A algunos (microbios) les gusta el calor Understand article

Traducción de Mariona Esquerda Ciutat. Las fuentes volcánicas de aguas hirviendo son el hogar de algunos microorganismos y la biotecnología esta encontrando utilidades en estos supervivientes microscópicos.

De pequeño, visitando el parque nacional de Yellowstone, USA, en los 90, recuerdo ver con asombro los colores brillantes de las fuentes termales que parecían pinturas. Mi curiosidad se izo todavía más aguda cuando aprendí que esos colores eran debidos a microorganismos, cosas vivientes que les encanta estar en condiciones extremas. Para mi era muy extraño que alguna cosa pudiera sobrevivir en unas condiciones de temperatura suficientes como para provocarte quemaduras severas. También aluciné cuando más tarde descubrí que enzimas digieren la suciedad en detergentes provienen de microorganismos que viven en ambientes completamente opuestos, en el agua a pocos grados por encima del punto de congelación. Según parece, la vida prospera en condiciones que nosotros consideraríamos letales. Algunas décadas más tarde, mi pasión por la química y mi fascinación por estos microorganismos han dado lugar a una carrera estudiándolos en Islandia, mi actual tierra adoptiva.

¿Qué son los termófilos?

El mundo diverso de la vida microbiana se expande por un rango de temperaturas muy amplio, des de por debajo del punto de congelación del agua hasta más allá del punto de ebullición. Los microbios que tienen preferencia por los ambientes calientes se llaman termófilos (del griego “afinidad por la temperatura”) y solo son uno de los diversos tipos de extremófilos que se pueden encontrar viviendo en condiciones extremas. Los termófilos no solo toleran las altas temperaturas, sino que prosperan creciendo mejor en condiciones de temperatura por encima de los 50ºC. Los hipertermófilos son los microrganismos que crecen de manera optima en un rango de temperaturas por encima de los 70ºC y los que prefieren ambientes fríos, por debajo los 15ºC, se llaman psicrófilos (figura1).

Graph showing the optimum temperature range of several different microorganisms
Figura 1: Gráfico mostrando el rango de temperatura optimo para diferentes organismos, incluyendo termófilos (en rojo) y bacterias ordinarias (en verde). El Clostridium AK1 (en amarillo)  es un microrganismo moderadamente termófilo.
Sean Michael Scully/Nicola Graf
Maximum growth rate (optical density): Ritmo de crecimiento máximo (densidad óptica), Psychrophilic boundary: Umbral de los Psicrófilos, Thermophilic boundary: Umbral de los Termofílicos, Hyperthermophilic boundary: Umbral de los Hipertermófilos
 

Algunos hongos y algas son capaces de crecer en ambientes de altas temperaturas, per la gran mayoría de termófilos son bacterias o unos microorganismos igualmente pequeños llamados arqueas. Estos organismos unicelulares en un principio estaban clasificados juntamente con las bacterias al no tener núcleo celular. Sin embargo, unos estudios de su complejo ADN revelaros que las arqueas son, de hecho, más próximas a los organismos multicelulares como los humanos que a las bacterias. Ahora están consideradas como uno de los tres dominios (súper-reinos) en los cuales se clasifican todas la formas de vida, juntamente con las bacterias y las células eucariotas (con núcleo). Innumerables tipos de arqueas habitan la sopa química y termal que se encuentra alrededor de los volcanes submarinos. Algunos científicos sostienen que la vida apareció en lugares como este.

Por aquí, por allí y por todas partes

Desde 1966, cuando se descubrieron por primera vez los termófilos viviendo en las fuentes volcánicas de Yelowstone, se han hallado en una gran variedad de sitios, desde el océano profundo hasta las montañas de compostaje, también en los calentadores de agua domésticos y en las piscinas de enfriamiento de los reactores nucleares. Hasta aparecen en las latas de comida, como es el caso de la bacteria Thermoanaerobacterium saccharolyticus. Esta bacteria puede sobrevivir os procedimientos de esterilización que destruyen otros microrganismos y a bajas temperaturas puede crecer a ritmos lentos dentro de la lata, dejando como residuo un gas que puede hacer estallar la lata. El hecho que los termófilos puedan vivir en ambientes tan diversos hace pensar que sus esporas están esparcidas por doquier esperando las condiciones mejores para hacer florecer la vida.

