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Ecología microbiana: una nueva ciencia para un nuevo siglo

 

Valeria Souza, Ana E. Escalante, Ana M. Noguez, Laura Espinoza, René Cerritos y Luis E. Eguiarte.

 

1. ¿Qué es la ecología microbiana y qué estudia?

La visión general sobre la ecología es meramente antropocéntrica y está relacionada con los problemas de contaminación y en el mejor de los casos con la interacción que el hombre tiene con su ambiente. Sin embargo, las interacciones de los organismos con su entorno comenzaron desde el origen de la vida y han moldeado a nuestro planeta. Por lo que entender el pasado y futuro evolutivos de la vida en la Tierra requiere de un entendimiento de la naturaleza de la vida y de los modos en los que ésta ha surgido y evolucionado en el ambiente con sus componentes bióticos y abióticos. Para nosotros, los ecólogos bacterianos, la pregunta central es tratar de discernir porqué los organismos están en un sitio dado con ciertas abundancias en un tiempo determinado. Dentro del marco de estudio de la ecología es importante evaluar la diversidad, abundancia y distribución de los organismos a diferentes escalas que van desde el paisaje, el ecosistema, las comunidades y finalmente las poblaciones de las diversas especies.

Y ¿por qué es importante estudiar la ecología? Estudiar la ecología de cualquier organismo nos permite entender muchas cosas, no sólo relacionadas al organismo en cuestión sino del ecosistema al que pertenece, los datos ecológicos nos dan información sobre la historia de los organismos y de su ecosistema así como sobre las cadenas tróficas y los procesos demográficos. Todo esto nos ha permitido formular teorías sobre los cambios ecológicos que ha sufrido y sufrirá nuestro planeta. En otras palabras, entender la ecología nos ayuda a comprender cómo interaccionan los organismos con su ambiente y cómo ambos cambian debido a estas interacciones, comprender la ecología significa entender los sutiles cambios en el tiempo que constantemente llevan a la adaptación de los organismos. Así, comprender la ecología es entender, en parte, la evolución.

Entonces, si estudiar la ecología es tan importante ¿por qué hay tan poca información para los microorganismos? La principal razón es que ver, caracterizar y contar bacterias no es tan fácil como estudiar plantas o mamíferos. Sin embargo, gracias al descubrimiento de diferentes estrategias moleculares que permiten identificar a los microorganismos a partir de su DNA ahora podemos caracterizar y contar bacterias casi tan fácilmente como lo hace un ecólogo de plantas o animales. Adicionalmente, los métodos moleculares han abierto nuevas posibilidades de análisis de la función bacteriana. En el capítulo veremos como se ha avanzado en algunos de los aspectos que consideramos más interesantes de la ecología microbiana en los albores del siglo XXI.

 

2. Diversidad y coexistencia

La biomasa de microorganismos terrestres en la superficie de nuestro planeta ha sido estimada como igual a la de todas las plantas marinas y terrestres y tal vez sea el constituyente principal de la biomasa de la Tierra, 1, 2. A pesar de que la diversidad genómica de los microorganismos en el agua y en el suelo puede ser distinta, el número máximo de individuos que integran el taxón dominante es similar: ˜ 104-105 individuos por gramo o mililitro. Este hallazgo sugiere que debe existir algún mecanismo o mecanismos que controlen la densidad de los taxa y que estos deben funcionar de manera más o menos similar en todos los ambientes, mientras que los mecanismos que controlan la diversidad total de la comunidad bacteriana funcionan de modos distintos en agua y suelo. Existen algunas ideas sobre los mecanismos que controlan la diversidad procarionte y ambas tienen que ver con la ecología:

 

a. Interacciones tróficas

Hutchinson, 3, se preguntaba por qué hay tantas especies de fitoplancton en un medio aparentemente homogéneo, en donde todas las especies presentes parecen competir por el mismo tipo de nutrimentos. Dentro de los procariontes los competidores pueden coexistir si existe algún mecanismo de pérdida selectiva de especies que evite que los competidores más exitosos secuestren todos los recursos, 4, 5, 6. Por ejemplo, existe depredación selectiva en tamaño, llevada a cabo por protozoarios, lo que permite la coexistencia de bacterias y fitoplancton de diferentes tallas, esta interacción determina cómo se distribuye la biomasa en grupos funcionales. Otra interacción frecuente en el mundo de las comunidades microscópicas es la que existe entre virus y bacterias, este parasitismo es generalmente específico y ello permite la coexistencia de varios taxa de bacterias en una comunidad. Este tipo de interacción ha sido asociada con la especiación dentro de grupos funcionales, 7 pues la transferencia horizontal mediada por fagos favorece la diversificación.

 

b. Heterogeneidad ambiental.

Por otra parte, la complejidad estructural del suelo y los sedimentos es importante para la diversificación a nivel de poblaciones porque esta complejidad permite que los recursos sean fraccionados y de esta manera se creen nuevos nichos con los que se incrementa la especialización y división en especies ecológicas nuevas, 7.

