‘Materia oscura’ biológica

Hay más microbios en la Tierra que estrellas en el cielo, y sólo conocemos una muy pequeña fracción de la diversidad microbial a nuestro alrededor. En un esfuerzo por comprender más sobre la “materia oscura microbial”, un grupo de investigadores están secuenciando y analizando muestras recolectadas de varios puntos del planeta (Composición de Zosia Rostomian, Berkeley Lab)

La “materia oscura microbiana” es la siempre presente, aunque prácticamente invisible, infraestructura de vida en el planeta, y que puede tener una influencia profunda en los procesos medioambientales más significativos: desde el crecimiento y salud de las plantas, hasta ciclos nutrientes en el medio marino y terrestre, el ciclo global del carbono y muy posiblemente los procesos climáticos.

Por medio del empleo de las novísimas técnicas de secuenciación de ADN en genomas aislados de células individuales, se realizan grandes avances en la tarea monumental de arrojar luz sistemáticamente y comprender las ramas bacterial y arqueal del árbol de la vida.

En una colaboración internacional encabezada por el Instituto Genome Joint del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE JGI),  los más recientes descubrimientos obtenidos a partir del estudio de la materia oscura microbial se publicaron el 14 de julio en la revista Nature (acceso abierto).

“Este es un excelente ejemplo de los descubrimientos pioneros del DOE JGI, en el cual podemos tener un enfoque de alto rendimiento para aislar y caracterizar genomas individuales a partir de muestras complejas de millones de células para alcanzar una comprensión profunda de la evolución microbial en nuestro planeta. Esta es realmente la próxima gran frontera”.

La campaña de materia oscura microbial tuvo como objetivo células microbiales sin cultivar de nueve hábitat diversos: Lago Sakinaw, de Columbia Británica, El lago Etoliko, del occidente de Grecia, lodo de México, el Golfo de Maine, costa norte de Oahu, Hawaii,  el trópico del Atlántico Sur, el dorsal del Pacífico Oriental,  Dakota del Sur y Nevada

A partir de estas muestras, el equipo seleccionó 9,000 células, de las cuales pudo ensamblar e identificar 201 genomas diferentes, los cuales a su vez fueron organizados en 28 grandes ramas inexploradas del árbol de la vida.

“Los microbios son la forma de vida más abundante y diversa en la Tierra”, indicó Tanja Woyke. “Ocupan cualquier nicho imaginable del medio ambiente, desde las profundidades del océano hasta el desierto más crudo.

Sin embargo, nuestro conocimiento de sus hábitat y beneficios potenciales ha sido poco investigado por el hecho que la mayoría de ellos no han sido cultivados en laboratorio. Sólo de manera reciente hemos tenido conciencia de su papel en varios ecosistemas a través de métodos de cultivo independientes, tales como metagenómica y genómica de célula individual.

Lo que ahora estamos descubriendo son características metabólicas inesperadas que amplían nuestra mejor comprensión de la biología y cambian las fronteras aceptadas y establecidas entre los dominios de la vida.”

Para abordar la dificultad de hacer crecer la mayoría de microbios en laboratorios, los esfuerzos recientes se han centrado en realizar estudios basados en utilizar marcadores de secuencia (16S ribosomal ARN) en genes que se mantienen a través de linajes microbiales por su papel esencial como genes de “limpieza” –críticos para la sobrevivencia del organismo.

La secuenciación del resto de genomas de la mayoría de estos linajes es, sin embargo, mucho más lento. “La representación del genoma microbial en las bases de datos está muy sesgada”, indicó Chris Rinke, también autor de este estudio.

“Más de tres cuartos de todos los genomas secuenciados caen dentro de tres grupos taxonómicos o phyla, pero existen más de 60 phyla conocidos en la actualidad”. Para una gran mayoría de ellos, sin embargo, no tenemos cultivos disponibles.

“Basados en estudios 16S sabemos que están allí, pero no sabemos casi nada de ellos –es por eso que le damos el nombre de materia oscura microbial“, añadió Woyke. “Por medio del uso de técnicas de célula individual fue posible tener acceso a su conformación genética en algunos de ellos, incluso sin cultivarlos en laboratorio”.

En este esfuerzo por “buscar nuevos tipos de vida”, los descubrimientos realizados por el equipo caen en tres áreas principales. La primera fue el descubrimiento de características metabólicas inesperadas.  Observaron ciertos rasgos en arqueas que sólo habían sido detectadas en bacterias, y viceversa.

Una de esas características involucra una enzima que la bacteria usa comúnmente para crear espacio dentro de la pared celular protectora, lo cual es requerido para, por ejemplo, expandirse durante la división celular. A medida que genéricamente escinde la capa de protección de la célula bacterial, requiere ser estrechamente regulada. Por vez primera, un grupo de arqueas fue visto codificando esta potente enzima y los autores teorizaron que las arqueas podrían utilizarlo como mecanismo de defensa contra el ataque de bacterias.

La segunda contribución surgida de esta investigación  es la reasignación correcta de información de alrededor 340 millones fragmentos de ADN de otros hábitat al linaje apropiado. Esta corrección de curso revela la manera en que los organismos funcionan en el contexto particular de un ecosistema, así como una mejor y más exacta comprensión de las asociaciones de genes recientemente descubiertos con formas residentes de vida.

El tercer descubrimiento fue la resolución de relaciones dentro de un phyla microbial y entre ellas –la ubicación taxonómica entre dominio y clase– lo cual llevó al equipo de trabajo a proponer una nueva superphyla, que representa asociaciones altamente estables entre los phyla.

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