BIOGENIC Biólogos Genetistas Colombianos

Imagine por un instante que esta de vacaciones en una playa paradisíaca y que toma un baño en las refrescantes aguas del mar. Ahora, cambie el escenario y piense que en lugar de la placentera agua del mar, está a punto de saltar en un géiser que contiene agua hirviendo o en las profundidades del mar donde la temperatura del agua puede estar cerca del punto de congelación. O más extremo aún, considere saltar en una piscina con ácido sulfúrico o soda cáustica. Este salto podría ser desastroso para su vida, sin embargo, muchos microorganismos consideran este tipo de ambientes prohibidos para los humanos como su hogar. Estos microorganismos han sido llamados extremófilos (del Latin extremus que significa extremo y del Griego philiā que significa amor) debido a que son capaces de desarrollar sus ciclos de vida bajo condiciones que para los humanos son extremas [1]. En este corto ensayo dedicado a los microorganismos extremófilos (organismos unicelulares incluídos en los dominios bacteria y archaea), se revisará la clasificación que se ha hecho de ellos y como han sido utilizados para el desarrollo de técnicas moleculares y algunas aplicaciones industriales.

Clasificación

El planeta tierra contiene una gran cantidad de ambientes que dentro de una perspectiva antropocéntrica pueden considerarse extremos, por esta razón el concepto de “extremo”, es un poco arbitrario, pero puede referirse a cualquier lugar del planeta donde las condiciones normales de temperatura, presión, humedad, salinidad, pH (grado de acidez o alcalinidad de una solución), calidad del aire, luz, tipo y disposición de nutrientes o cualquier otra condición, no permita el desarrollo de la vida de los seres humanos. Si revisamos las condiciones de la biosfera, gran parte de ella puede ser considerada como un ambiente extremo. Por ejemplo, ambientes por debajo de los cinco grados centígrados (5ºC), que pueden restringir la colonización humana, representan más del 80% de la biosfera [2]. Además, si exploramos el pasado geológico de nuestro planeta, las condiciones en las que la vida se originó y desarrolló (ver nuestro anterior artículo [3]) también podrían ser consideradas como extremas, y estas primeras formas de vida, como extremófilas.

La clasificación de los microorganismos extremófilos se ha basado en las condiciones de los ambientes en los que sobreviven, tal como se puede observar en la tabla 1. Sin embargo, esta clasificación no es exclusiva y muchos pueden ser agrupados en múltiples categorías. Por ejemplo, microorganismos que viven en las grandes profundidades del mar pueden ser considerados termófilos y barófilos (microorganismos que prefieren condiciones de altas temperaturas y presión respectivamente).

Tabla 1. Clasificación de los microorganismos según las condiciones del medio en el que se desarrollan [2, 4-9]

Aplicaciones de los microorganismos extremófilos

A pesar de que los microorganismos extremófilos se mantengan al margen de nuestro “armónico” entorno, ellos nos ofrecen muchas opciones de uso. No solo algunos ambientes naturales son extremos, nosotros también durante el desarrollo de nuestras actividades cotidianas creamos ambientes extremos. Por ejemplo, en el interior de nuestras lavadoras, las condiciones de pH suelen ser alcalinas o en el interior de nuestros refrigeradores las temperaturas son bajas. Sin embargo, a pesar de lo extremas que pueden ser estas condiciones, necesitamos que ciertos procesos se desarrollen a su interior. Por un lado en la lavadora necesitamos que las manchas y malos olores desaparezcan de nuestra ropa y en las neveras necesitamos conservar los alimentos sin que estos pierdan su calidad. En la actualidad el mantenimiento de estos procesos en ambientes extremos está siendo mediado por la actividad de enzimas (catalizadores biológicos) que son las responsables de mantener las funciones de los microorganismos extremófilos en sus ambientes hostiles, las cuales no solo han favorecido procesos como el lavado de la ropa o la conservación de alimentos, si no también han sido fundamentales en algunos procesos industriales y han sido clave en el desarrollo de técnicas usadas en la investigación científica.

Las enzimas, al ser catalizadores biológicos, permiten e incrementan la velocidad de muchas reacciones sin la necesidad de aplicación de energía, reduciendo costos. Sin embargo, la eficiencia de las enzimas, que son proteínas, están muy limitadas por las condiciones ambientales, y muchos de los procesos enzimáticos que conocemos son llevados a cabo bajo condiciones ambientales relacionadas con nuestro entorno, que como ya lo discutimos posee unas condiciones ambientales muy definidas. Una de las motivaciones que ha tenido la “cacería” de microorganismos extremófilos es la búsqueda de enzimas que pueda ser aplicable en procesos que se llevan a cabo bajo condiciones extremas, a estas enzimas se les ha dado el nombre de extremoenzimas.

Los microorganismos termófilos, los amantes de altas temperaturas, o en esencia que necesitan de estas condiciones, han sido tal vez los más estudiados [7]. Estos se desarrollan en temperaturas superiores a los 45ºC, llegando incluso a ser encontrados en ambientes alrededor de los 113ºC [10]. Tal vez el mejor ejemplo del uso de extremoenzimas sea la utilización de la enzima para la polimerización de ADN extraída del microorganismo extremófilo Thermus aquaticus. Este termófilo que se desarrolla en temperaturas de 70ºC, fue aislado en aguas termales en el Parque Yellowstone, en los Estados Unidos a finales de la década del 60 [11]. Este descubrimiento, permitió posteriormente el desarrollo de la revolucionaria técnica molecular de reacción en cadena de la polimerasa (PCR) a mediados de la década del 80 [12]. La industria de alimentos también ha sacado ventaja de las propiedades de las extremoenzimas, utilizándolas para estabilizar sustancias volátiles (como los flavonoides) en productos elaborados con harinas de maíz y la estabilidad de algunas medicinas cuando están en el interior de nuestro cuerpo [13].