La mayoría de las comunidades terrestres sufren perturbaciones intermitentemente como: escasez de alimento, sequía, congelamiento/descongelamiento o la actividad humana. Estas condiciones ambientales alteradas y los recursos que se liberan crean oportunidades para que nuevas especies se establezcan. Así, la perturbación asegurará que las comunidades incluyan una mezcla de los diferentes estadios de sucesión, 8. Sin embargo, una perturbación fuerte y frecuente causará la desintegración de los microhabitats y la disrupción de los límites entre poblaciones, lo que permitirá que los recursos locales estén disponibles para una mayor proporción de la masa microbiana total, 7, es decir más individuos pero menos especies.

 

3. Una solución molecular para deshacer el nudo de la ecología microbiana.

Sin embargo, si queremos hacer ecología microbiana tenemos que identificar y contar a los microbios ¿Cómo podemos “ver” lo invisible y contar lo que no podemos cultivar? Este es el problema fundamental de la ecología microbiana. A continuación presentamos diversas técnicas para resolver estos problemas.

 

a. Cultivar o no cultivar

El número de especies microbianas existentes ha sido estimado entre 105 y 106, 9. Sin embargo, sólo se han aislado, descrito y/o caracterizado algunos miles. Esto se debe, en parte, a que sólo unos cuantos organismos de las muestras ambientales crecen en medios nutritivos en cajas de petri, 10, 11, 12, 13.

Se han hecho muchos intentos para mejorar la recuperación en cultivo. Los cuales han consistido, de manera general, en manipular cuidadosamente los medios de cultivo y aumentar el número de interacciones entre especies dentro de una misma caja, 14, pero se ha tenido éxito moderado y el problema del mundo no cultivable sigue siendo un reto importante de la microbiología, 10.

Kaeberlein, 14, probaron si los organismos no cultivables crecerían si se les proveía con los componentes químicos de su ambiente natural. Para permitir el acceso a estos componentes, colocaron a los microorganismos en cámaras de difusión, mismas que se incubaron en un acuario que simulaba el lugar nativo de estos organismos (Figura 1). Con este método lograron recuperar en cultivo alrededor del 40% del inóculo original (se contó el número de colonias formadas en relación al número de células inoculadas), lo cual representa una recuperación órdenes de magnitud mayor que en los intentos tradicionales de cultivo. Además de esta extraordinaria recuperación “primaria” en cultivo, se intentó aislar colonias de la comunidad cultivable y con este experimento se logró el resultado más significativo del trabajo. La mayoría de las colonias aisladas transferidas a cajas de Petri no crecieron (86%) y las microcolonias que lograron crecer (14%) eran cultivos mixtos. Sólo unas pocas colonias grandes y que crecieron rápidamente fueron puras y representaron el 0.054% del inóculo original, lo cual es consistente con lo que se ha reportado previamente en relación a la recuperación en cultivo. Esta información lleva a conclusiones interesantes sobre la ecología de los microorganismos, pues parece resaltar la importancia de posibles señales específicas originadas por los organismos vecinos que indican la presencia de un ambiente familiar. Esto significa que los microorganismos no crecerán en un ambiente extraño (sin sus vecinos) aunque existan los nutrientes apropiados, 14. Esto podría explicar el por qué no es posible aislar a la mayoría de los microorganismos en medios artificiales como cultivos puros. Claro que aquí habría que abrir la discusión sobre si realmente son los vecinos o hemos sido incapaces de determinar los micronutrientes necesarios para lograr cultivos puros de la mayoría de los microorganismos.

 

4. ¿Como hacemos ecología de comunidades sin obtener cultivos puros de la mayoría de los microorganismos? ( Métodos moleculares para el análisis de lo no cultivable)

a. PFLA (Phospholipid Fatty Acid Analysis)

En todos los microorganismos encontramos fosfolípidos exclusivamente en las membranas celulares. Las cuales pueden ser degradadas fácilmente dejando libre el componente fosfolipídico. Los fosfolípidos de las membranas son indicadores importantes de la biomasa microbiana activa y además se ha encontrado que existen lípidos únicos en grupos específicos de organismos, por lo que este análisis ha sido usado para determinar la diversidad y abundancia microbianas, 15, 16. El PFLA requiere que la muestra ambiental de estudio sea analizada cuantitativamente por cromatografía de gases (GC) y espectrometría de masas (MS), lo que genera datos sobre la presencia y abundancia de diferentes fosfolípidos, 17, 18. Los datos obtenidos sobre los ácidos grasos de las muestras pueden ser comparados con bases de datos públicas, 18, lo que permite la asociación de ciertos PFLA´s con organismos o grupos específicos. Diferencias en los patrones de PFLA pueden ser interpretadas en relación a cambios en la composición de las comunidades. Este método ha sido utilizado con éxito en estudios que demuestran cambios grandes en comunidades microbianas asociadas a prácticas de manejo de suelos, 19, 20.

