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.

Si lo que queremos es emplear la biodiversidad existente para desarrollar procesos biotecnológicos, necesitamos en primer lugar saber que tenemos en biodiversidad, ¿pero como saber que tenemos si muchas veces no la conocemos? Los científicos conocen mejor cuántas estrellas hay en la vía láctea que especies, ecosistemas y genes en la Tierra. Hay cerca de 200 billones de estrellas [1], pero no sabemos con exactitud la riqueza de especies, reflejando lo impreciso de nuestro conocimiento, ya que se estima que existen entre 5 y casi 100 millones de especies [2], de las cuales solo se han descrito 1.257.735 [3]. Conviene anotar que por especie descrita, nos referimos a especies de las cuales se han descubierto ejemplares, recogido muestras, depositado en un museo, identificado como especies nuevas, y por último, asignado un nombre científico a través de una publicación científica. Por lo tanto, para alcanzar el conocimiento real de lo que tenemos a la velocidad de los descubrimientos actuales de 50 especies por día, y considerando 12.5 millones de especies como estimación conservadora, nos tomaría 685 años aproximadamente hallarlas. Esto nos conlleva a citar al biólogo Edward O. Wilson que escribió en 1993: "La biodiversidad es una de las riquezas más grandes del planeta, y no obstante la menos reconocida como tal..." [4].

Esta situación se hace más evidente en el caso de estudiar los insectos; en 1982, Terry Erwin, entomólogo del Instituto Smithsonian de los Estados Unidos, calculó el número de especies de insectos coleópteros que existirían en los trópicos, en 30 millones de especies [5]. Otro ejemplo son los microorganismos, en el caso de las bacterias, se han clasificado unas 4000 especies [6], sin embargo podría haber millones de nuevas especies por descubrir, en proporción asombrosa de hasta 10.000 especies desconocidas por cada especie descrita. Una estimación en 1990, estableció un número de 4.000 especies bacterianas por gramo de suelo como una medida limitante, ya que puede llegar a alcanzar intervalos entre 10.000 y 50.000 especies [7].

Por lo tanto tenemos todo un universo por explorar, una mina de oro verde para explotar, pero necesitamos de tecnologías que nos acorten el camino hacia el descubrimiento de la biodiversidad. El conocimiento de ésta podría ser muy útil para el avance de la ciencia y a su vez permitiría que países emergentes (usualmente ricos en biodiversidad) se vean compensados de un modo justo por su conservación y disponibilidad al servicio de la humanidad. Así por ejemplo, muchos de los medicamentos que usamos hoy en día proceden, directa o indirectamente, de fuentes biológicas; sin embargo se calcula que sólo se ha explorado el 1% de las plantas silvícolas como fuente potencial de fármacos [8]. Por otra parte tenemos los microorganismos que también juegan un papel importante en la industria alimenticia, y es a raíz de esta variedad de usos producidas por todos estos organismos que se da lugar a conceptos como: Biotecnología, Biotecnología Blanca, Roja, Azul y Verde, pero ¿qué es realmente la biotecnología? y ¿qué significan estos colores? En primer lugar, Biotecnología según el Convenio sobre Diversidad Biológica de 1992, podría definirse como "toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos" [9]. Esta disciplina surge desde hace miles de años cuando se observó que de la fermentación del jugo de uva puede obtenerse un vino, que la leche podía convertirse en yogurt, y que era posible hacer cerveza fermentando soluciones de malta y lúpulo [10]. Pero es en los años 70, con el descubrimiento de la restrictasa (enzima capaz de reconocer y cortar el ADN en secuencias específicas) por Hamilton Smith y Daniel Nathans (1970) que nace en sí la biotecnología moderna [11].

Posteriormente tenemos los colores de la biotecnología que se definen en función del mercado al que se dirigen, donde la biotecnología blanca hace referencia a las aplicaciones en la industria empleando herramientas de la naturaleza relacionadas con la industria química, los procesos industriales de procesamiento de materias primas, la generación de tejidos biológicos, la generación de combustibles (biocombustibles), la biodetergencia y la bioremediación [12]. Por su parte la biotecnología roja, comprende distintos ámbitos como el terapéutico, diagnóstico, salud animal e investigación biomédica, incluyendo el desarrollo de alimentos funcionales y nutracéuticos (un alimento o parte de un alimento que proporciona beneficios médicos o para la salud, incluyendo la prevención y/o el tratamiento de enfermedades [13]), y es quizás este tipo la que causará un mayor impacto en nuestra manera de vivir [14]. La verde, es la que involucra el campo (sectores agrícola, ganadero y forestal), pero también es conocida porque incluye los cultivos transgénicos (OMG, sigla en español para organismos modificados genéticamente); engloba la aplicabilidad al control de plagas (biocontrol), a la mejora de la calidad de la tierra (biofertilización) y la industria [15]. Y finalmente tenemos la Biotecnología Azul, que se ocupa de los nuevos productos que pueden obtenerse mediante la explotación de biodiversidad marina y la acuicultura [16].


¿Cuáles son esas tecnologías que pueden acercarnos más rápidamente al conocimiento de la biodiversidad?