Mi interés por los termófilos se centra en los que viven en los accidentes geotérmicos como las fuentes termales, las piscinas de barro hirviendo, géisers de vapor, ventilaciones volcánicas y sulfurosas de vapor llamadas solfataras. Estos lugares se encuentran en diferentes partes del planeta, desde Italia y Islandia hasta Yellowstone (EEUU) y Kamchatka, a la Rusia del Este. El aislamiento geográfico de estos accidentes geotérmicos favorece que haya especies únicas de bacterias que evolucionen, aunque haya algunos termófilos que se puedan encontrar en todas partes.

Volcanically heated water provides ideal conditions for thermophiles in Iceland’s many geothermal hot spots
El agua calentada por los volcanes ofrece las condiciones ideales para los termófilos en muchos de loas puntos calientes que hay en Islandia, como es el caso de esta fuente termal en Grensdalur.
Sean Michael Scully
 

Otro aspecto interesante de las zonas termales es que a menudo hay unos gradientes de temperatura muy altos, las zonas más profundas de las aguas hay una temperatura mucho más elevada que en superficie. Diferentes especies de termófilos encuentran su lugar favorito en diferentes puntos a lo largo del gradiente de temperaturas. Los que pueden hacer la fotosíntesis, como las cianobacterias, se establecen en las áreas más frías, mientras que las que no son tan coloreadas viven en zonas más profundas y de temperaturas más extremas. El resultado es una “alfombra microbiana” multicolor que cubre la roca, donde cada zona de color diferente representa la diferente bioquímica de los organismos presentes; desde el amarillo-verdoso de los que pueden hacer la fotosíntesis, hasta las diversas tonalidades de los que obtienen su energía metabolizando el hidrógeno, hierro o compuestos de azufre. Un ejemplo famoso sobre alfombras microbianas multicolores se puede ver en la Gran Fuente Prismática a Yellowstone, pero el mismo fenómeno se puede encontrar en Islandia y muchos otros lugares.

Grand Prismatic Spring in Yellowstone Park, USA.
Gran Fuente Prismática en el parque Yellowstone, EEUU. Los colores son debidos a una alfombra de microbios formada por termófilos.
G_K_N/Flickr, CC BY-ND 2.0

Enzimas a prueba de fuego

Los termófilos deben su capacidad de sobrevivir a sus enzimas, las moléculas que llevan a cabo la mayor parte de la química de la vida, trabajando como catalizadores en el interior de las células vivas. Las enzimas son proteínas y la mayoría de ellas se destruyen a causa de las altas temperaturas. Por ejemplo, si fríes un huevo la temperatura desnaturalizará las moléculas de proteína haciendo cambiar su forma permanentemente. En cambio, las enzimas de los termófilos son estables a altas temperaturas, de modo que no solo pueden seguir trabajando a altas temperaturas, sino que además trabajan mejor.

Taq polymerase enzyme
La enzima Taq polymerase,
derivado a partir de una
bacteria termófila y utilizada
para replicar ADN.

ibreakstock/Shutterstock.com
 

Un ejemplo muy famoso sobre enzimas térmicamente estables es la Taq Polimerasa, llamada así por el Thermus aquaticus, un termófilo encontrado en Yellowstone. Hoy en día la enzima Taq se utiliza en todos los laboratorios del mundo en un proceso llamado reacción en cadena de la polimerasa (PCR, en inglés Polymerase Chain Reaction). Este proceso sirve para replicar moléculas de ADN de muestras pequeñas. Antes de la Taq, este era un proceso laborioso y caro que involucraba repetitivos ciclos de calentar y enfriar, y añadir nuevas enzimas (una polimerasa que se desnaturaliza a las altas temperaturas) a cada estado frío. Con la Taq el proceso es automático, se puede hacer a altas temperaturas y solo requiere una baja cantidad de enzimas. En solo unas horas, el proceso PCR puede copiar una única molécula de ADN 100 mil millones de veces, y hacer que una pequeñísima muestra de fluido corporal de la escena de un crimen contenga suficiente material genético para crear una huella de ADN.

Aún que el proceso Taq PCR haya revolucionado la biología molecular y la medicina forense, las enzimas termófilas no sólo son útiles en los laboratorios de genética. La utilización de estas enzimas se está extendiendo en numerosas industrias, desde las alimentarias hasta fabricas. Por ejemplo, el jarabe de fructosa de maíz utilizado como edulcorante en bebidas se hace calentando hasta la ebullición una disolución de maíz y digiriéndolo con un conjunto de enzimas termófilas que toleran altas temperaturas. El hecho de mantener la disolución de maíz a altas temperaturas tiene mas ventajas a parte de hacer el proceso más rápido, hace que el fluido sea menos viscoso y por lo tanto más fácil de trabajar y también mantiene al margen a los microrganismos que lo estropearían.

