizada, pero al mismo tiempo muy desestimada es que "los microorganismos fueron los primeros seres vivos en la Tierra y de ellos descendemos". La frase refleja someramente el significado real de la presencia de los microorganismos. Raramente pensamos en los microorganismos como una fuerza de modificación masiva del ambiente. Sin los microorganismos no habría oxígeno disponible en la atmósfera. La fotosíntesis fue un invento de ellos hace aproximadamente 2500 millones de años. ¿Somos capaces de imaginarnos a la tierra antes de esto? Gracias al aumento en la concentración de oxígeno la Tierra posee una capa de ozono que bloquea la incidencia de los rayos ultravioletas (UV), los cuales son extremadamente dañinos para el ADN y el ARN, nuestro material genético. Los microorganismos aprendieron a fijar el carbono, el nitrógeno y el fósforo en moléculas orgánicas, las cuales son fácilmente degradadas por otros organismos vivos. Esto permitió la quimioheterotrofía, metabolismo que abunda en nuestro planeta actualmente.

Los microorganismos son capaces de reducir las concentraciones de productos tóxicos, orgánicos e inorgánicos. Reducen compuestos tóxicos en la tierra, el agua y el aire. Protegen muchos alimentos modificándolos en subproductos más valiosos para nosotros (yogures, alcoholes, vinagres, etc.). En síntesis, nos protegen y protegen la estabilidad del ambiente. Pero, entonces, ¿por qué estamos tan obsesionados en eliminar a los microorganismos de nuestro entorno? La respuesta a esto es la falta de información y el miedo. Pensamos en los microorganismos como en enemigos a los que debemos vencer. Pero realmente la situación es la opuesta. Una analogía es el temor del público a los tiburones. Uno piensa en un tiburón como una máquina asesina. Sin embargo de las casi 250 especies conocidas de tiburones solo 4 registran ataques a seres humanos. Aún así nos alegramos de ver a un tiburón en una red, sin importar si este es realmente una amenaza para el público.

Es muy importante comenzar a tomar consciencia de nuestra relación con los microorganismos. Su prevalencia en nuestro planeta es vital tanto para nosotros como para el planeta cuando nosotros ya no estemos. Ellos han originado toda la vida que conocemos y lo volverán a hacer. Somos tan conscientes de la capacidad de los microorganismos que esterilizamos las naves que llevamos al espacio y a otros planetas por temor de que los microorganismos sean capaces de colonizar nuevos ambientes. En un futuro tal vez sean nuestros emisarios para la colonización de nuevos planetas. Hoy estamos aprendiendo el idioma de los microorganismos: saber como "hablan" nos permitirá "hablar con ellos". Los límites de esto son excitantes y desconocidos. Pero si de algo estamos seguros es que los microorganismos son de vital importancia para nosotros y nuestro medio ambiente.

Los biofilms microbianos en perspectiva

Entendiendo a los microorganismos en el entorno natural

Una constante en la microbiología consiste en el estudio detallado de las características fisiológicas y morfológicas de los microorganismos en cultivo puro (cabe destacar que cuando hablamos de morfología nos referimos a la micromorfología de la célula en cuanto a su forma, tipo de pared, cápside, glucocalix y otras estructuras, y a la morfología de la colonia madura para observar características como color, elevación, borde y otros). Esta detallada descripción nos da una idea de su comportamiento como individuo aislado en "condiciones de laboratorio".

Purificación de microorganismos

Luego comienza lo difícil: ¿Cómo llevar estos microorganismos tan interesantes nuevamente a la naturaleza en procesos biotecnológicos? Pero antes que esto la pregunta apropiada sería: ¿Cómo se encuentras estos microorganismos tan interesantes en la naturaleza? ¿Cómo viven? Estas preguntas nos alejan del microorganismo como lo conocimos en el laboratorio y nos empujan hacia el microorganismo como se encuentra en la naturaleza, lo cual puede ser un tanto diferente a lo que nosotros creíamos de el.