A pesar de la utilidad de este método de análisis existen algunas limitaciones importantes, 21. La primera es que no se conocen los patrones de ácidos grasos para todos los organismos, por lo que los datos obtenidos de muchas muestras no pueden relacionarse con algún grupo de microorganismos. La segunda limitación es que los patrones de ácidos grasos son muy susceptibles a cambios no necesariamente debidos a la composición de la comunidad, por lo que pueden obtenerse patrones falsos que originen interpretaciones incorrectas. La tercera limitación es que bacterias y hongos producen diferentes cantidades de ácidos grasos dependiendo de las condiciones de crecimiento o estrés, por lo que a pesar de que los patrones de PFLA puedan correlacionarse con la presencia de algunos organismos, esto no significa necesariamente que esos patrones sean únicos para esos grupos en todas las condiciones.

 

b. Técnicas basadas en ácidos nucléicos

De entre todas las moléculas probadas hasta ahora, los ácidos nucléicos han demostrado ser las moléculas más útiles, pues han contribuido con una nueva perspectiva y entendimiento sobre la estructura de las comunidades. Una de las principales ventajas asociadas a los métodos moleculares con ácidos nucléicos es que puede analizarse a la comunidad microbiana en su totalidad, incluyendo a aquellos organismos que no han podido ser cultivados en el laboratorio. Es por ello que estos métodos se han vuelto cada vez más importantes en la ecología microbiana, 22, 23, 24, 25. Aún los análisis de baja resolución y amplia escala, como la reasociación de DNA, permiten la determinación una aproximación de la diversidad genética total de la comunidad bacteriana, 26.

La electroforesis de productos de PCR de genes de rRNA en geles desnaturalizantes de gradiente (DGGE) permite tener mayor resolución y provee información sobre cambios en el grueso de la estructura de la comunidad, 27. Cuando se combinan análisis de genes de rRNA en DGGE con hibridación, usando sondas filogenéticas o secuenciando, se logra obtener la afiliación filogenética de los miembros dominantes en número que se encuentran en la comunidad, 28. La hibridación fluorescente in situ (FISH) de células microbianas con sondas filogenéticas provee información acerca de la composición taxonómica de la comunidad, 29, 24.

Finalmente, la clonación de productos de PCR de genes de rRNA de la comunidad arroja información específica de la comunidad microbiana no cultivable. Esta estrategia también permite la comparación de la estructura de la fracción cultivable con respecto a la no cultivable, 30. De esta manera, los ácidos nucléicos se han utilizado de diferentes maneras para caracterizar a las comunidades. A continuación ampliaremos la descripción sobre las estrategias mencionadas.

 

Cinética de reasociación de DNA.

 

El DNA de una comunidad microbiana es una mezcla de genomas de diferentes especies que están presentes en diferentes proporciones. Una curva de reasociación de DNA nos da una idea de que tan compleja es esa mezcla. La técnica consiste en desnaturalizar con calor la mezcla total de DNA y mediante la lectura de un espectrofotómetro (la monohebra de DNA y el DNA de doble cadena tienen picos de absorbancia a diferentes longitudes de onda, 31), lo que permite generar una cinética de reasociación de DNA. La cinética de reasociación de DNA es de segundo orden y cualquiera de este tipo de curvas tiene una constante de reasociación C0t1/2. Bajo condiciones definidas, C0t1/2 es proporcional a la complejidad del DNA (heterogeneidad; 32). Estos valores son siempre relativos a la cinética de reasociación de DNA de una sola especie (DNA de Escherichia coli), esta se considera la curva ideal y una curva de una comunidad siempre tendrá pendientes menores que la ideal (ver Fig. 2). Aunque en estos experimentos C0t1/2 no tiene un significado preciso, este valor ha sido usado como similar a índices de diversidad de especies, 31.

 

RAPD´s (Random Amplified Polymorphic DNA).

 

El “fingerprint” o huella de DNA puede obtenerse de diferentes maneras, una de ellas es la conocida como RAPD. Dentro de los métodos de huellas de DNA basados en PCR (por sus siglas en inglés, Polymerase Chain Reaction) quizás sea este el más ampliamente usado. El PCR de RAPD´s utiliza oligonucléotidos de 10 a 12 pares de bases para amplificar segmentos al azar de DNA. Este método funciona porque sólo un pequeño número de fragmentos (5 a 10) se amplificarán en un rango de longitud que puede ser fácilmente amplificado por PCR (usualmente menor a 3 o 4 kilobases), 33. Cuando el DNA que se encuentra entre las secuencias amplificadas consta de repeticiones en tandem y hay variaciones en su longitud, el fragmento amplificado será de longitud variable o polimórfico en la población o comunidad (ver Fig. 3).

