BIOGENIC Biólogos Genetistas Colombianos

Al hablar de microbios se nos pasa por la cabeza todo tipo de minúsculos seres que están al acecho esperando para atacarnos y producir una enfermedad. Sin embargo, no pensamos mucho en que nosotros mismos, tenemos miles de estos seres habitando en nuestra piel, en nuestras encías, en nuestro intestino, y que parte de esos microbios son los que moldean nuestra capacidad de defendernos de otros patógenos o de ser capaces de digerir cierto tipo de alimentos. Pero, ¿cómo afecta cierto tipo de microbios nuestra digestión?, ¿están algunos de ellos ligados a enfermedades como obesidad, infecciones digestivas e incluso al cáncer de colon?, ¿será que una nueva forma de terapia para estas enfermedades incluirá ideas alternativas como dietas probióticas y dejará de lado medicinas usadas por años?

En la mitad de los años 1600, Antoine van Leeuwenhoek tomo una muestra de la saliva que recubría sus encías y al observarla al microscopio vio una gran cantidad de criaturas que nadaban, las cuales llamó animaculos, lo cual significó el nacimiento de la microbiología. Así que no es de sorprender que el estudio de los microorganismos que habitan en nuestro cuerpo haya sido trabajado por tanto tiempo. Sin embargo, el 70-80% de estas bacterias no pueden ser aisladas en laboratorio y estudiadas individualmente, ya que necesitan de la comunidad microbiana para sobrevivir. Esto sugiere que es más lo que desconocemos que lo que conocemos de los seres que alojamos en nuestro cuerpo, que por cierto son 10 veces más en número que las células de las que estamos hechos y en total poseen 100 veces más información genética que el ser humano [1]. En un intento por catalogar genéticamente esas miles de especies que hospedamos y asociarlas con salud o enfermedades se creó el proyecto del microbioma humano (HMP, sigla en inglés para Human Microbiome Project). El Instituto Nacional de Salud de Estados Unidos (NIH) es el encargado de coordinar la secuenciación de 18 muestras de diferentes zonas del cuerpo (pasajes nasales, cavidad oral, piel, tracto gastrointestinal y tracto urogenital) de 300 individuos [2] usando metagenómica. Esta disciplina permite explorar el material genético de comunidades de organismos en una muestra determinada mediante la secuenciación [3] de la información genética de dicha muestra sus con miles de especies, en lugar de hacerlo en muestras de especies aisladas.


¿Son los huéspedes de mi piel los culpables de mis condiciones dermatológicas?

Solo con dos años de trabajo, el HMP ya había generado un estudio impactante sobre el microbioma de la piel. El estudio incluyó la secuenciación de muestras de 20 sitios de la piel de 10 personas sanas. Estos lugares fueron escogidos por su tendencia a desarrollar ciertas condiciones dermatológicas asociadas a microorganismos (acné, psoriasis, eczema, etc) y que a su vez corresponden a tres diferentes microambientes: seco, húmedo y graso [4, 5]. Una de las principales conclusiones fue que para el microbioma, nuestro cuerpo debe parecer un planeta entero, con diversos ecosistemas y biota típica de cada lugar. Por ejemplo, el microbioma del brazo es más parecido entre personas que al del antebrazo de la misma persona, la diversidad en la comunidad bacteriana del antebrazo es en promedio de 44 especies, mientras que detrás de la oreja solo se encuentran 17 especies. Adicionalmente se concluyó que el microbioma de las zonas grasas de la piel es mucho más homogéneo en el tiempo que el de zonas húmedas o secas, sugiriendo que hay un proceso de selección en los microorganismos que pueden vivir en un ambiente graso (Figura 1).

Figura 1. El microbioma de la piel es altamente dependiente del microambiente de donde se tomó la muestra. El mapa hace referencia a la clasificación bacteriana agrupada en phylum, los cuales se encuentran en negrilla. Las zonas de la piel también están divididas en tres, las zonas grasa estan en círculos azules, las húmedas en verdes y las secas en rojo. Tomado y traducido de Nature Reviews Microbiology 9, 244-253 [5].

Este primer estudio hizo ver la importancia de usar vías más holísticas para entender la relación hospedero-microorganismo y su relevancia en el desarrollo de enfermedades de la piel. Aunque se pueden describir muchas especies bacterianas comunes a la piel, hay muchos microorganismos pasajeros y poco frecuentes que mantienen un balance en la microbiota y pueden ser la diferencia entre tener una condición dermatológica o no. Aun no se entiende que bacterias hacen que tipo de relación simbiótica con el hospedero u otras bacterias, o si simplemente el desbalance en la comunidad microbiana es el que genera problemas. Adicionalmente hay enfermedades asociadas a una edad y lugar específicos que se ha visto que dependen de cierto tipo de bacterias, como ocurre con el acné, pero su manejo farmacéutico no está totalmente definido, por lo que se asume que hay una fuerte interacción de la genética y el ambiente en este tipo de enfermedades [5].


Obesidad: ¿se debe a lo que comemos o a nuestros huéspedes?

El estomago y el intestino alojan mas bacterias que cualquier otra parte de nuestro cuerpo (puede que cerca de 1000 especies diferentes vivan allí, cada persona puede albergar cerca de 160 especies, aunque solo 57 son comunes a todos [6]) y dependemos de este microbioma más de lo que creemos. Parte de la flora bacteriana esta allí para ayudarnos a digerir alimentos, permite que algunos nutrientes estén disponibles para que los absorbamos, evitan el crecimiento de patógenos y así ayudan a mantenernos sanos. Pero también pueden modificar la comunidad microbiana y estos cambios se pueden asociar a la obesidad o a enfermedades estomacales.

El microbioma intestinal puede dividirse en tres grupos conocidos como enterotipos [7] que se determinan de acuerdo a la comunidad microbiana principal, pero que no dependen de género, edad o nación de la persona estudiada. Esto fue revelado a partir del análisis metagenómico de heces de 22 personas de 4 países diferentes unidos a otros 2 estudios anteriores. Aunque las especies que hospedamos no están asociadas a nuestra nación como es el caso del material genético de personas europeas [8], este estudio sugirió que existe un gran potencial en la identificación de marcadores genéticos microbianos que estén vinculados a edad, género o índice de masa corporal (IMC). Adicionalmente, dentro del microbioma intestinal se pudieron identificar genes necesarios para la vida de las bacterias, pero también muchos genes importantes para mantener la comunidad bacteriana funcionando en el intestino. Entre los genes más abundantes se encontraron los relacionados con adhesión al hospedero, con metabolismo de azucares, que son importantes cuando nuestro organismo no puede romper los azucares de cierto tipo de verduras y frutas. Otros genes son los relacionados con el metabolismo de ácidos grasos o cierto tipo de vitaminas, e inclusive algunos que ayudan a romper moléculas químicas que ingerimos y no podemos procesar (del benzoato a la absorción de biotina).

Aunque está en debate, en casos como obesidad existe una marcada diferencia entre las especies de la flora bacteriana que tienen personas de alto IMC comparados a personas delgadas. Existen dos tipos de bacterias benéficas en el intestino, bacteroidetes (gran negativas) y firmicutes (gran positivas), los primeros son más abundantes en personas delgadas, mientras que los firmicutes en personas obesas [9]. Más aun, en un estudio clínico donde personas obesas fueron sometidas a dietas bajas en calorías la proporción de bacteroidetes aumentó con el tiempo, lo que indica que hay una fuerte asociación entre la adiposidad y la ecología de la flora microbiana [9]. Es probable que en estudios futuros se manipulen las comunidades microbianas como terapia contra la obesidad.


Nuestro microbioma depende de la herencia materna y del ambiente

Parte de nuestro microbioma está determinado desde el momento en que nacemos. Nuestra madre nos da un poco de su flora vaginal para nuestra piel y coloniza nuestro intestino con bacterias que están en su leche. Sin embargo, en niños nacidos por cesárea esas bacterias iniciales que colonizan la piel están más asociadas con el ambiente hospitalario y estudios han sugerido que a largo plazo estos bebes están predispuestos a sufrir de alergias y asma [10]. Durante el crecimiento, el cambio de alimentación de la leche hacia alimentos sólidos, obliga a nuestra flora intestinal a adaptarse a una dieta más compleja. Por ejemplo, los niños de comunidades africanas tienen un microbioma fortalecido para romper grandes cantidades de fibra y carbohidratos vegetales, mientras que en europeos las bacterias ayudan a digerir dietas altas en grasas, azucares y poca fibra [11]. Algunas especies de bacteroidetes que se encontraron en los niños de la comunidad rural de Burkina Faso estaban totalmente ausentes de los italianos indicando que el microbioma coevoluciona con la dieta, y más aun que seguramente este tipo de flora era la que existía en las comunidades antiguas justo cuando se inicio la agricultura en la época en que el acceso a alimentos era variable.