Para los microbiologos desterrar la idea de trabajar con el microorganismo en estado puro (aislado de cualquier otro microorganismo) es sumamente complicado. Desde que Robert Koch realizó sus trabajos sobre Mycobacterium tuberculosis, el agente causal de la tuberculosis, la microbiología ha estado signada por los preceptos de Koch respecto del efecto del microorganismo como agente causal de enfermedades. Y por esto hemos estudiado históricamente a los microorganismos como individuos separados del resto de sus pares.

En los últimos años ha comenzado una nueva ola en la visión de los microorganismos. Hoy sabemos que aproximadamente 500 especies de bacterias son patógenas para el hombre. Y esto representa poco más del 5% de las especies conocidas. ¿Qué sucede con los demás microorganismos? Un atisbo de cómo viven los microorganismos en la naturaleza comenzó a vislumbrarse en los estudios de los microorganismos causantes de las caries dentales. Algo muy interesante sucedió al analizar la capa de microorganismos sobre el diente: en ella había un gran número de especies. A partir de este momento se comienza a utilizar el término "Biofilm" (la traducción sería bio-película, pero es un término tan aceptado que muchos idiomas han adoptado la palabra como propia). Al comenzar a estudiar los biofilms los microbiólogos se dieron cuenta de que este ordenamiento podría ser la clave para comprender cómo se encuentran los microorganismos en la naturaleza.

El biofilm

Los microorganismos son capaces de adherirse a una superficie y crecer sobre esta. En todo caso podemos verlo como una estrategia para una vida sésil. La movilidad en un medio acuoso puede ser ventajosa si no implica recorrer grandes distancias. Pero para un microorganismo una gran distancia podrían ser centímetros apenas (recordemos que una bacteria puede medir alrededor de 5 micrómetros o 0,0005 centímetros). Al adherirse a una superficie el microorganismo pasa a depender del medio para que lo provea. Esto no necesariamente es una ventaja; el microorganismo quedará expuesto a las condiciones del entorno. Por esta razón el microorganismo buscará protegerse. Una característica común para muchos microorganismos (bacterias arqueas y eucariotas) es la capacidad de las células de excretar compuestos complejos conocidos como EPS (por las siglas en inglés extracellular polymeric susbtaces o sustancias poliméricas extracelulares). Estas sustancias poliméricas son las que componen y estructuran el biofilm y están compuestas por una gran variedad de moléculas. El 97% del biofilm está representado por agua. Las restantes moléculas son azúcares, lípidos, proteínas ADN y algunos ácidos (entre ellos ácidos húmicos). Estas moléculas cumplen diversas funciones en el biofilm, ya sea en su estructura o en sus características.

Estructura del biofilm. Los EPS componen basicamente el 90% del volumen del biofilm. Los componentes que se encuentran en la matriz son principalmente agua, azúcares, lípidos, proteínas (muchas de estas son enzimas) ADN extracelular (eADN) y algunos ácidos orgánicos (entre ellos ácidos húmicos). Esta matriz compleja le confiere a los biofilms propiedades únicas.

Los azúcares son un componente mayoritario de los EPS. Los microorganismos son capaces de excretar azúcares al exterior de la célula a fin de formar un escudo que puede servir como protector contra otros microorganismos o sustancias tóxicas del medio. Los azúcares suelen estar poseer cargas negativas, lo que les permite interaccionar con compuestos catiónicos que se encuentran en el sustrato. En los procesos de bioremediación de metales se ha prestado una gran atención a esto compuestos debido a que son capaces de unirse con metales capturándolos. Se cree que los azúcares son los responsables de la adhesión al sustrato.

Los lípidos suelen estar asociados a los azúcares. Estos proveen estabilidad al complejo. De hecho, los azúcares se encuentran unidos a lípidos de membrana plasmática cuando la célula está viva. Estos azúcares se denominan comunmente glucolípidos. Es muy probable que algunos de los componentes que conforman el biofilm sean restos de células que se han lizado. Esto podría explicar la presencia de lípidos asociados a azúcares.