Esta estrategia puede servir para dar un primer vistazo a la composición de distintas comunidades; sin embargo, debemos mencionar que esta técnica es poco reproducible debido a que cualquier variación mínima en las condiciones de PCR o del DNA original puede generar cambios en los patrones, por lo que es recomendable utilizar técnicas adicionales para robustecer los datos sobre la estructura de las comunidades.

 

Técnicas relacionadas con la diversidad de genes de rRNA (SSU)

 

De las diferentes técnicas que usan ácidos nucléicos para estimar la diversidad de comunidades microbianas, la más útil y ampliamente utilizada es la determinación de secuencias o patrones del gen que codifica para la subunidad pequeña de los ribosomas (16S para procariontes y 5S o 18S para eucariontes), 34. Esta subunidad pequeña (SSU) de rRNA es adecuada para este tipo de estudios por varias razones. La primera es que se encuentra en los tres dominios de la vida conocidas: Bacteria, Archaea y Eucarya, 35. La segunda es que son moléculas que tienen regiones altamente conservadas y regiones con variación considerable en su secuencia, 36 y debido a estas tasas de evolución diferentes se pueden establecer relaciones a diferentes niveles jerárquicos en un análisis comparativo de secuencias, 15. La tercera razón es que el rDNA puede amplificarse fácilmente por PCR y ser secuenciado. Varios estudios han demostrado que más del 90% de los microorganismos que pueden observarse microscópicamente in situ, pueden ser extraídos y analizados, 37, 38, 39, 40, 41, 42, en comparación con menos del 0.1% que pueden cultivarse, 15. Una vez amplificado el gen de rRNA por PCR es posible analizar la diversidad de este gen en la comunidad para tener una idea de la complejidad de la misma, siguiendo diferentes estrategias que se explicarán a continuación.

 

DGGE/TGGE (Denaturing Gradient/ Temperature Gradient Gel Electrophoresis).

 

Esta técnica permite separar mezclas de productos del PCR que son de la misma longitud pero que difieren en secuencia. El poder de separación de este tipo de electroforesis se basa en que el comportamiento de desnaturalización del DNA está determinado de manera importante por la secuencia de nucléotidos. Al correr el DNA en el gel, la molécula se mantiene como doble cadena hasta que alcanza la concentración o temperatura desnaturalizante, reduciendo su movilidad en el gel, 15. En teoría, cualquier gen de rRNA que se encuentre en el DNA total de la comunidad puede ser amplificado por PCR y resuelto en un gel DGGE/TGGE, ya que en este tipo de análisis cada banda en el gel es considerada como una especie distinta en la comunidad y la intensidad de las bandas es tomada como un reflejo de la abundancia de esa secuencia en la comunidad (ver Fig. 4).

Existen algunas consideraciones importantes sobre esta técnica y tienen que ver con la interpretación de los datos obtenidos. En particular, es posible que diferentes especies generen una misma banda por lo que los estimados de diversidad seán subestimaciones, por lo que lo ideal es hacer estimaciones de diversidad relativa entre comunidades y considerar “filotipos” o OTUs (unidades taxonómicas operacionales) en lugar de especies.

 

T-RFLP´s (Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism).

 

El análisis de fragmentos de restricción terminales es actualmente uno de los métodos más poderosos que existen dentro del campo de la ecología microbiana para comparar rápidamente la diversidad de secuencias de DNA bacteriano amplificado por PCR de muestras ambientales, 43, 44. El método se basa en la variación en la posición de sitios de restricción entre las secuencias y en la determinación de la longitud de fragmentos terminales de restricción (TRF´s) marcados con fluorescencia y analizados por medio de electroforesis en geles de alta resolución en secuenciadores de DNA, 45, 46. El resultado es una distribución de abundancia de fragmentos de diferentes tamaños (Fig. 5). Dentro de las características más importantes de este método está la gran velocidad de análisis de las muestras, lo que permite hacer réplicas de los experimentos y con ello lograr análisis estadísticos, 47. El método de TRF puede ser usado para identificar diferenciación de comunidades, para comparación de riqueza relativa de filotipos y estructura de comunidades, y para identificar organismos específicos en una comunidad, 47, a partir de la clonación y secuenciación de fragmentos específicos de 16S rRNA de la comunidad.

Apesar de que es un método rápido de análisis comparativo de comunidades, tiene relativamente baja resolución, ya que existe cierta probabilidad de que varios filotipos se encuentren representados por un solo tamaño de fragmento y representen un solo pico en la distribución y esto puede llevar, nuevamente, a subestimar la riqueza de especies, misma que puede ser calculada por otros métodos con mayor resolución filogenética, pero a mucho mayor costo. Esta situación fue puesta a prueba por Dunbar, 47, al comparar los estimados de riqueza obtenidos de una librería de clonas de 16S y de TRFLP´s obtenidos de la misma muestra de donde se construyó la librería. Dunbar et al. concluyeron que los patrones de TRFLP´s subestiman la riqueza relativa del total de los filotipos; sin embargo, permite descubrir similitudes entre comunidades y tiene una buena sensibilidad (detecta genomas que se encuentran en concentraciones tan bajas como el 1% del total de la comunidad). Es por ello que este método se recomienda como útil para análisis rápidos de muestras de campo que quieran compararse en cuanto a su composición y representa una herramienta útil para investigaciones de ecología microbiana.