Al parecer nuestros compañeros microbianos han evolucionado junto con nosotros para mantener una relación simbiótica benéfica. Desde nuestro nacimiento diversos factores como la alimentación y el medio ambiente, influyen en el microbioma que se establece en nuestro cuerpo, y son elementos decisivos en nuestra salud. Muchos de los desbalances en la comunidad microbiana generan importantes condiciones médicas, sin embargo, ha sido muy complejo establecer asociaciones directas entre bacterias y enfermedades. Con el establecimiento de un catalogo genético microbiano se abren puertas para entender el complicado sistema que envuelve las asociaciones humano-bacterianas, y a su vez se generan preguntas tales como ¿Cómo interactua el metagenoma de nuestros microbios con nuestros genes?, ¿qué cambia en el microbioma cuando nos ponemos a dieta o cuando tenemos una infección intestinal?, ¿es posible manipular las especies bacterianas con el fin de curar la obesidad?. Es de esperarse que en unos años estas preguntas estén cerca a ser resueltas, lo único que podemos pensar es que aún estamos lejos de entendernos como seres holísticos, como ecosistemas complejos, “somos un “paisaje genético”, una colección del genoma de cientos de especies diferentes trabajando todas juntas, de forma que misteriosamente nuestra mente se libera, nos lleva a la oficina y nos hace imaginar sobre lo que vamos a almorzar”-Jeffrey Gordon [12].


Referencias


[1] The Human Microbiome Jumpstart Reference Strains Consortium. A Catalog of Reference Genomes from the Human Microbiome. Science 328: 994-999.

[2] Turnbaugh, P., Ley, R., Hamady, M., Fraser-Liggett, C., Knight, R. & Gordon, J. 2007. The Human Microbiome Project. Nature 449: 804-810.

[3] Echeverri, M. El desafio de Pandora. 15 de septiembre de 2010. Blog BIOGENIC.
http://biogenic-colombia.blogspot.com/2010/09/el-desafio-de-pandora.html

[4] Grice, E., Kong, H., Conlan, S., Deming, C., Davis, J., Young, A., NISC Comparative Sequencing Program, Bouffard G., Blakesley, R., Murray, P., Green, E., Turner, M. & Segre, J. 2009. Topographical and Temporal Diversity of the Human Skin Microbiome Science 5931: 1190-1192.

[5] Grice, E. & Segre, J. 2011. The skin microbiome. Nat Rev Microbiology 9: 244-253.

[6] Qin, J., Li, R., Raes, J., Arumugam, M., Burgdorf, K., Manichanh, C., Nielsen, T., Pons, N., Levenez, F., Yamada, T., Mende, D., Li, J., Xu, J., Li, S., Li, D., Cao, J., Wang, B., Liang, H., Zheng, H., Xie, Y., Tap, J., Lepage, P., Bertalan, M., Batto, J., Hansen, T., Le Paslier, D., Linneberg, A., Nielsen, H., Pelletier, E., Renault, P., Sicheritz-Ponten, T., Turner, K., Zhu, H., Yu, C., Li, S., Jian, M., Zhou, Y., Li, Y., Zhang, X., Li, S., Qin, N., Yang, H., Wang, J., Brunak, S., Doré, J., Guarner, F., Kristiansen, K., Pedersen, O., Parkhill, J., Weissenbach, J., Antolin, M., Artiguenave, F., Blottiere, H., Borruel, N., Bruls, T., Casellas, F., Chervaux, C., Cultrone, A., Delorme, C., Denariaz, G., Dervyn, R., Forte, M., Friss, C., van de Guchte, M., Guedon, E., Haimet, F., Jamet, A., Juste, C., Kaci, G., Kleerebezem, M., Knol, J., Kristensen, M., Layec, S., Le Roux, K., Leclerc, M., Maguin, E., Melo Minardi, R., Oozeer, R., Rescigno, M., Sanchez, N., Tims, S., Torrejon, T., Varela, E., de Vos, W., Winogradsky, Y., Zoetendal, E., Bork, P., Ehrlich, S., & Wang, J. 2010. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature 464: 59-65.

[7] Arumugam, M., Raes, J., Pelletier, E., Le Paslier, D., Yamada, T., Mende, D., Fernandes, G., Tap, J., Bruls, T., Batto, J-M., Bertalan, M., Borruel, N., Casellas, C., Fernandez, L., Gautier, L., Hansen, T., Hattori, M., Hayashi, T., Kleerebezem, M., Kurokawa, K., Leclerc, M., Levenez, F., Manichanh, C., Nielsen, H., Nielsen, T., Pons, N., Poulain, J., Qin, J., Sicheritz-Ponten, T., Tims, S., Torrents, D., Ugarte, E., Zoetendal, E., Wang, J., Guarner, F., Pedersen, O., M. de Vos, W., Brunak, S., Doré, J., MetaHIT Consortium (additional members), Weissenbach, J., Ehrlich S., & Bork, P. Enterotypes of the human gut microbiome. 2011. Nature 473: 174–180.

[8] Novembre, J., Johnson, T., Bryc, K., Kutalik, Z., Boyko, A., Auton, A., Indap, A., King, K., Bergmann, S., Nelson, M., Stephens, M. & Bustamante, C. 2008. Genes mirror geography within Europe. Nature 456: 98-101.

[9] Ley, R., Turnbaugh, J., Klein S., & Gordon, J. 2006. Microbial ecology: Human gut microbes associated with obesity. Nature 444: 1022-1023.

[10] Salam, M., McConnell, R., McGregor, J., Avol, E. & Gilliland, F. 2006. Mode of Delivery Is Associated With Asthma and Allergy Occurrences in Children. Ann of Epidemiology 16: 341-346.

[11] De Filippoa, C., Cavalieria, D., Di Paola, M., Ramazzottic, M., Poullet, M, Massartd, S., Collini, S., Pieraccinie, G. & Lionetti, P. 2010. Impact of diet in shaping gut microbiota revealed by a comparative study in children from Europe and rural Africa. PNAS 107: 14691-14696.

[12] A universe of us. Editorial The Opinion Pages. The New York Times. Julio 19, 2010. http://www.nytimes.com/2010/07/20/opinion/20tue4.html?_r=1

“El hecho de que la vida hubiera evolucionado de casi nada, millones de años atrás, luego de que el universo surgiera de literalmente nada, es una cosa tan sorprendente, que estaría loco, si encontrara las razones para justificarlo de alguna forma”

En ocasiones cuando estoy algo cansado, me gusta salir a dar un paseo por las montañas. Me gusta ir al campo y respirar ese aire fresco que desciende de los páramos y sentir la tibieza de un sol inmensamente anaranjado que se esconde detrás de unos riscos nevados. Me gusta mirar alrededor y observar por un momento al pasto agitándose por una suave brisa, me gusta observar las flores de mil y un colores y a las abejas y colibríes que revolotean sobre ellas. Me gusta levantar la vista y observar los verdes árboles abanicados por el viento, me gusta sentirme rodeado de pinos, eucaliptos, robles y guayacanes. También me gusta permanecer un momento en silencio, para escuchar el trino de los pájaros el ulular de las lechuzas y el caminar distante quizás de alguna danta. En resumidas me gusta sentirme rodeado de vida.

Es curioso que tal vez espontáneamente, cuando hablamos de vida, pensamos casi que exclusivamente en plantas, animales o insectos. Creo que a pocos se nos ocurre incluir a los microorganismos como a las algas o a las bacterias dentro del conjunto de seres que tienen vida, quizás porque definir desde un punto biológico lo que conocemos como “vida” no es un asunto para nada trivial. Pero hoy no quiero ahondar en qué es y qué no es vida, en parte porque este tema ya lo hemos tratado anteriormente en nuestro blog. Hoy quiero que pensemos en esos diminutos seres que aunque sin verlos, nos rodean por todas partes. Quiero que hoy pensemos en esas unidades biológicas que denominamos microorganismos, para darles el peso y la importancia que se merecen como organismos vivos y como estructuras que miles de millones de años atrás fueron los protagonistas indiscutibles en el origen de la vida sobre nuestro planeta.