Las proteínas no resultan algo extraño. en su mayoría son enzimas activas que cumplen roles degradativos. Entre algunas enzimas se menciona la presencia de lipasas, proteasas y pectinasas. Sin lugar a dudas hay muchas más, pero su función en la matriz del biofilm podría no ser muy distinta a la que cumplen dentro de la célula.

El ADN extracelular (eADN) representa un misterio para los científicos. ¿Qué hace una molécula encargada de transportar información celular fuera de la célula? En un principio se sospechó que el eADN era resultado de las células lizadas, pero luego se descubrió que también cumplían función como estructurantes del biofilm (algo así como un citoesqueleto formado de hebras de ADN). Actualmente se está comenzando a sospechar que el eADN tiene una función de "comunicador" entre los integrantes del biofilm. La estructura del biofilm colabora de por sí en el quorum sensing (básicamente esta es la forma en que las bacterias hablan entre si). El eADN podría funcionar de manera aún más compleja e incluso podría permitir la producción de proteínas extracelulares.

Los ácidos están más asociados a procesos metabólicos. Es lógico que si los microorganismos se están alimentando produzcan ácidos como deshechos. La razón de que estos queden atrapados en el biofilm se desconoce. Lo que sí se sabe es que estos ácidos están involucrados en la corrosión del sustrato, permitiendo una mejor adheción del biofilm y ampliando la superficie utilizable.

Cómo se ve el biofilm

Biofilm sobre rocas

Algo que ha resultado complicado para los investigadores es poder observar estos biofilms. Aquí hago una salvedad ya que un biofilm puede ser observado a ojo desnudo: ¿cuántas veces han visto una piedra cubierta de una mucosidad en un lago, o se han encontrado con un sustrato pegajoso y viscoso dentro del caño de desagote de la pileta de su cocina? Pues sí, estos son biofilms. Pero verlos no implica poder describirlos. Recuerden que los microorganismos que los conforman pueden tener apenas micrómetros de tamaño. Es necesario recurrir a la microscopía para poder observar un biofilm en detalle.

Los microscopios convencionales nos han permitido ver de manera bastante precisa a los microorganismos. El problema es que, al momento de montar una muestra sobre un portaobjetos, destruimos parcialmente la estructura que queremos observar. Al ver un biofilm al microscopio óptico podemos diferenciar a los microorganismos que lo componen, pero no podemos observar la estructura. Además la capacidad de amplificación del microscopio se encuentra limitada a la luz. Luego de los 1000 aumentos requerimos aceites especiales que permitan recondensar la luz para poder observar. A esta altura las bacterias, a pesar de visibles, son difíciles de observar en detalle.

Una alternativa muy eficaz ha sido la utilización de los Microscopios Electrónicos de Barrido o SEM (por las siglas del inglés Scanning Electron Microscope). Este microscopio utiliza un concepto completamente diferente ya que bombardea a una muestra fijada con electrones de alta energía produciendo un choque de estos con los átomos de la muestra y, por consiguiente, una imagen de la dispersión de la energía. esto permite al microscopio magnificar una imagen hasta 500000 veces. Las imágenes logradas por este método son de mucha utilidad, pero poseen como desventaja el hecho de fijar y deshidratar el biofilm, lo que en última instancia hace que pierda su estructura.

Actualmente se utilizan los microscopios confocales. Estos poderosos microscopios utilizan la potencia del laser para lograr generar imágenes en distintos puntos focales que no son mayores a 2 o 3 células de espesor. La sumatorioa de imágenes de una perspectiva tridimensional de la muestra tratada. A esto se lo llama comunmente Escaneo de Microscopía Laser Confocal. Además de la evidente ventaja de generar una imágen en 3 dimensiones, este microscopio permite trabajar con la muestra sin alterar. Gracias a la microscopia confocal los investigadores han logrado ver con detalle la morfología del biofilm y así entender parte de su funcionamiento.