 

ARDRA (Amplified Ribosomal DNA-Restriction Análisis).

 

ARDRA es una Técnica de “fingerprint” o huella de DNA que se usa para caracterizar comunidades y poblaciones. La técnica consiste en amplificar por PCR el gen de 16S rRNA de la comunidad total, aislar las diferentes copias que se encuentran en la mezcla y posteriormente someter a cada una de las copias a digestiones enzimáticas (restricción), también puede digerirse la muestra total (sin separar las copias), 48. La manera más común de separar las diferentes copias del el 16S rRNA (o cualquier otro) de la comunidad es clonando los diferentes fragmentos en cepas especiales de Escherichia coli que son capaces de transformar e incorporar el fragmento en un plásmido con marcadores moleculares de color (i.e. operon lactosa) y resistencia a múltiples antibióticos. Esto se hace al mezclar el PCR total con bacterias susceptibles a adquirir DNA extraño (competentes), de esta manera cada bacteria adquirirá una sola copia del gen y así quedarán separadas las diferentes copias de la mezcla total. Las bacterias que contienen los fragmentos se crecen en cajas de Petri con antibióticos y posteriormente se aisla el DNA plasmídico junto con el gen de interés que se puede separar del DNA bacteriano. Cada gen obtenido de esta manera se somete a una digestión enzimática que resulta en un patrón de bandas en electroforesis en geles de agarosa (Fig. 6). Los patrones de restricción permiten identificar diferentes grupos (diferentes patrones de restricción no significan necesariamente especies diferentes) o identificar comunidades distintas. Si el ARDRA se hace con copias separadas del gen 16S rRNA, el análisis de los diferentes patrones permite hacer estimaciones de diversidad y/o elegir representantes de los patrones distintos para obtener las secuencias e identificar los grupos taxonómicos específicos a los que pertenecen o con los que se relacionan. El problema principal de esta técnica es que dado el número de clonas que se deben de obtener por comunidad para determinar su diversidad y abundancia por restricción los costos son casi iguales que si se secuencia la comunidad.

 

Secuencias

 

Cualquiera de las estrategias de ácidos nucléicos mencionadas pueden concluir con la secuenciación de una muestra de las copias del gen 16S rRNA por sitio. Sin embargo, se pueden evitar los análisis antes mencionados y hacer el PCR del DNA total e inmediatamente después secuenciar todas las copias con clonación previa. El análisis de secuencias en comunidades microbianas requiere siempre separar las diferentes copias de la muestra, ya sea por clonación o cortando las diferentes bandas de geles TGGE. Obtener la secuencia de 16S rRNA de los diferentes organismos de la muestra tiene varias ventajas. Una de ellas es que se construye una librería de clonas que mantiene las copias separadas y listas para otros análisis en el futuro. Otra ventaja y quizás la más importante para el análisis de comunidades microbianas es que la obtención de secuencias de librerías de clonas es la única manera de obtener estimados robustos sobre diversidad de comunidades complejas (como muchas comunidades microbianas, 49.

La principal limitante hasta ahora para la implementación general de análisis de comunidades con secuencias es el costo económico (el cual esta reduciéndose constantemente debido a la gran demanda de estos métodos) y el tiempo que la técnica involucra ya que cada una de las secuencias debe de ser “curada” es decir confirmar que cada pico del electrofenograma sea el correcto. Después las secuencias deben de ser sometida a Blast con el GenBank y alineadas considerando la estructura terciaria del 16S.

 

Técnicas relacionadas con la expresión de genes (rRNA).

 

Recientemente varios análisis se han enfocado en la caracterización de comunidades microbianas del suelo basándose en la expresión del rRNA en contraste con los genes que codifican para el ribosoma: el rDNA, 50, 51, 52, 53, 54, 55. Al igual que el rDNA, el rRNA tiene regiones tanto variables como altamente conservadas que permiten la discriminación de taxa a diferentes niveles taxonómicos. Además, el uso de rRNA directo ofrece varias ventajas principales sobre el uso de técnicas con rDNA. La primera ventaja es que debido a que los ribosomas son el sitio de síntesis de proteínas, el contenido de rRNA está directamente correlacionado con la actividad metabólica y la tasa de crecimiento, 56, eso significa que una alta proporción de las secuencias detectadas en las muestras corresponderán a microorganismos metabólicamente activos, en crecimiento y probablemente importantes ecológicamente, 53, 57, 58.