Resultan tan fundamentales las bacterias y su particular proceso evolutivo, que su origen y presencia en la tierra, hace más de tres mil millones de años, transformaron continuamente la superficie terrestre y su atmósfera. Fueron estas bacterias primigenias, las primeras en usar y modificar algunos de los recién creados sistemas y reacciones químicas para transformarlos en unidades, que luego se volverían esenciales para la vida. Su evolución condujo al desarrollo de procesos como la fermentación, la respiración, la fijación del nitrógeno atmosférico y la fotosíntesis; procesos tan radicales que moldearon la estructura y apariencia física de una tierra primitiva, hasta convertirla en el planeta que conocemos hoy en día. En un planeta naciente, donde aún no existían las plantas y mucho menos los animales, fueron las primeras bacterias las encargadas de moldear y transformar esa esfera candente que era la tierra hace más de cuatro mil millones de años, en un planeta apto para la vida, es más, fueron éstas, las cuales con su presencia definieron la aparición de la vida en nuestro planeta, y fueron ellas y posteriormente otros microorganismos, los que modificaron y actualmente siguen modificando las condiciones de la vida en la tierra; están ahí, siempre presentes, bajo nuestros pies y sobre nuestras cabezas, en el fondo del mar, entre las placas tectónicas que constituyen los continentes, incluso habitan dentro de nosotros, hacen parte de nuestras células y su trabajo arduo y continuo hacen que nuestro hogar, la tierra, el único que conocemos, tenga las condiciones óptimas para albergar y sustentar la vida de todos esos otros seres en los cuales pensamos más comúnmente cuando reflexionamos sobre la palabra vida.


Una brevísima reseña acerca del origen de las bacterias…el origen de la vida

El oceanógrafo Jack Corliss fue el primero en percibir como en las zonas en que se unen las distintas plataformas continentales, en el fondo del océano; vapores, magma y gases que emanan de la corteza terrestre, continúan mezclándose con el agua de mar, rememorando los periodos de cambio continuo que existían en el Arqueense (3900 millones de años atrás) [1]. En las condiciones extremas que plantean estos ambientes (más de 3400 metros de profundidad, presiones extremas, oscuridad absoluta y temperaturas que crean un gradiente desde los 90⁰C hasta los 4⁰C) en las cuales era impensable encontrar algún vestigio de vida, se han encontrado distintas especies de bacterias filamentosas que utilizan como fuente de energía el azufre y otros gases ricos en hidrógeno que escapan del interior de la tierra en forma de manantiales submarinos. Estos remotos escenarios actuales, reproducen varias de las condiciones extremas de los nichos acuáticos que proliferaban en el Arqueense. Por lo tanto, si en la actualidad en dichas condiciones, es posible encontrar vida, representada en una gran variedad de bacterias, surge como una hipótesis plausible, que en un principio, la vida hubiera estado en la capacidad de surgir en tales condiciones, características de la tierra Prefanerozóica [2].

En las condiciones de calor, presión y humedad del Arqueense, los átomos de carbono, pudieron haberse combinado rápidamente con el hidrógeno, el nitrógeno, el oxígeno, el fósforo y el azufre, para generar un gran número de estructuras químicas. Este conjunto de recién sintetizados compuestos químicos, que tenían en común su contenido de carbono, interaccionaron entre sí de distintas formas y a su vez, evolucionaron para producir cada vez más y más complejas substancias químicas [3]. Estos seis elementos, representan el 99% del peso seco de todo ser vivo constituyéndose como las principales unidades químicas que estructuran la vida.

Hasta ahora ha sido imposible, la generación de “vida” en condiciones experimentales de laboratorio, sin embargo Leslie Orgel, descubrió una molécula semejante al ADN con 50 nucleótidos (las unidades básicas que constituyen el ADN), que se formó espontáneamente, partiendo de ciertos compuestos a base de carbono. Igualmente, científicos del instituto Max Planck, han obtenido moléculas de ARN cortas con la capacidad de auto-replicarse en ausencia de células vivas [4]. Son los experimentos de este tipo, los que han fortalecido la hipótesis de que una combinación adecuada de descargas eléctricas representadas por rayos (muy frecuentes en aquella tierra primigenia) y de sustancias químicas presentes en los océanos del Arqueense, habría traído como consecuencia la fusión de átomos de carbono e hidrógeno con otros elementos como el nitrógeno, en las combinaciones adecuadas para producir los ladrillos básicos de la vida como lo son el ADN, el ARN y las proteínas [5].

El paso del tiempo, permitió que las moléculas necesarias para el origen de la vida, se agruparan y se regularan así mismas y entre sí. Las distintas moléculas, especialmente el ARN y posteriormente el ADN, se complementaban para generar estructuras que acababan replicándose. Estos procesos cíclicos, terminarían constituyendo los mecanismos básicos y fundamentales de las células vivas. Dichos procesos cíclicos permiten que la vida conserve los elementos constitutivos de sus orígenes, a pesar de las fluctuaciones ambientales continuamente cambiantes de un entorno hostil.

Pero para la concreción de la vida, aún hacía falta algo, era necesario separar y aislar, los procesos cíclicos anteriormente mencionados y los compuestos químicos básicos que hacen posibles dichas dinámicas autoregulatorias, del entorno circundante. La mayoría de científicos cree que distintos lípidos presentes en el océano prebiótico del Arqueense, se combinaron con ciertas proteínas para formar pequeños paquetes translucidos. Con el paso del tiempo y por azar, algunos de estos paquetes, engolfaron sistemas autoreplicativos que contenían ARN, ADN y proteínas y que habían logrado autoregularse para mantener un equilibrio constante. Ahora, estos sistemas se encontraban rodeados por una membrana que hacía posible la separación de sus elementos y procesos reguladores del resto del medio ambiente, evitando de esta manera, la posible pérdida de estructuras químicas fundamentales que pondrían a prueba las capacidades autoreguladoras de dicho micro sistema, capacidades que muy probablemente tomaron millones de años en alcanzarse [2].

¿Qué tenemos aquí? Tenemos una unidad discreta, separada y aislada de su entorno. Además tenemos una estructura, que está en la capacidad de replicar sus componentes fundamentales en una forma autosostenible y autoregulable. Tenemos un “aparato” que contiene ARN, ADN y proteínas, los cuales convergen en un círculo de reacciones que aseguran la interdependencia de uno del otro. Podríamos afirmar que este “aparato” representa la primera célula viva constituida, y debido a sus características que retoman los componentes y dinámicas básicas de una bacteria, podríamos afirmar que el primer ser vivo que existió sobre la faz de la tierra fue una bacteria. La vida en la tierra, empezó de la manera más simple posible, como un microorganismo.


Fueron los microorganismos quienes moldearon nuestro ambiente

Me atrevería a afirmar que la fotosíntesis fue la innovación metabólica más importante en la historia de la vida sobre el planeta tierra, y ésta, no se originó en las plantas, sino en las primeras bacterias fotosintéticas. En un principio esta fotosíntesis era diferente a la que desarrollan las plantas actuales. Los primeros organismos fotosintéticos eran bacterias que utilizaban el hidrógeno atmosférico o en ocasiones el sulfuro de hidrógeno para producir energía. Adicionalmente, las primeras reacciones fotosintéticas, nunca produjeron oxígeno [6].

Con el transcurrir de los millones de años, las bacterias fotosintéticas, en su búsqueda de fuentes de hidrógeno para producir energía, descubrieron una fuente abundante y plenamente disponible de dicho elemento: el agua. Los microorganismos que estuvieron en la capacidad de romper el agua por medio de la luz para abastecerse de hidrógeno, fueron tan exitosos y proliferaron de tal manera, que el residuo primario del rompimiento de la molécula de agua, es decir el oxígeno, empezó a saturar la atmósfera terrestre hasta tal punto en que los niveles de oxígeno atmosférico fueron tan elevados, que en un principio, nuestro vital oxígeno fue un gas tóxico que retó a la vida en la tierra. Gracias a dichos microorganismos fotosintéticos, la concentración de oxígeno atmosférico se elevó de un 0.0001% a un 61% [7].