Imagen de biofilm mediante microscopía confocal

En la actualidad sabemos que hay una gran diversidad de formas de biofilms. Sin embargo todos comparten las características de poseer canales a través de los cuales se movilizan diversas sustancias (nutrientes, oxígeno y moléculas producidas por los microorganismos que integran el biofilm), zonas con alta concentración de agua y capas de microorganismos. Este conocimiento ha ayudado a los investigadores a dilucidar el rol de los microorganismos en el biofilm.

La estructura del biofilm

Cómo se estructura el biofilm

Cuando hablamos de la estructura del biofilm desde el punto de vista de la diversidad de microorganismos debemos entender que, a este nivel, estamos hablando de una comunidad. Por esta razón los microorganismos estarán organizados de tal forma que su presencia resulte en un beneficio para la comunidad en general. Actualmente se sabe que los biofilms pueden contar con una sola especie o varias (siendo esto último lo más comun). En algunos casos se ha observado una asociación de microorganismos por similitud metabólica. Un ejemplo de esto son los biofilms producidos por bacterias sulfato-reductoras. Pero también se ha descubierto que dentro del biofilm pueden producirse distintos nichos. Un ejemplo es la reducción de la concentración del oxígeno a medida que se profundiza en el biofilm. Esto permite la convivencia de microorganismos aeróbicos y anaeróbicos.

De la misma manera se producen biofilms donde intervienen microorganismos autótrofos y heterótrofos. Dado que el biofilm permite una estructura rigidizada, los microorganismos autotróficos pueden colocarse en el exterior del biofilm, quedando más expuestos a la luz solar. Las características del biofilm permiten que moléculas hidrosolubles se muevan libremente por la matriz, lo que permitiría el intercambio de nutrientes entre los integrantes del biofilm.

Y por último: ¿por qué un biofilm?

Aquí la famosa frase "la unión hace a la fuerza" jamás ha estado mejor aplicada. La estructura misma del biofilm aporta características únicas a los microorganismos que habitan en el. Los EPS son capaces de capturar moléculas cargadas eléctricamente. Se han reportado uniones tanto de cationes como de aniones a los EPS, ya que algunos de los compuestos que se pueden encontrar en esto poseen cargas positivas o negativas. Por otro lado, los EPS ejercen una fuerte selección hacia moléculas hidrofóbicas. Esto restringe aún más el ingreso de sustancias al biofilm. Los microorganismos pueden además formar capas defensivas. La muerte de las células más externas puede proteger a las más internas. Chambless y colaboradores (2006) proponen 4 mecanismos de resistencia a antibióticos por bacterias que conviven en biofilms.

Los registros de los beneficios causados por la cooperación estructural entre microorganismos en amplia. Por ejemplo, en 1988 Nakatsu y Hutchinson describieron la tolerancia a distintos metales por parte del alga Euglena mutabilis y una especie de levadura del género Cryptococcus. Estos dos microorganismos habían sido aislados en conjunto. Al convivir mostraron una mayor tolerancia a los metales en comparación a cuando eran cultivados independientemente.
De la misma manera, muchos investigadores se han volcado al estudio de los consorcios bacterianos (los cuales representan también biofilms. En este aspecto, por ejemplo Spocarti y colaboradores (2006) identificaron un consorcio de 5 especies de bacterias capaces de bioacumular metales. De la misma manera que en el trabajo de Nakatsu y Hutchinson, los investigadores compararon la tolerancia y capacidad de bioacumulación de distintos metales por parte de cada microorganismo por separado y el consorcio. Nuevamente los microorganismos asociados en consorcios mostraron ser más tolarentes a los metales y capaces de bioacumularlos en mayor cantidad.
Los biofilms no son novedosos en la naturaleza. A medida que ampliamos nuestro conocimiento sobre la microbiología ambiental nos damos cuenta que los microorganismos suelen asociarse de manera sinérgica. ¿Quién puede culparlos? Los beneficios son inegables. Es por esto que nuestros paradigmas sobre como vemos a los organismos en la naturaleza está cambiando. ¡Y ya era hora!

Bibliografía

Chambless, J. D.; Hunt, S. M. & Stewart P. S. (2006) A three-dimensional computer model of four hypothetical mechanisms protecting biofilms from antimicrobials. Applied and Environmental Microbiology, 72(3):2005-2013.