La segunda ventaja es que debido a que las secuencias de rRNA normalmente se encuentran en las células en más copias que las secuencias de rDNA teóricamente deben ser más fáciles de detectar, la tercer ventaja es que cuando los ribosomas son extraídos directamente de las muestras ambientales sólo se incluyen en el estudio a los microorganismos vivos y activos. Al igual que con el rDNA, cuando los amplicones de rRNA se separan en geles DGGE/TGGE, el patrón de bandas sirve como una huella digital de la comunidad microbiana. Si se asume que no hay sesgo en la amplificación, la intensidad de las bandas indica la abundancia en la comunidad de la secuencia de rRNA correspondiente, 50.

Sin embargo, un factor importante que complica las interpretaciones sobre la abundancia de un taxon es que el número de operones de rRNA dentro de un genoma puede variar entre los grupos taxonómicos, 59, por lo que es posible que exista heterogeneidad en las secuencias de rRNA dentro de una misma cepa y en consecuencia no puede asumirse que cada producto de PCR en el gel corresponda a un organismo diferente, y un mismo organismo puede estar representado por varias secuencias distintas, 15. Por otro lado, la intensidad de la banda puede deberse a muchas copias de una misma secuencia en el mismo organismo o a que existen muchas células del organismo que posee la secuencia. Una manera de distinguir entre estas dos posibilidades es mediante hibridización in situ, 60. Otra manera es correr el mismo gel con productos de PCR de rRNA y rDNA y comparar la intensidad de las bandas para determinar si esta se encuentra relacionada con el número de copias del gen, 57.

A pesar de que esta técnica puede ser muy útil para estudiar comunidades microbianas, existen limitaciones técnicas en ella debido a lo lábil que es el RNA por lo que es que es necesario tener mucho cuidado con el almacenamiento y procesamiento de las muestras ambientales, ya que cualquier mínimo cambio en las condiciones ambientales originales puede alterar la actividad metabólica de los microbios, 61, esto se puede evitar con el procesamiento inmediato o congelamiento de las muestras. Otra limitación existe en relación a la eficiencia de extracción, 52 y amplificación de rRNA, 62, 63, 61. Existe la posibilidad de que la amplificación sea sesgada por mayor abundancia de algunas secuencias en el rDNA original o por mayor homología de ciertas secuencias por los oligonucleótidos del PCR. La mayoría de los estimados son en procariontes y aunque en teoría debería poder analizarse la comunidad eucarionte de rRNA de la misma manera que procarionte, los ribosomas eucariontes parecen ser más complejos en cuanto a los genes que los codifican y su regulación, además de que las bases de datos públicas con secuencias de rRNA casi no tienen representantes eucariontes, por lo que identificar especies eucariontes con las secuencias de su rRNA es problemático, 15.

 

FISH (Fluorescent in situ hybridization).

 

Este método ha sido usado principalmente con comunidades procariontes y permite la identificación y cuantificación directas de grupos taxonómicos generales o específicos dentro de su ambiente natural, 24, 64, 65, 66. Con FISH todas las células son fijadas y su 16S o 23S rRNA se hibridiza con sondas de oligonucleótidos de un taxón específicos y marcados con fluorescencia. Posteriormente, las células que hibridaron y quedaron marcadas fluorescentemente pueden verse en un microscopio óptico de fluorescencia. Con este método y gracias a que las células completas se hibridan, se evitan artefactos generados por sesgos en la extracción de DNA, amplificación por PCR y clonación, 67, 68, 58.

FISH puede usarse para visualizar organismos no cultivados y es útil para estudiar la distribución ecológica de los organismos a través de habitats diversos, 67, 69, 70. Tal vez el aspecto en el que se debe tener más cuidado cuando usamos FISH es en el diseño de la secuencia de las sondas de hibridación, ya que de ello depende que se haga una buena caracterización de la comunidad. Es necesario hacer una selección cuidadosa de las secuencias de los organismos representativos del taxón o taxa que se desea visualizar, pues la sonda será tan buena como lo sea esta selección, 24. Errores en este diseño podría ocasionar que no puedan visualizarse organismos no cultivables que pertenezcan al grupo de interés o que se den hibridaciones cruzadas con organismos de otros grupos, 29, 65, 58.

 

5. ¿Y ahora que podemos contar, qué contamos?