En abundancia el oxígeno resulta ser tóxico porque reacciona con la materia orgánica. Atrapa electrones y genera radicales libres, los cuales son elementos sumamente reactivos que están en la capacidad de desdoblar y por lo tanto destruir compuestos a base de carbono, hidrógeno y nitrógeno, los cuales son los elementos fundamentales que estructuran la vida.

Las altas concentraciones de oxígeno en la atmósfera terrestre, retaron la inventiva de los microorganismos del Fanerozoico. Estudios científicos aseveran que la bioluminiscencia y la síntesis de vitamina E, procesos que requieren altas cantidades de oxígeno, son algunas de las novedades evolutivas que surgieron como respuesta a las altas concentraciones de oxígeno atmosférico [2].

Pero fueron un tipo particular de bacterias, aquellas que actualmente conocemos como cianobacterias, las que desarrollaron una de las novedades evolutivas que cambiarían para siempre la vida en la tierra. Estos microorganismos, desarrollaron un sistema metabólico que requería del entonces venenoso oxígeno para la producción de energía. La respiración aeróbica, cuya base es el oxígeno y de la cual dependen la mayoría de metazoos (animales multicelulares) que han existido en la tierra, utiliza al oxígeno en un proceso de combustión que rompe moléculas orgánicas para producir grandes cantidades de energía, agua y dióxido de carbono [6].

Las cianobacterias consiguieron llevar a término dos procesos fundamentales, la fotosíntesis que genera oxígeno y la respiración aeróbica que lo consume. Los animales no hubieran podido existir nunca sin los nutrientes producidos por la fotosíntesis y sin adecuados niveles de oxígeno en el aire. La generación de una unidad discreta, capaz de realizar una función particular y específica como la respiración, se cree, que fue un paso preliminar fundamental para la aparición de las células con núcleo, que son el componente fundamental de animales y plantas. La aparición de las bacterias aeróbicas fue tan crucial para modelar la atmósfera terrestre, que actualmente conocemos que su éxito evolutivo y dispersión permitió que los niveles de oxígeno terrestre, decrecieran aproximadamente un 40%, hasta los niveles que conocemos actualmente. En nuestro planeta contemporáneo el 21% de oxígeno que persiste en la atmósfera es suficiente para sustentar gran parte de la biósfera sin las terribles consecuencias oxidativas que acarrea su exceso. Equilibrio es la palabra clave y esto solo se logró gracias a las bacterias y a otros microorganismos específicos.


Millones de microorganismos habitan secretamente dentro de nuestras células

Las mitocondrias son los organelos de la célula eucariota que se encargan particularmente del proceso de respiración aeróbica, y aunque suene extraño, las mitocondrias presentan muchas características que nos hacen pensar en ellas como posibles organismos autónomos que tuvieron una vida libre, fuera de la actual célula eucariota. Las mitocondrias poseen su propio aparato genético que incluye su propio ADN y ARN. Como el típico ADN bacteriano, el ADN de las mitocondrias se encuentra libre, sin estar compactado en forma de cromosomas. De igual manera los ribosomas de las mitocondrias son más parecidos a los ribosomas de las bacterias que a los que se encuentran en las células eucariotas. Su división, es independiente del proceso de división celular y se ha comprobado que continuamente dentro de su evolución, han realizado procesos de transferencia de genes, desde su propio material genético, hasta el ADN que se encuentra en el núcleo de la célula [6]. Esto es una característica fundamental del sexo bacteriano.

Estas evidencias sugieren que las mitocondrias fueron ancestralmente bacterias libres, que terminaron internalizándose de manera simbiótica en las entrañas de células bacterianas mayores (endosimbiosis). Al principio, las bacterias invadidas, apenas debieron haber podido mantenerse con vida, pero cuando éstas morían, los huéspedes también perecían con ellas, de tal manera que solo sobrevivieron, las células hospederas que colaboraron con sus nuevos inquilinos diversificando funciones, ya que ahora sería la célula invasora, la encargada de la respiración celular. Las bacterias invadidas y las células invasoras (mitocondrias) desde entonces, hace ya más de 1000 millones de años atrás, conviven juntas en un mutualismo perfecto.

Todos los animales de la tierra, desde las abejas que revolotean sobre las flores, hasta las grandes ballenas que nadan en el mar, se encuentran constituidos por células con núcleo, estas células son el resultado directo de la fusión o endosimbiosis de células procariotas (células sin núcleo) [8]. Aproximadamente un adulto está constituido por 50 trillones de células, si tenemos en cuenta que en promedio una célula posee 1000 mitocondrias, podríamos concluir que un ser humano posee un número indecible de mitocondrias; quien lo iba a creer, nosotros los animales, no somos más que un conjunto de microorganismos que desde tiempos inmemoriales conspiraron para estructurar a un ser humano.

Pero éste, no es el único ejemplo de endosimbiosis para estructurar una célula eucariota. En el reino vegetal paso algo similar con los plastidios. Los plastidios, son los órganos encargados del proceso fotosintético en las plantas y si hablamos particularmente de los cloroplastos, éstos son más parecidos a las células bacterianas que las propias mitocondrias. La evolución de las plantas y con ellas, la evolución de toda la cadena trófica de la cual dependemos todos los animales, no hubieran sido posibles, si millones de años atrás, una bacteria fotosintética no hubiera sido engolfada por una célula hospedera para estructurar de esa manera el primer prototipo natural de una futura célula vegetal [9,10].


Y el equilibrio persiste en gran parte gracias a los microorganismos

Así como los descendientes de las bacterias que hace millones de años nadaban en un océano primigenio, se encuentran actualmente dentro de nuestras células en forma de mitocondrias, la eterna colaboración simbiótica entre microorganismos, células y organismo multicelulares aún persiste. Por ejemplo, particularmente las leguminosas no pueden sobrevivir en suelos carentes de nitrógeno, necesitan de las bacterias fijadoras de este elemento para poder prosperar. Si continuamos la cadena trófica llegaremos a la conclusión que nosotros tampoco podemos sobrevivir sin el nitrógeno que procede de dichas plantas. De igual manera, los rumiantes como las vacas, no están en la capacidad de digerir la celulosa que está contenida en el pasto y necesitan de la acción de las bacterias ruminales. Nosotros dependemos en gran parte de la carne, la leche y sus derivados que provienen del ganado y a su vez, éste depende de las comunidades bacterianas que habitan en su interior. Aproximadamente, un 10% del peso seco de nuestro organismo corresponde a bacterias, algunas vitales para nuestra sobrevivencia, nos defienden de infecciones y nos ayudan a digerir ciertos alimentos.

Ningún ser humano y tal vez ningún animal o planta, hubiera podido sobrevivir en una atmósfera saturada de oxígeno, no hubiéramos sobrevivido a los efectos deletéreos de la constante oxidación, es más, con un 60% de oxígeno en la atmósfera, todo ardería con tan solo tronar los dedos. Las corrientes marinas, el delicado equilibrio de los océanos y la producción de nutrientes, dependen casi que exclusivamente de las comunidades de microorganismos que constituyen el fitoplancton y el zooplancton. Los ciclos de elementos como el carbono o el nitrógeno, fundamentales para la vida, se sustentan en diversas comunidades bacterianas [11]. Entonces, ¿por qué algunos de nosotros aún creemos que somos los seres humanos los que tenemos el pleno control de todo en cuanto nos rodea?

La evolución de la célula eucariota, la diversificación de funciones y el perfeccionamiento de los sistemas multicelulares trajo consigo una clara y desastrosa consecuencia: la fragilidad. Los animales basamos nuestra supervivencia en la dependencia de otros organismos, no estamos en la capacidad de producir nuestro propio alimento, somos totalmente dependientes del proceso fotosintético de las plantas. De igual manera, las plantas dependen de la luz solar y es bueno aclarar, que la intensidad lumínica que nos proporciona el sol siempre ha variado a lo largo de la evolución. El smog cubre nuestras ciudades, es posible que si continuamos así, la contaminación y las nubes de smog sean tan densas que podrían reducir la capacidad fotosintética de las plantas. Es más, una erupción volcánica de proporciones cataclísmicas sería suficiente para ocultar el sol, y entonces, la mayoría de seres multicelulares desapareceríamos en cuestión de años, quizás meses. Somos seres frágiles.

