Actualizado 03/03/2021 17:36 CET

Una simbiosis basada en respiración y transferencia de energía

La figura es una composición de una imagen de microscopio electrónico de barrido e imágenes de fluorescencia.
La figura es una composición de una imagen de microscopio electrónico de barrido e imágenes de fluorescencia. - MAX PLANCK INSTITUTE FOR MARINE MICROBIOLOGY

   MADRID, 3 Mar. (EUROPA PRESS) -

   Un equipo internacional de investigadores ha descubierto una bacteria única que vive dentro de un eucariota unicelular y le proporciona energía, en una nueva forma de simbiosis.

   A diferencia de las mitocondrias, este llamado endosimbionte deriva energía de la respiración del nitrato, no del oxígeno.

"Esta asociación es completamente nueva. Una simbiosis basada en la respiración y la transferencia de energía no tiene precedentes hasta la fecha", resalta Jana Milucka, investigadora del Max Planck Genome Center y autora principal del estudio publicado en la revista 'Nature' junto con investigadores de Bremen y del instituto de investigación acuática Eawag de Suiza.

   En general, entre los eucariotas, las simbiosis son bastante comunes. Los huéspedes eucariotas a menudo coexisten con otros organismos, como las bacterias. Algunas de las bacterias viven dentro de las células o tejidos del huésped y realizan ciertos servicios, como defensa o nutrición. A cambio, el anfitrión proporciona refugio y condiciones de vida adecuadas para el simbionte. Una endosimbiosis puede incluso llegar tan lejos que la bacteria pierde su capacidad de sobrevivir por sí sola fuera de su huésped.

   Este fue también el caso de la simbiosis descubierta por los científicos de Bremen en el lago Zug, en Suiza. "Nuestro hallazgo abre la posibilidad de que eucariotas unicelulares simples, como los protistas, puedan albergar endosimbiontes que proporcionan energía para complementar o incluso reemplazar las funciones de sus mitocondrias --dice Jon Graf, primer autor del estudio, citado por Phys.org--. Este protista ha logrado sobrevivir sin oxígeno al trabajar en equipo con un endosimbionte capaz de respirar nitratos".

   El nombre del endosimbionte 'Candidatus Azoamicus ciliaticola' refleja esto: se trata de un 'amigo del nitrógeno' que habita dentro de un ciliado.

   Hasta ahora, se ha asumido que los eucariotas de ambientes libres de oxígeno sobreviven a través de la fermentación, ya que las mitocondrias requieren oxígeno para generar energía. El proceso de fermentación está bien documentado y se ha observado en muchos ciliados anaeróbicos. Sin embargo, los microorganismos no pueden extraer tanta energía de la fermentación y, por lo general, no crecen ni se dividen tan rápido como sus homólogos aeróbicos.

   "Nuestro ciliado ha encontrado una solución para esto --explica Graf--. Ha engullido a una bacteria con la capacidad de respirar nitrato y la ha integrado en su célula. Estimamos que la asimilación tuvo lugar hace al menos 200 a 300 millones de años". Desde entonces, la evolución ha profundizado aún más esta asociación íntima.

   La evolución de las mitocondrias se ha desarrollado de manera similar. "Todas las mitocondrias tienen un origen común", explica Jana Milucka. Se cree que hace más de mil millones de años, cuando una arqueona ancestral engulló una bacteria, estas dos iniciaron una simbiosis muy importante: este evento marcó el origen de la célula eucariota.

   Con el tiempo, la bacteria se integró cada vez más en la célula, reduciendo progresivamente su genoma. Las propiedades que ya no eran necesarias se perdieron y solo se conservaron las que beneficiaban al huésped. Así, las mitocondrias evolucionaron hasta como las conocemos hoy. Tienen sus propias genoma diminuto, así como una membrana celular, y existen como los llamados orgánulos en eucariotas. En el cuerpo humano, por ejemplo, están presentes en casi todas las células y les suministran, y por lo tanto a nosotros, energía.

    "Nuestro endosimbionte es capaz de realizar muchas funciones mitocondriales, aunque no comparte un origen evolutivo común con las mitocondrias --destaca Milucka--. Es tentador especular que el simbionte podría seguir el mismo camino que las mitocondrias y eventualmente convertirse en un orgánulo".

   De hecho, es sorprendente que esta simbiosis haya permanecido desconocida durante tanto tiempo. Una posible respuesta es que nadie estaba al tanto de esta posibilidad y, por lo tanto, nadie la estaba buscando.

   Estudiar las endosimbiosis es un desafío, ya que la mayoría de los microorganismos simbióticos no se pueden cultivar en el laboratorio. Sin embargo, los avances recientes en los análisis metagenómicos nos han permitido obtener una mejor comprensión de la compleja interacción entre anfitriones y simbiontes.

   Originalmente, los científicos de Bremen buscaban algo más. El Grupo de Investigación sobre Gases de Efecto Invernadero del Instituto Max-Planck de Microbiología Marina investiga los microorganismos implicados en el metabolismo del metano. Para ello, han estado estudiando las capas de aguas profundas del lago Zug.

   El lago está muy estratificado, lo que significa que no hay intercambio vertical de agua. Por tanto, las capas de aguas profundas del lago Zug no tienen contacto con las aguas superficiales y están en gran parte aisladas. Por eso no contienen oxígeno pero son ricos en compuestos de metano y nitrógeno, como el nitrato.

   Mientras buscaba bacterias que comen metano con genes para la conversión de nitrógeno, Graf encontró una secuencia de genes sorprendentemente pequeña que codificaba la vía metabólica completa para la respiración de nitratos.

   "A todos nos sorprendió este hallazgo y comencé a comparar el ADN con secuencias de genes similares en una base de datos --recuerda Graf--. Pero el único ADN similar pertenecía al de los simbiontes que viven en pulgones y otros insectos. Esto no tenía sentido. ¿Cómo entrarían los insectos en estas aguas profundas? ¿Y por qué?".

   Los científicos del grupo de investigación comenzaron a intentar comprenderlo y al final prevaleció un pensamiento: el genoma debe pertenecer a un endosimbionte aún desconocido. Para verificar esta teoría, los miembros del equipo de investigación realizaron varias expediciones al lago Zug. Con la ayuda del socio de cooperación local Eawag, recolectaron muestras para buscar específicamente el organismo que contiene este endosimbionte único.

   En el laboratorio, sacaron varios eucariotas de las muestras de agua con una pipeta. Por último, utilizando un marcador genético, fue posible visualizar el endosimbionte e identificar su huésped protista.

   Se suponía que una última excursión hace un año traería la certeza definitiva. Fue una empresa difícil en pleno invierno. El clima tormentoso, la niebla densa y la presión del tiempo debido a las primeras noticias sobre coronavirus, así como un posible confinamiento, hicieron que la búsqueda en el gran lago fuera aún más difícil. No obstante, los científicos lograron recuperar varias muestras de aguas profundas y llevarlas a Bremen.

   Estas muestras les proporcionaron la confirmación final de su teoría. "Es bueno saber que están juntos allí -- comenta Jana Milucka--. Normalmente, estos ciliados comen bacterias. Pero éste dejó a uno vivo y se asoció con él".

   No obstante, este hallazgo provoca muchas preguntas nuevas como si hay simbiosis similares que han existido mucho más tiempo y donde el endosimbionte ya ha cruzado el límite a un orgánulo o, si existe tal simbiosis para la respiración de nitratos, si puede haber también para otros compuestos. "Ahora que sabemos lo que estamos buscando, encontramos las secuencias de genes del endosimbionte en todo el mundo", asegura Milucka.