Ya que podemos estimar indirecta y directamente la diversidad y abundancia de las especies de los microbios en las comunidades llegamos a un problema difícil de resolver ¿qué es una especie bacteriana? Esto no es trivial y adquiere rápidamente tintes filosóficos que revisaremos más adelante. En términos más prácticos, recientemente Hughes, 71, publicaron una revisión sobre el problema que implica determinar el número de especies en una comunidad, y evaluaron el tamaño de muestra que en general se requiere para tener un estimado útil sobre la diversidad de las comunidades. Además de esto, analizaron la utilidad de varios estimadores de diversidad para el caso de comunidades bacterianas. La relación entre el número de tipos (OTU = Operational Taxonomic Unit, un eufemismo para no explicar si lo que se analizan son especies, clonas, filotipos u otra categoría taxonómica jerárquica) observados y el esfuerzo del muestreo nos da información sobre el total de la diversidad de la comunidad que ha sido muestreada. Este patrón puede visualizarse graficando una “curva de acumulación” que consiste en relacionar el número acumulativo de OTUs observados contra el esfuerzo de muestreo. Este tipo de curvas revelan la calidad del muestreo, pues ya que todas las comunidades por definición deben de tener un número finito de especies, si se continúan muestreando individuos, las curvas eventualmente tenderán a esta valor máximo, o sea alcanzarán una asíntota en el valor real del número total de OTUs en la comunidad.

En la gran mayoría de las comunidades microbianas revisadas en el estudio de Hughes, 72, no se alcanza la asíntota de las curvas debido a la gran diversidad que existe. Sin embargo, aunque sería útil conocer la diversidad total real de las comunidades microbianas, la mayor parte de las preguntas relacionadas con diversidad se refieren a cambios en la diversidad que suceden por cambios ambientales bióticos o abióticos, por lo que las respuestas a estas preguntas requieren únicamente estimados de diversidades relativas. De esta manera, encontraron que aunque los valores dependen del tamaño de la muestra, la mayoría de los estimadores de riqueza se estabilizan con los tamaños de muestra que, en general, tienen estos estudios, o sea con muestras de 200 a 1000 clonas, que sugieren comunidades con sólo cientos a pocos miles de especies importantes (no miles o millones, como se había sugerido previamente)

Es importante señalar que todas las estimaciones estadísticas tienen sus limitaciones y una de las más importantes y frecuentes es que no existe rigor en la definición de los OTUs que se analizan ni de su relación con las especies reales, 73, por lo que diferentes estudios que calculan los mismos estimadores en general no son del todo comparables. De igual manera, la mayoría de estas aproximaciones requieren datos sobre frecuencias relativas de los diferentes OTUs y muchos estudios han revelado que los análisis genéticos de diversidad microbiana van acompañados de sesgos de muestreo. Sin embargo, el hecho de que la mayoría de las preguntas sobre estructura y función de las comunidades requieran comparaciones relativas sobrepasa muchos de los problemas sobre definición de especies y sesgos de muestreo, 71. Mientras que la unidad de medida sea definida y constante, la diversidad entre sitios o tratamientos puede ser comparada. De igual manera, para minimizar el efecto del sesgo de muestreo se pueden usar varias técnicas o genes que robustezcan las comparaciones.

De aquí deriva el problema de fondo en la Ecología Bacteriana. Un OTU analizado ¿es una especie o parte de una especie o varias especies relacionadas? ¿qué es una especie bacteriana y cuáles son sus límites? Resolver este problema es fundamental para estimar la diversidad y sus patrones geográficos.

Históricamente, el concepto de especie que se aplica en microbiología es más práctico que natural. La práctica ha llevado a considerar especies estáticas, en donde las características de estas son atributos típicos o esenciales y por tanto, supone que el fenotipo y genotipo son iguales para todos los organismos pertenecientes a la especie. En este caso, las características que se toman pueden ser morfológicas, fisiológicas, bioquímicas e incluso genéticas. Por otro lado, el concepto natural de especie pretende ser reflejo de una población en donde hay dinamismo y en donde existe cohesión debido a una organización interna, 74. El concepto natural de especie más usado en sistemática es el biológico, este asume la existencia de entrecruzamiento entre los miembros de una misma especie, de tal manera que al existir tal entrecruzamiento se asegura de manera indirecta que entre ese conjunto de organismos haya cohesión y por tanto se asume que estamos ante una especie natural. La desventaja que tiene este concepto es que no es aplicable para todos los organismos, principalmente para aquellos que tienen reproducción asexual (Fungi, Protoctista, Archaea, Bacteria).

Desarrollar un “concepto natural” de especie para organismos con reproducción asexual es uno de los mayores retos en sistemática microbiana. En la actualidad se reconocen dos tipos de especie natural, la especie genética o genoespecie y la especie evolutiva o filoespecie. La especie genética usa como carácter único a los índices de hibridación. El establecimiento de similitud en la secuencia del DNA de dos organismos se logra mediante análisis de reasociación de DNA y de secuencias del gen 16SrRNA. En el caso de reasociación de DNA, si las secuencias de las dos muestras de DNA son homólogas, se formarán hélices dobles híbridas. Únicamente las muestras que resulten con un 70% de reasociación bajo condiciones moderadamente restrictivas se les puede considerar como una especie genética, 75, 76. Si hablamos de secuencias de 16SrDNA el porcentaje de similitud de organismos de una misma especie es mayor a 97%.