Las bacterias por el contrario presentan un rango mucho más extenso de adaptabilidad, se permiten efectuar complejas fermentaciones, pueden consumir metano, nitrógeno o azufre para sobrevivir. Pueden precipitar hierro o manganeso para respirar; queman hidrógeno utilizando oxígeno para producir agua. Pueden crecer en agua en ebullición, pueden vivir en absoluta oscuridad o en sal muera, están en la capacidad de soportar increíbles presiones y bajísimas temperaturas; hacen fotosíntesis y genéticamente son mucho más plásticas gracias a la transferencia horizontal de genes que es un proceso casi que rutinario en este grupo de organismos [11, 12].

Puede que no las veamos, puede que pocas veces cuando pensamos en algún ser vivo se nos venga una cianobacteria a la cabeza. Pero nuestra evolución como especie, se encuentra íntimamente ligada a estos diminutos seres. Sin ellos, la vida como actualmente la conocemos no hubiera sido posible, y ahora, en este preciso momento, sin que nos demos cuenta, los microorganismos están ayudando a mantener el balance de nuestro planeta, para que nosotros y tal vez nuestros nietos podamos disfrutar de esas salidas al campo, en las cuales nos encontramos rodeados de vida, por lo menos de la clase de vida que estamos acostumbrados a ver y a valorar.

[1] Ferris, J.P. 1992. Chemical markers of prebiotic chemistry in hydrothermal systems. Orig Life Evol Biosph 22, 109-34.

[2] Margulis, L.a.S., D. 1995. Microcosmos. Four Billion Years of Evolution from Our Microbial Ancestors, 312 pag. Tusquets Editores S.A., Barcelona.

[3] Holm, N.G. & Andersson, E.M. 1995. Abiotic synthesis of organic compounds under the conditions of submarine hydrothermal systems: a perspective. Planet Space Sci 43, 153-9.

[4] Davis, B.K. 1998. The forces driving molecular evolution. Prog Biophys Mol Biol 69, 83-150.

[5] Davis, B.K. 2002. Molecular evolution before the origin of species. Prog Biophys Mol Biol 79, 77-133.

[6] Gray, M.W. 1989. The evolutionary origins of organelles. Trends Genet 5, 294-9.

[7] Cavalier-Smith, T. 1992. The number of symbiotic origins of organelles. Biosystems 28, 91-106.

[8] Cavalier-Smith, T. 1975. The origin of nuclei and of eukaryotic cells. Nature 256, 463-8.

[9] Meyer, T.E. 1991. Evolution of cytochromes and photosynthesis. Biochim Biophys Acta 23, 31-4.

[10] Wolfe, K.H., Morden, C.W. & Palmer, J.D. 1991. Ins and outs of plastid genome evolution. Curr Opin Genet Dev 1, 523-9.

[11] Starr, M.P. & Skerman, V.B. 1965. Bacterial diversity: the natural history of selected morphologically unusual bacteria. Annu Rev Microbiol 19, 407-54.

[12] Degryse, E. 1976. Bacterial diversity at high temperature. Experientia Suppl 26, 401-10.

Bacterias endófitas y plantas: la perfecta combinación a la hora de descontaminar  

Por Adriana Almeida

En este artículo hablaré sobre un tema que me apasiona: la fitoremediación. Espero que en el transcurso de esta lectura pueda ayudarte a entender que es la fitoremediación, cuales son sus implicaciones, y como las bacterias endófitas, las rizobacterias y las plantas cooperan naturalmente en favor de preservar los recursos naturales.  

Remediación versus fitoremediación 
Remediación 
Desde 1970 hasta inicios del siglo XXI, la manera de recuperar zonas contaminadas (aire, suelo, agua superficial y agua subterránea) se basó en tecnologías de remediación de ingeniería, divididos en dos grandes grupos, remediación in situ y remediación ex situ. Remediación in situ se basa en la descontaminación de zonas contaminadas en el mismo lugar en donde se ha producido la contaminación. En cambio, en la remediación ex situ, el suelo o el agua contaminada son removidos de su ambiente natural, transportados a otro lugar para ser descontaminados (generalmente por procesos químicos) y finalmente se reincorporan al sitio original [1]. La remoción del suelo para su tratamiento químico genera daños catastróficos en su estructura pues al ser removido, los diferentes perfiles que lo componen son mezclados. Igualmente, tanto en la remediación in situ como en la ex situ, se generan daños irreparables en la dinámica ecológica del suelo que allí sucede, pues al ser tratado químicamente, se reducen o eliminan las poblaciones de organismos que lo habitan naturalmente (microorganismos, hongos, animales y plantas). Lo mismo ocurre en el caso de el tratamiento químico del agua.  

Fitoremediación 
La fitoremediación es un proceso natural, por medio del cual las plantas vasculares (plantas con tejidos especializados para el transporte de agua y nutrientes), durante su crecimiento y desarrollo, pueden absorber compuestos contaminantes del suelo, del agua o del aire, generando una reducción en la concentración o una disminución en la toxicidad de dichas substancias (definido por la agencia para la protección ambiental de los Estados Unidos de America, sigla en ingles USEPA; [2]. La fitoremediación es un proceso sostenible, pues permite mantener y/o recuperar las poblaciones de organismos en sitios contaminados. 

Hay diferentes formas en las que las plantas pueden hacer fitoremediación. Por un lado pueden acumular las substancias contaminantes sin que sea dañino para ellas; también pueden transformar dichos compuestos mediante su metabolismo, generando la inactivación, degradación o inmovilización de contaminantes. Igualmente, las plantas pueden remover los contaminantes del suelo y liberarlos a la atmósfera mediante el proceso de evapotranspiración (evaporación de agua en las hojas o los tallos durante la fotosíntesis) [1]. Una vez las plantas han descontaminado un sitio en particular, sus tejidos pueden ser extraídos del sitio y si aun contienen trazas de contaminantes, pueden ser incinerados. 

¿Y en dónde entran las bacterias a hacer parte de esta historia? 
A pesar que la maquinaria genética de muchas especies de plantas les permiten tolerar niveles de contaminantes, estudios realizados por botánicos y microbiólogos han encontrado que ciertas plantas hacen el proceso de fitoremediación gracias a la asociación simbiótica (relaciones mutualistas entre organismos, en las que ambos se benefician) con bacterias endófitas y rizobacterias. Las bacterias endófitas se llaman así porque hacen de los tejidos internos de las plantas su nicho (el ambiente en donde viven naturalmente), colonizando los espacios entre las células (conocidos como espacios intracelulares) sin generar ningún efecto negativo para la planta que las hospeda [3]. Las rizobacterias, son aquellas que viven en el suelo en asociación con las raíces de las plantas. Estas bacterias ayudan a la planta en su crecimiento, pues mejoran el ciclo de nutrientes del suelo, liberando nitrógeno, fósforo y otros nutrientes de moléculas complejas para poder ser absorbidas por las raíces de las plantas [4]. En este documento, hablaremos de las bacterias endófitas, ya que son ellas quienes juegan un papel fundamental en la fitoremediación, pues ayudan directamente a la planta a tolerar y a sobrevivir en ambientes contaminados.

Las bacterias endófitas 
Actualmente se conocen cerca de 300000 especies de plantas en el planeta y se piensa que cada planta puede hospedar una o mas especies de bacterias endófitas (Figura 1) [5]. 

Estudios han demostrado que las bacterias endófitas pueden ser fundamentales para la supervivencia de las plantas, pues las ayudan a controlar ataques de patógenos, insectos y nemátodos [6], debido a que pueden identificar la presencia de estos organismos en la planta de una manera rápida y ayudan en el desencadenamiento del fenómeno de inducción del sistema de resistencia (ISR) de las plantas [7]. Igualmente se ha encontrado que las bacterias endófitas pueden ayudar a las semillas a germinar y a las plántulas a establecerse mas rápidamente en ambientes adversos estimulando su crecimiento [8]. Todos estos beneficios son posibles gracias a la capacidad de las bacterias en general, de sintetizar substancias metabólicas como antibióticos y fungicidas [9], al igual que otros metabolitos secundarios que incluyen compuestos anticarcinogénicos, compuestos volátiles orgánicos, antivirales y agentes inmunosupresores (substancias que inhiben o previenen la acción del sistema inmune) [10]. Igualmente se han encontrado que muchas de las bacterias endófitas son resistentes a metales pesados, antibióticos, y son capaces de degradar compuestos orgánicos complejos [11] y herbicidas [12].  