Davey, M. E. & O'toole, G. A. (2000) Microbial Biofilms: from Ecology to Molecular Genetics. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 64(4):847-867.

Flemming, H-C. & Wingender, J. (2010) The biofilm matrix. Nature reviews. Microbiology, 8(9):623-633.

Pal, A. & Paul, A. K. (2008) Microbial extracellular polymeric substances: central elements in heavy metal bioremediation. Indian Journal of Microbiology, 48(1):49-64.

Peacock, A. D.; Chang, Y-J.; Istok, J. D.; Krumholz, L. R.; Geyer, R.; Kinsall, B.; Watson, D.; Sublette, K. L. & White, D. C. (2004) Utilization of microbial biofilms as monitors of bioremediation. Microbial Ecology, 47(3):284-292.

Singh, R.; Paul, D. & Jain, R. K. (2006) Biofilms: implications in bioremediation. Trends in Microbiology, 14(9):389-397.

Sprocati, A. R.; Alisi, C.; Segre, L,; Tasso, F.; Galletti, M. & Cremisini, C. (2006) Investigating heavy metal resistance, bioaccumulation and metabolic profile of a metallophile microbial consortium native to an abandoned mine. Science of the Total Environment, 366(2-3):649-658.

van Hullebusch, E. D.; Zandvoort, M. H. & Lens, P. N. L. (2004) Metal immobilisation by biofilms: Mechanisms and analytical tools. Reviews in Environmental Science & Biotechnology, 2:9-33.

Bibliografía recomendada (la que uso continuamente)

Siempre es complicad recomendar bibliografía. Mucho depende de la profundidad de los conceptos o de la amplitud de los mismos. Es muy común encontrarse en la situación de que algunas personas prefieren un autor a otro en base a que les agrada más la forma en que escriben.
Personalmente me inclino hacia los idiomas originales (las traducciones pecan muchas veces de errores que puede parecer superfluos, pero que hacen a la comprensión misma de la temática). Así que esta es la bibliografía que utilizo principalmente:

- Prescott L.M., Harley, J.P. y Klein, D.A. (1998) Microbiology. Editorial McGrawHill
- Atlas R.M. y Bartha R. (1998) Microbial Ecology: fundamentals and applications. Editorial Benjamin-Cumming Pub Co
- Stanier R.Y. (1998) General Microbiology.
- Eblinger H.M. (2009) Handbook of Brewering: Processes, Technology, Markets. Editorial Wiley-VCH.

A estos libros se pueden sumar algunos de Biología general para aclarar conceptos. Algunos de ellos son muy conocidos (Ville o Curtis), por lo que no los menciono.

Los Microorganismos y el hombre

Los microorganismos no solo se relacionan con los alimentos en el decaimiento de los mismos. También son capaces de darle valor agregado al alimento mediante procesos fermentativos que le brindan al alimento nuevas propiedades organolépticas. Algunos microorganismos son beneficiosos para nosotros, ya que nos ayudan a regular nuestra flora intestinal o a absorber mejor compuestos alimenticios. En los últimos años hemos comenzado a utilizar más a estos probióticos, inoculándolos de manera deliberada a distintos alimentos. Pero, ¿para qué más sirven los microorganismos?

Los microorganismos en los alimentos

Algunos microorganismos son capaces de fermentar el alimento y producir una modificación deseable en el mismo. Ejemplos de esto son la producción de bebidas alcohólicas (Saccharomyces cerevisiae), yogures a base de ácido láctico (Lactobacillus y Streptococcus) y vinagres a base de ácido acético (Acetobacter). Los alimentos fermentados poseen el valor agregado que le otorga el metabolismo del microorganismo, pero además loa alimentos fermentados obtienen una mayor durabilidad.