Un empujón a los biocombustibles

Producir bebidas dulces de un modo más eficiente no parece ser un gran avance para la sociedad, pero hay otras aplicaciones de los termófilos que podrían ser de un gran beneficio para el planeta. El más significante de ellos puede ser el potencial uso de los termófilos para producir biocombustibles (Scully & Orlygsson, 2014).

A parte de los combustibles fósiles, el material orgánico más abundante en la Tierra es la celulosa, los carbohidratos duros y fibrosos que hacen las plantas para sostener sus paredes. La celulosa esta por todas partes, constituye la mayor parte de la masa de la madera, cotón, papel y todo tipo de residuos vegetales como las cerraduras. Si se pudiera encontrar un mecanismo que transformase la celulosa en biocombustible, sería una alternativa de emisión-cero a los combustibles fósiles.

Diversos termófilos son capaces de degradar la celulosa para producir azúcares o unas moléculas de carbohidratos un poco más grandes llamadas oligosacáridos que consiste en unas cuantas moléculas de azúcar unidas. Estos productos podrían ser fermentados y transformados en alcohol o hidrógeno, los cuales son buenos combustibles. Además, los termófilos pueden ayudar este segundo paso. Aunque la levadura es lo que más se utiliza para fermentar, los termófilos pueden fermentar una gran variedad de azúcares. Por ejemplo, la bacteria Thermoanaerobacter ethanoli, puede digerir la mayoría de los azúcares que constituyen la celulosa como la xilosa, galactosa y manosa produciendo alcohol (etanol) como resultado.

Las bacterias Clostridium thermocellum Caldicellulosiruptor saccharolyticus pueden llevar a cabo los dos procesos por si solos, romper la celulosa directamente y fermentando la glucosa para obtener una mezcla de productos como hidrógeno, ácido acético y etanol.

Estas especies están en el foco de la investigación actual de los biocombistibles, pero hay obstáculos que se deben superar. Un reto es encontrar un termófilo que pueda tolerar altos niveles de etanol sin ser intoxicado, un paso que puede requerir modificaciones genéticas. Alternativamente se puede ir retirando el etanol constantemente de modo que no llegue a niveles tóxicos.

Perspectivas de futuro

El potencial tecnológico así como el comercial de los organismos termófilos es enorme. En el año 1991, la empresa americana de biotecnología que desarrolló la técnica del Taq PCR vendió su patente por más de 300 millones de dólares, pero ningún dólar de los ingresos fue devuelto al parque nacional de Yellowstone, la fuente original de las enzimas. Hoy en día hay regulaciones estrictas que determinan que es lo que los “bioprospectores” pueden o no pueden extraer de la zona y a demás aseguran que los futuros beneficios derivados de la extracción serán compartidos. Estas medidas pueden ayudar a asegurar la supervivencia de estos ecosistemas únicos y maravillosos para encontrar nuevas utilidades tecnológicas y inspirar a futuras generaciones de científicos en potencia.

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Author(s)

Sean Michael Scully es un profesor en la Universidad de Akyreyri al norte de Islandia. Después de iniciar su carrera científica a los EEUU y dedicar un tiempo trabajando en la industria química, emigro hacia Islandia. Su formación es en química orgánica y microbiología. Su investigación se centra en la aplicación biotecnológica de las bacterias extremófilas y sus enzimas.


Review

Este articulo anima a los lectores a indagar sobre los organismos microscópicos llamados termófilos y su enorme potencial tecnológico. Los termófilos son la excepción a la regla en relación a su actividad enzimática, de modo que el artículo puede ser utilizado como estímulo para éstos temas como, función enzimática, metabolismo celular y la microbiología y sus aplicaciones.

También se podría utilizar el artículo como un ejercicio de comprensión, incluyendo preguntas como las siguientes:

  • ¿Como afecta el entorno físico de la célula a su actividad enzimática?
  • ¿Como se podría utilizar los termófilos para proteger nuestro planeta contra los gases de efecto invernadero?

Este artículo también podría ser utilizado de base para una clase de arte, con las fotografías de los termófilos llenos de color actuando como estímulo de belleza de la naturaleza para los estudiantes.


Alina Giantsiou-Kyriakou, profesora de biologia, Livadia High School, Larnaca, Cyprus




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