Figura 1. Cinco de los taxa bacterianos más conocidos por su capacidad endófita son: Cellulomonas, http://genome.jgi-psf.org/celfl/celfl.home.html (a); Clavibacter, http://www.oardc.ohio-state.edu/mcic/ (b); Curtobacterium, http://ijs.sgmjournals.org/content/57/7/1447/suppl/DC1 (c); Pseudomonas, http://www.pseudomonas.com/p_aerug.jsp (d); y Microbacterium, http://www.kmle.co.kr/ (e).
 

Bacterias endófitas y fitoremediación 

Estudios han demostrado que plantas pueden crecer y tolerar niveles de contaminación en su ambiente sin mostrar signos de intoxicación. El nivel de tolerancia de la planta depende del tipo de bacteria endófita con la que esta asociada. A continuación se muestran algunos ejemplos. 

 

En un estudio desarrollado por Lodewyckx y colegas (2001) [13] se aisló una bacteria endófita del genero Methylobacterium de tejidos del álamo hibrido Populus deltoides x P. nigra. Dicha bacteria es capaz de biodegradar numerosos compuestos explosivos como es el caso de 2,4,6-trinitrotolueno (también conocido como TNT, un explosivo mundialmente utilizado), RDX (del inglés Research Department Explosive) y HMX (conocido también como octogen). Estas bacterias fueron capaces de mineralizar el 60% de estos explosivos en forma de dióxido de carbono en aproximadamente dos meses. 

 

En otro estudio, plantas de arveja fueron inoculadas con una bacteria endófita del género Pseudomonas, capaz de degradar el herbicida 2,4- acido diclorofenoxiacético, también conocido como 2,4-D. Plantas inoculadas y no inoculadas fueron expuestas al herbicida. Las plantas inoculadas crecieron saludablemente y análisis en sus tejidos no mostraron ninguna acumulación del herbicida, mientras que las plantas sin inocular mostraron una alta acumulación del herbicida en sus tejidos y claros efectos de intoxicación como crecimiento retardado, caída de hojas y desarrollo de callos (estructuras similares a tumores) en sus raíces [12].  

 

Programas de fitoremediación para descontaminar 

Los ejemplos enunciados anteriormente muestran el potencial que tiene el uso de plantas asociadas con bacterias endófitas en programas de fitoremediación de sitios contaminados. Nueva Zelanda y Australia han sido países pioneros en el uso de la fitoremediación. Estudios realizados por Brooks desde los 90’s, han permitido la identificación de numerosas especies de plantas nativas en Australia y Nueva Zelanda, con la capacidad de acumular metales pesados, o que pueden ser utilizadas como ‘bombas de agua’ biológicas para la inmovilización y degradación de pesticidas [14]. 

 

El uso de la fitoremediación en programas de descontaminación de aguas negras esta siendo ampliamente utilizado en Estados Unidos, Canadá y La Unión Europea. En la mayoría de estos programas se han utilizados álamos y sauces. Estos árboles, pertenecientes al orden Salicaceae, tienen la capacidad de crecer rápidamente y de consumir grandes cantidades de agua diariamente [15]; [16]. 

 

En Latinoamérica, pocos estudios se han desarrollado para el reconocimiento de especies nativas que puedan ser utilizadas en programas de fitoremediación. Sin embargo, existe un gran potencial de especies candidatas para este fin, debido a la gran diversidad de plantas existentes y a la gran cantidad de yacimientos de minerales metálicos [17]. 

 

Perspectivas en fitoremediación 

Actualmente se están haciendo estudios biotecnológicos para generar cepas bacterianas con nuevas resistencias a contaminantes, mediante la transferencia horizontal de genes que ocurre naturalmente en las bacterias o por medio de técnicas de recombinación de ADN en el laboratorio. Estas cepas modificadas pueden producir enzimas específicas con la capacidad de degradar cierto tipo particular de substancias tóxicas. Adicionalmente, se están evaluando nuevas asociaciones entre bacterias endófitas y plantas que permitan acelerar la captura y degradación de sustancias contaminantes, reduciendo así los tiempos de descontaminación y estableciendo este tipo de proceso como una alternativa sostenible, amigable con el ambiente y económica en comparación a los procesos de descontaminación tradicionales de ingeniería. Sin embargo, es importante que los científicos que están desarrollando este tipo de investigaciones tengan en cuenta los posibles riesgos que nuevas cepas bacterianas pueden generar en los ecosistemas y que se tomen las medidas de protección necesarias para evitar que estas nuevas cepas bacterianas se conviertan en especies invasoras que pueden competir agresivamente con las poblaciones bacterianas que habitan naturalmente los ambientes a descontaminar. 

 

Como vimos anteriormente, muchos de los metabolitos secundarios que son producidos por las bacterias endófitas tienen propiedades anticarcinogénicas, antibióticas, antivirales y de capacidad inmunosupresora. La investigación de estos compuestos pueden generar gran impacto a nivel farmacéutico, generando todo un nuevo campo de investigación para beneficio de la salud humana y animal. 

 

Referencias 

[1]McGuinness M and Dowling D. 2009. Plant-associated bacterial degradation of toxic organic compounds in soil. International Journal of Environmental Research and Public Health. 6: 2226- 2247.  

[2]http://cfpub.epa.gov/ncer_abstracts/index.cfm/fuseaction/display.abstractDetail/abstract/7879 

[3]Posada F & Vega FE. 2005. Establishment of the fangal entomopathogen Beauveria Bastiana (Ascomycota: Hypocreales) as an endophyte in cocoa seedlings (Theobroma cacao). Mycologia 97: 1195- 1200.  

[4]Wakelin S, Warren R, Harvey P & Ryder M. 2004. Phosphate solubilization by Penicillium spp. Closely associated with wheat roots. Bio Fert Soils 40: 36-43. 

[5]Strobel G, Daisy B, Castillo U & Harper J. 2004. Natural products from endophytic microorganisms. Journal of Natural Products 67: 257-268. [6]Hallmann J, Quadt-Hallmann A, Rodriguez-Kabana R & Kloepper JW. 1998. Interactions between Meloidogyne incognita and endophytic bacteria in cotton and cucumber. Soil Biology and Biochemistry 30: 925-937. 

[7]Kloepper JW & Ryu C-M. 2006. Bacterial endophytes as elicitors of induced systemic resistance. Microbial Root Endophytes (Schulz BJE, Boyle CJC & Sieber TN, eds) pp. 33- 52. Springer-Verlag, Berlin. 

[8]Bent E & Chanway CP. 1998. The growth-promoting effects of a bacterial endophyte on lodgepole pine are partially inhibited by the presence of other rhizobacteria. Canadian Journal of Microbiology. 44: 980- 988.  

[9]http://biogenic-colombia.blogspot.com/  

[10]Lodewyckx C, Vangronsveld J, Porteous F, Moore ERB, Taghavi S, Mezgeay M & van der Lelie D. 2002. Endophytic bacteria and their potential applications. Crit Rev Plant Science. 21: 583- 606. 

[11]Ryan RP, Germaine K, Franks A, Ryan DJ & Dowling DN. 2008. Bacterial endophytes: recent developments and applications. FEMS Microbiol Lett. 278: 1- 9. 

[12]Germaine K, Liu X, Cabellos G, Hogan J, Ryan D & Dowling DN. 2006. Bacterial endophyte-enhanced phyto-remediation of the organochlorine herbicide 2,4-dichlorophenoxyacetic acid. FEMS Microbiol Ecol. 57: 302- 310.  

[13]Lodewyckx C, Taghavi S, Mergeay M, Vangronsveld J, Clijsters H & van der Lelie D. 2001. The effect of recombinant heavy metal resistance endophytic bacteria in heavy metal uptake by their host plant. Int J Phytoremediation. 3: 173- 187. 

[14]Robinson B and Anderson C. 2007. Phytoremediation in New Zealand and Australia. Methods in Biotechnology, vol 23: Phytoremediation: Methods and Reviews (Willey N ed). Humana Press Inc. Totowa, NJ.  