Los microorganismos en la industria automotriz

La producción de alcohol por parte de S. cerevisiae no es únicamente utilizada por la industria alimenticia. El alcohol obtenido de la fermentación nunca superará los 20 º debido a que es el límite de tolerancia de la levadura. Pero la destilación fraccionada permitirá aumentar la proporción de alcohol de tal manera que este pueda ser utilizado como combustible. En algunos países del mundo se utiliza la denominada Alconafta que es gasolina mezclada con un 30 a 85% de alcohol. Solo en Brasil se ha implementado un automóvil que funciona con 100% de alcohol.

Algunos microorganismos son capaces de producir el compuesto 2, 3- butanodiol, el cual se ha utilizado ampliamente en la industria de los combustibles como diluyente, y en algunos casos como combustible mismo (debido a sus propiedades explosivas).

Los microorganismos en la agricultura

Gibberella fujikuroi es un microorganismos asociado a las raíces de muchas plantas. Por lo general se la encuentra asociada a las células radiculares pero no forma nódulos. Este microorganismo tiene la peculiaridad de ser capaz de producir Giberelinas, que es una fitohormona (hormona vegetal) que promueve el crecimiento de las plantas. Otros microorganismos como las Micorrizas (hongos asociados a las raíces de plantas) y los fijadores biológicos de nitrógeno (Frankia, Rhizobium).

Nodulación generada por
la presencia de Rhizobium

Los microorganismos en la producción animal

Así como los probióticos nos ayudan a nosotros, también ayudan a la producción animal. Los microorganismos son capaces de sintetizar vitaminas y aminoácidos que los animales no podemos sintetizar. Muchos de los microorganismos productores de compuestos útiles viven dentro nuestro (flora intestinal), pero otros no. La incorporación de estos en los alimentos mejora nuestra producción y saludo. La utilización de microorganismos productores del pigmento Astaxantina ha mejorado el estado de salud en los criaderos de peces, vacas y cerdos.

Los microorganismos en la industria

Muchos microorganismos son fuente de insumos industriales. Ya mencionamos a S. cerevisiae, productora de alcohol. De la misma manera los microorganismos son capaces de producir otros compuestos como la acetona, el ácido acético, el ácido láctico, el butanol y el ácido cítrico. Otro uso importante es la capacidad de los microorganismos de degradar distintos compuestos complejos (lípidos, proteínas, almidón, ésteres, petróleo). Esta degradación es posible gracias a las enzimas de los microorganismos. Las enzimas son moléculas complejas que, en presencia de un compuesto (sustrato) catalizan una reacción química de manera rápida. Las enzimas están presentes en muchos de nuestros artículos domésticos como jabones y detergentes. En la industria suelen utilizarse para procesos de clarificación y otros.

Los microorganismos en la minería

Algunos microorganismos son capaces de realizar dos procesos opuestos entre sí: la biolixiviación y la biorremediación. La biolixiviación es la separación de un compuesto presente en un mineral. Por ejemplo la extracción del hierro presente en la pirita (FeS₂). Este proceso permite hacer lo mismo que logramos a través de la minería convencional pero sin la aplicación de compuestos tóxicos como el cianuro o el mercurio.

La biorremediación es el proceso opuesto. Algunos microorganismos son capaces de “comerse” los compuestos tóxicos presentes en el agua. La biorremediación más conocida es la que se da en las plantas de tratamiento de líquidos cloacales. En estas, los microorganismos comen la materia orgánica (proceso aeróbico), mineralizan los restos (proceso anaeróbico) y remueven compuestos tóxicos como metales (Cu, Zn, Hg, Cd, Cr), colorantes y otros.

Los microorganismos en la medicina

Sabemos que algunos microorganismos son capaces de producir compuestos que, purificados, ejercen una acción farmacológica deseable (antibióticos). Pero los microorganismos también pueden ser utilizados como vehículos para producir otros compuestos de interés como vacunas y hormonas. En estos casos no hablamos de microorganismos naturales sino de microorganismos genéticamente modificados (OGM). En estos microorganismos se integran genes específicos que les permiten sintetizar nuevos compuestos útiles para la salud. El caso más notorio es la producción de insulina humana utilizando a Escherichia coli y Saccharomyces cerevisiae.