Los microorganismos psicrófilos (los amantes del frío) poseen una gran variedad de ambientes en los cuales pueden sobrevivir debido a que los ambientes fríos suelen ser más comunes en el planeta que los calientes. Por ejemplo, los océanos mantienen una temperatura promedio de alrededor tres grados centígrados (3ºC) y grandes áreas en los Polos permanecen congeladas la mayor parte del año [7]. Los psicrófilos han despertado el interés de las industria que necesitan de cadenas de frío para la conservación de sus productos, tales como la industria de alimentos, que utilizan enzimas que sean funcionales en refrigeradores mientras los alimentos se conservan, en la industria de cosméticos y fragancias, por que necesitan evitar la evaporación de las sustancias aromáticas [7].

Entre los otros grupos de extremófilos que están siendo objeto de interés por parte de la industria están los acidófilos y los alcalófilos. Debido a las condiciones ácidas de los sistemas digestivos de los vertebrados (dentro de los que nos incluimos), los productores de alimentos han estado muy interesados en encontrar enzimas que continúen funcionado bajo estas condiciones de acidez y permitan una mejor digestión de los alimentos. Sin embargo, la más común de las aplicaciones de las enzimas extraídas de estos extremófilos ha sido usada para la producción de detergentes. Para trabajar efectivamente, los detergentes deber ser capaces de hacer frente a las manchas de comida y otras fuentes de grasa. Para lograr una efectiva acción de los detergentes, los fabricantes han adicionado enzimas que degradan proteínas (proteasas) y grasas (lipasas) a los detergentes. Sin embargo, los detergentes tienden a ser alcalinos y estas condiciones destruyen las enzimas disponibles en el mercado, por esta razón fue necesario recurrir a los microorganismos alcalófilos para obtener enzimas capaces de facilitar la acción de los detergentes. Otra interesante aplicación de las enzimas extraídas de estos microorganismos son las usadas para producir jeans con apariencia desgastada, para ello son usadas enzimas que degradan la celulosa del algodón y pigmentos, permitiendo el desgaste del tejido logrando así que adquiera su apariencia usada [7].

Después de revisar las preferencias ambientales y las utilidades de los microorganismos extremófilos, es claro que por los diversos ambientes en los que pueden prosperar, el concepto de “condiciones ideales” para el desarrollo de la vida se amplía un poco y permite incluso considerar las posibilidades de encontrar vida en otras partes del Universo. Por otro lado, la exploración y el uso de estos microorganismos apenas está comenzando y es evidente el potencial que existe en ellos. Este tema toma relevancia en países tan diversos como el nuestro, donde la exploración de esta diversidad y sus aplicaciones pueden abrir una opción real de desarrollo a partir de nuestra riqueza biológica.

Bibliografía

1. Macelroy, R.D. Some comments on the evolution of extremophiles. 1974. Biosystems, 6(1):74-75.

2. Cavicchioli, R., R. Amils, D. Wagner, and T. McGenity. 2011. Life and applications of extremophiles. Environmental Microbiology. 13(8):1903-1907.

3. Quimbaya, M., 2011. El micro-origen de todo lo que conocermos como vida. http://biogenic-colombia.blogspot.com

4. Cavicchioli, R. 2011. Archaea — timeline of the third domain. Nature Reviews Microbiology. 9: p. 51-61.

5. Rothschild, L.J. and R.L. Mancinelli. 2001. Life in extreme environments. Nature. 409:1092-1101.

6. Rothschild, L.J., 2002. Exploiting a hostile world. Nature. 417(6889):593-593.

7. Madigan, M.T. and B.L. Marrs. 1997. Extremophiles. Scientific American. April:82-87.

8. Macintyre, I.G., L. Prufert-Bebout, and R.P. Reid. 2000. The role of endolithic cyanobacteria in the formation of lithified laminae in Bahamian stromatolites. Sedimentology. 47:915-921.

9. Hernández-García, A. 2011. Anhydrobiosis in bacteria: From physiology to applications. Journal of Biosciences. 36(5):1-12.

10. Blöchl, E., R. Rachel, S. Burggraf, D. Hafenbradl, H.W. Jannasch, and K.O. Stetter. 1997. Pyrolobus fumarii, gen. and sp. nov., represents a novel group of archaea, extending the upper temperature limit for life to 113 C. Extremophiles. 1(1):14-21.

11. Brock, T.D. and H. Freeze. 1969. Thermus aquaticus gen. n. and sp. n., a nonsporulating extreme thermophile. Journal of Bacteriology. 98(1):289-297.

12. Saiki, R.K., S. Scharf, F. Faloona, K.B. Mullis, G.T. Horn, H.A. Erlich, and N. Arnheim. 1985. Enzimatic amplification of B-globin genomic sequences and restriction site analysis for diagnosis of sickle cell anemia. Science. 230:1350-1354

13. Biwer, A., G. Antranikian, and E. Heinzle. 2002. Enzymatic production of cyclodextrins. Applied Microbiology and Biotechnology. 59(6):609-617.