[15]Hurdle P and Krygier R. 2011. Development of a decision support tool comparing engineering Solutions to short rotation Woody crop plantations for treatment of municipal sewage wastewater. Oral presentation. Poplars and Willows of the praries. Poplar Council of Canada. Edmonton, Alberta. Canada. 18-24 September 2011. 

[16]Labrecque M, Pitre F, Joly S, St-Arnaud M, Hijri M, Lang BF, Burger G, Courchesne F, Jabajii S, Konstantinos A, Greer C, and Yergeau E. 2011. Improving bioremediation of polluted soils through environmental genomics- A new initiative supported by Genome Canada. Oral presentation. Poplars and Willows of the praries. Poplar Council of Canada. Edmonton, Alberta. Canada. 18-24 September 2011. 

[17]Ginocchio R & Baker AJM. 2004. Metalófitas en América Latina: un recurso biológico y genético único poco conocido y estudiado en la region. Revista Chilena de Historia Natural 77: 185- 194.

Las Plantas y el Sexo

Aunque el tema de la clonación ha estado históricamente en el inconsciente colectivo asociado a la ciencia ficción, sus aplicaciones agrícolas son tan antiguas como la agricultura misma. Para muchos de nosotros la palabra clonación puede desencadenar una serie de temores y curiosidades, sin embargo, la clonación es un fenómeno natural que el hombre ha logrado aprovechar abriendo así perspectivas de extraordinaria utilidad para la humanidad. Aunque nadie puede negar algunos riesgos potenciales. En este breve ensayo se pretende explorar las características naturales de la clonación en plantas, como el hombre ha aprendido a manipular este proceso natural para el desarrollo de la agricultura, cuáles han sido sus consecuencias positivas y como se han mitigado algunos de los aspectos negativos.

En nuestro pasado artículo de temporada veíamos que en el reino vegetal la clonación es un proceso natural [1]. Este fenómeno ha sido utilizado por el ser humano para perpetuar a través de las generaciones plantas con características deseadas. Sin embargo, en muchas especies con interés agrícola, la clonación tradicional resulta un proceso ineficiente. Un ejemplo de esto son el trigo, el maíz y el arroz, los principales cereales de la humanidad. Aunque si bien es cierto que estas plantas podrían llegarse a clonar a través de complejos sistemas de reproducción in vitro (algo así como una reproducción asistida); los altos costos involucrados en estos procedimientos lo hacen poco viable.

Sin embargo, si nuestro objetivo es el de perpetuar la mayoría de las características en un genotipo través de las generaciones, la clonación no es el único mecanismo que el reino vegetal nos ofrece. Algunas plantas pueden producir semilla fertilizándose a sí misma (autogamia). Así pues, tras cuatro generaciones de auto-fertilización la homocigosis se incrementa un 93.75% para un gen con dos alelos. En homocigosis los genes localizados en un par cromosómico son idénticos, de tal forma que los hijos de una planta autógama en un alto grado de homocigosis, serán virtualmente idénticos al padre. Aunque estas plantas técnicamente no son un clon, en términos prácticos podrían considerarse como tales. Este sistema reproductivo es de mucha importancia en plantas como el trigo, el arroz, y la cebada en donde una vez lograda una planta con las características de producción deseada y con un alto grado de homocigosis, los agricultores pueden utilizar indefinidamente esta semilla sin el riesgo de perder las características deseadas a través de las generaciones [2].

Por otro lado, en algunas plantas no es posible ni desarrollar la clonación, ni perpetuar genotipos deseados a través de auto-fertilización. El mejor ejemplo es el caso del maíz, el cual necesitan de la fertilización por parte de otra planta (alogamia) para que la semilla se desarrolle [2]. Es importante anotar, que aunque en plantas como el maíz se puede combinar ambas estrategias reproductivas, usualmente la alogamia tiende a ser dominante. Además, en caso de presentarse la auto-fertilización, la descendencia que producirán sus semillas tiende a ser menos vigorosa. Esto es debido a que la mayoría de las plantas alógamas presentan susceptibilidad a la endogamia (consanguinidad), fenómeno que sucede en la mayoría de los animales, entre ellos el ser humano. Aunque la autofecundación en un animal no es posible, es factible que parientes muy relacionados puedan reproducirse. En el caso de los seres humanos este fenómeno hace que las siguientes generaciones aumenten los chances de condiciones que van en detrimento del propio organismo, además de incrementar la probabilidad de sufrir enfermedades genéticas particulares. Aunque en un menor grado, este fenómeno ocurre en plantas como el maíz. Sin embargo, y de forma un poco paradójica, la consanguinidad es usada en el mejoramiento del maíz. Así pues, con ayuda del ser humano algunas plantas de maíz son autofecundadas a través de varias generaciones con la finalidad de producir un tipo de maíz endogámico, que dará origen a unas semillas que aunque con poco valor agronómico (debido al alto grado de consanguinidad), presentarán una alta homocigosidad. Una vez establecidas diferentes tipos de líneas endogámicas, los mejoradores empiezan a cruzarlas sexualmente entre si para dar origen a una semilla conocida como hibrida. Esta semilla presenta un fenómeno biológicamente conocido como heterosis, en el cual la descendencia (los hijos) presenta un vigor híbrido (mejor desempeño agronómico) del cual carecen los parentales. Sin embargo, si estos hijos son nuevamente cruzados entre si el vigor hibrido se perderá en la semillas que darán origen a la siguiente generación. Así pues, a diferencia de los cultivos autógamos, los campesinos y agricultores que compren la muy productiva semilla hibrida, solo la pueden usar durante una generación, y en la siguiente se ven obligados a nuevamente comprar nuevamente nueva dicha semilla híbrida con el fin de mantener unos estándares de producción. Aunque este sistema de mejoramiento y producción del maíz ha resultado exitoso para la producción intensiva del maíz, especialmente en países desarrollados, en muchos de los países en desarrollo menos del 10% del maíz sembrado es híbrido debido a que a los campesinos les resulta muy costosa la obtención de la semilla [3]. Por lo tanto, resultaría interesante encontrar alguna forma en que pudiéramos clonar y perpetuar el genotipo de la vigorosa semilla híbrida.

Dentro de la gran variedad de sistemas reproductivos encontrados en las plantas (previamente discutidos), debemos adicionar la apomixis. A través de este sistema las plantas pueden producir una semilla sin necesidad de recombinación sexual, produciendo así un clon y perpetuando el genotipo [4, 5]. La apomixis ha sido encontrada en mas de 400 especies de angiospermas (plantas con fruto), pero solo unas cuantas especies con interés agrícola presentan este fenómeno natural. Entre estas plantas están los cítricos, la manzana, el mango, las orquídeas y varios tipos de plantas forrajeras [5]. Sin embargo, en otros cultivos como el maíz este fenómeno no ocurre naturalmente, por lo que la comunidad científica lleva años de esfuerzos tratando de incorporar estas propiedades en plantas alógamas como el maíz.

Son varias las ventajas que se pueden derivar de una hipotética planta alógama como el maíz obtenida mediante el mecanismo de la apomixis. En primera instancia, los mejoradores y genetistas de plantas podrían fijar instantáneamente una característica deseada, reduciendo así el tiempo y el dinero requerido para producir nuevas variedades de maíz. Por otro lado, los productores de semilla podrían ser capaces de producir y mantener la semilla híbrida a bajo costo y con menos oportunidad de error. Esto sin duda redundara en bajos precios de venta de semilla a los agricultores, los cuales a su vez, podrán reciclar indefinidamente [3].

Para poder entender en que consiste la apomixis, debemos primero considerar (al menos de manera general) la formación de los gametos en las plantas, así como la fecundación en ellas. Todas las plantas presentan un fenómeno conocido como alternancia de generaciones. En las angiospermas, la alternancia de generaciones consiste en el cambio de una fase diploide (material genético completo) conocida como el esporofito, y una fase haploide (mitad del material genético) conocida como el gametofito [6]. Un esporofito es básicamente la planta que vemos ante nuestros ojos. En las anteras (órgano reproductor masculino), así como en los óvulos (órgano reproductor femenino), se inicia el proceso de meiosis a partir de unas células conocidas como células madres de las esporas. Es importante reconocer que la meiosis es un proceso de división celular, en el cual las células resultantes tendrán la mitad de la información genética que la célula madre (proceso reduccional), y el cual difiere de otro proceso de división celular conocido como mitosis, en el cual las células hijas tendrán la misma cantidad de información genética que la célula madre. En las anteras la meiosis da origen a cuatro células haploides (mitad de la información genética) conocidas como microesporas; mientras que en los óvulos la meiosis da origen a cuatro macroesporas haploides, tres de las cuales se desintegran. En los animales, la meiosis ocurre de manera análoga dando origen a los espermatozides y al ovulo. Sin embargo a diferencia del reino animal, donde la unión de estos dos gametos da origen al correspondiente cigoto, en las plantas las microesporas y la macroespora sufren subsecuentes divisiones mitóticas. De esta forma, parte del ciclo vital de una planta es como organismo haploide (gametofito). En el caso de las microesporas, cada núcleo haploide se divide dando origen a un grano de polen tricelular. En el ovulo, la macroespora formada a través de la meiosis, también se divide mitóticamente dando origen a un saco embrionario, que consiste de siete células, de las cuales una es binuclear. La fecundación de las plantas es conocida como doble fertilización. Así pues, una vez un grano de polen llega al estigma de una flor, una de las tres células del polen desarrollará el tubo polínico, otra fecundara una de las siete células del saco embrionario, dando origen al embrión de la planta, mientras que el otro núcleo del polen fecundara la célula binuclear del saco embrionario, dando origen al endosperma de la semilla, el cual será el alimento del embrión [6]. Al final la semilla obtenida poseerá la mitad de la información genética de cada padre, lo que la hará única en sus propiedades.

Considerando estas características del reino vegetal, diremos que la apomixis es un tipo de reproducción en plantas que se caracteriza por evitar la meiosis y la fecundación, permitiendo que el ovulo de la planta desarrolle una semilla cuyo embrión es idéntico al de la planta que la origina. La apomixis puede ser llevada a cabo a través de una ruta esporofítica (generación diploide) o una ruta gametofítica (generación haploide). Recordemos que el esporofito es la planta que vemos ante nuestros ojos cuyas células no han tenido meiosis aún. Así pues, en la apomixis esporofítica el embrión nace directamente de las células diploides de los órganos reproductivos, evitando la formación del gametofito (saco embrionario). Este fenómeno es observado en los cítricos y recibe también el nombre de embrionía adventicia. Por su parte en la ruta gametofítica, el gametofito (el saco embrionario) es formado pero sin meiosis (apomeiosis), por lo tanto es diploide. A su vez, la apomixis gametofítica puede ser dividida en diplosporía y aposporía de acuerdo con el origen de la célula que dará origen al saco embrionario. En ambos casos, el embrión se desarrollará posteriormente a través de partenogénesis [4, 5].

Las primeras investigaciones enfocadas en introducir la apomixis en el maíz fueron concentradas en Tripsacum, una especie muy cercana al maíz, la cual se reproduce mediante apomixis. De este modo desde hace más de 20 años atrás, los mejoradores empezaron a realizar cruces entre el maíz y Tripsacum con el fin de obtener un maíz apomictico. De este modo, “The apomixis Project” liderado por el CIMMYT (Centro de Investigación del Maíz y el Trigo) y IRD (Institut de Recherche pour le Développement), ha logrado evaluar mas de 250,000 plantas a lo largo de 10 ciclos [3]. Sin embargo, aunque esta estrategia ha logrado resultados alentadores, hasta ahora no se ha podido obtener el tipo de maíz deseado. Su problema ha estado en que muchas de las semillas obtenidas tienden a tener muchos mas cromosomas de los esperados, además de una alta tasa de aborto [5].

Los recientes desarrollos en genética, biología molecular y biotecnología han permitido encontrar alternativas para la introducción de la apomixis en el maíz. Los primeros estudios genéticos durante los años 80’s y 90’s mostraron que el mecanismo de la apomixis es controlada por un solo locus con características mendelinas, localizado en una región del genoma donde la recombinación es suprimida [7]. Estos primeros resultados alentaron en general a la comunidad científica sobre la factibilidad de poder obtener en corto tiempo un maíz con apomixis. Sin embargo posteriores evidencias mostraron que una serie de genes co-adaptados y co-segregantes están involucrados en la apomixis. Además, los estudios evidenciaban que el gen de la apomixis presenta penetrancia incompleta y es altamente susceptible a condiciones ambientales [8], lo cual explica la ocurrencia de la apomixis facultativa (plantas que se reproducen tanto sexualmente, como por apomixis). De igual manera, evidencias recientes sugieren que la apomixis puede ser controlada epigenéticamente. De esta forma, investigaciones en la planta modelo Arabidopsis thaliana han mostrado que la regulación de la metilación del ADN juega un rol fundamental en la diferenciación entre la reproducción apomíctica y la reproducción sexual. En este mismo sentido, investigaciones recientes en maíz permitieron la obtención de un mutante cuyo fenotipo se asemeja a la apomixis mediante diplosporia [7]. Este mutante presenta una falla en la proteína AGO104 lo que permite una alta frecuencia de gametos no reducidos. AGO104 controla procesos de metilación en las regiones centromericas de los cromosomas, lo que nuevamente evidencia un control epigenetico en la apomixis [7]. Sin embargo, el mutante obtenido esta lejos de tener un valor comercial, ya que aunque este recapitula los eventos de la apomixis mediante diplosporia, este carece por completo de partenogénesis, lo que impedía la obtención de progenie. De esta forma, nuevamente la evidencia sugiere que el control de muchos genes es requerido para la obtención de una planta apomíctica.

La complejidad genética encontrada en las últimas investigaciones en apomixis parecen decirnos que aún estamos lejos de la obtención de un maíz con el cual podamos producir semillas híbridas que se puedan clonar. Sin embargo, los científicos aun se muestran optimistas, aunque mucho mas prudentes con respecto a la finalidad de obtener un maíz comercial derivado de procesos apomícticos. De esta forma, Enrico Perotti miembro del Proyecto Apomixis dice: “Toda la situación relacionada con la apomixis me recuerda la película de 1902 de George Méliès, Viaje a la luna. En la película, simplemente dispararon una gran bala desde un cañón gigante hacia la luna y, después de un breve lapso, la bala chocó en la gigantesca órbita de queso. Sesenta y siete años más tarde, realmente aterrizamos en la luna, pero no antes de que hubiéramos desarrollado y comprendido cabalmente una enorme gama de tecnologías nuevas, así como los conceptos científicos básicos involucrados. Ahora, en nuestro trabajo sobre la apomixis, hemos llegado a la etapa en que comprendemos que nuestro enfoque inicial era demasiado sencillo y necesitamos saber más.” [9].

[1] Palacio, J. D. Clonación: Una cotidianidad en el mundo vegetal. Biogenic http://biogenic-colombia.blogspot.com/2011_06_01_archive.html.

[2] Vallejo, F., E. I. Estrada. 2002. Mejoramiento genético de plantas. Universidad Nacional de Colombia.

[3] CIMMYT. http://apps.cimmyt.org/english/docs/brochure/Apomixis/htm/apomixisbroch-engl.htm

[4] Ramulu, K. S., V. K. Sharma, T. N. Naumova, P. Dijkhuis and M.M. van Lookeren Campagne. 1999. Apomixis for crop improvement. Protoplasma 208: 196-205.

[5] Spillane, C., Steimer, A., and U. Grossniklaus. 2001. Apomixis in agriculture: the quest for clonal seeds. Sex Plant Reprod 14:179-187.

[6] Curtis, H., Barnes, N. S. 1995. Biología. Editorial Médica Panamericana.

[7] Singh, M., Goel, S., Meeley, R. B., Dantec, C., Parrinello, H., Michaud, C., Leblanc, O., and Grimanelli, D. 2011. Production of viable gametes without meiosis in maize deficient for an ARGONAUTE protein. Plant Cell 28 (2):448-458

[8] Grossniklaus, U., Nogler, G., and J. van Dijk, P. 2001. How to avoid sex: The genetic control of gametophytic apomixis. Plant Cell 13(7):1491-1498.

[9] CIMMYT. http://apps.cimmyt.org/spanish/docs/ann_report/s_recent_ar/S_D_Foster/s_apomixis.htm