El concepto de genoespecie ha sido muy atacado. La idea de tener un 70% de reasociación o 97% de similitud en 16SrDNA es muy ambigua, sobre todo si se quiere extrapolar a macroorganismos, por ejemplo, tomando la definición del 70% de homología genómica, todos los primates podrían ser considerados miembros de una sola especie, 73. Además, se ha encontrado que en especies procariontes la frecuencia de transferencia horizontal, así como de eventos parasexuales es muy alta y por tanto podría dar resultados filogenéticamente erróneos al influir en el grado de reasociación del DNA, 77 y en la secuencia de genes como 16SrRNA.

Y aquí llegamos a discutir la importancia de la que tiene la recombinación genética (homóloga y no homóloga) en la dinámica evolutiva de las poblaciones. La recombinación genética homóloga tiene dos efectos fundamentales en las poblaciones: impide la divergencia entre subpoblaciones, las homogeniza y, al mismo tiempo, aumenta la diversidad de genotipos en la población.

Por otro lado, los efectos de la recombinación no homóloga originan nuevas variantes y potencialmente, nuevas especies. La adquisición de nuevos genes que sean funcionales y de carácter adaptativo en el ambiente, puede producir especiación “express” en los organismos, se ha sugerido que tal es el caso de Yersinia pestis y Y. tuberculosis.

Cuando la frecuencia de la recombinación homóloga y no homóloga es muy alta en un grupo de poblaciones naturales, el efecto combinado puede ser muy diferente a las consecuencias planteadas previamente. En este caso las especies pueden presentar una gran cantidad de nichos producto de la adquisición de nuevas funciones, sin embargo como la recombinación homóloga es alta, las poblaciones de la especie se mantienen homogéneas. Ejemplos de este caso, es el de Escherichia coli y Vibrio cholerae.

Como podemos observar la delimitación de las especies microbianas no es un asunto trivial y la practicidad no va acompañada de grupos naturales. Sin embargo, en términos de comparación y estimaciones aproximadas de la diversidad y distribución de microorganismos, el uso de marcadores moleculares como el 16S rDNA u otros genes particulares a ciertos grupos resuelve el problema inmediato sobre la estimación de la diversidad siempre que haya consistencia en cómo se define la unidad de análisis u OTU.

 

6. Patrones en comunidades bacterias: ¿excepcionales o comunes?

Dejando a un lado los problemas taxonómicos en bacterias, los datos ecológicos sobre microorganismos aún son escasos y esto ha generado especulaciones diversas sobre la posibilidad de que los microorganismos sean organismos de excepción. En otras palabras, los pocos datos han generado un fuerte debate en cuanto a la universalidad de las reglas ecológicas, esto es, si los microorganismos se distribuyen y organizan de manera similar o al menos siguen las mismas “reglas” o principios ecológicos que los organismos grandes como plantas y animales. Esta discusión es extraordinariamente relevante pues, como hemos mencionado, hoy en día los principios y reglas ecológicas se han fundado en observaciones hechas en macroorganismos y el hecho de que los microorganismos pudieran ser distintos implicaría que más de dos terceras partes de la vida en la Tierra se rigen por “otros principios ecológicos”. Nosotros creemos que, los microorganismos deben regirse básicamente por los mismos principios ecológicos que los macroorganismos, dado que siguen los mismos principios evolutivos y biológicos. De cualquier manera, los resultados que se obtengan con las herramientas moleculares actuales nos permitirán comparar la ecología del mundo macroscópico y microscópico y evaluar la universalidad de las reglas ecológicas.

Algunos autores defienden que todos los organismos pequeños son muy abundantes y se distribuyen por todo el mundo, sin barreras ecológicas. Esto puede ser cierto para algunos microorganismos, como aquéllos con adaptaciones extraordinarias para la dispersión y gran resistencia a cambios de ambiente (protozoarios, diatomeas, bacterias formadoras de esporas, hongos, bacterias marinas). También aquéllos parásitos humanos que pueden generar epidemias mundiales pueden encontrase casi en todas partes (Escherichia coli, Vibrio cholerae). Sin embargo, existen otras observaciones que apuntan a la existencia de fuertes barreras ecológicas que limitan la dispersión de los microorganismos, generando divergencias genéticas entre poblaciones de las mismas especies debido al aislamiento, lo cual se ajusta más a los principios ecológicos y evolutivos observados en macroorganismos.

La aparición de las herramientas moleculares ha dejado abierta la puerta a estudios ecológicos como los que se han realizado por décadas con macroorganismos. Recientemente, han surgido varios trabajos en donde se evalúa la diversidad y distribución de microorganismos usando modelos desarrollados para macroorganismos. Los resultados de estos estudios han conducido al debate sobre la posibilidad de distribuciones biogeográficas en microorganismos (distribución geográfica asociada a ciertas condiciones ecológicas) y sobre las barreras reales a la dispersión de microorganismos.

Mientras que algunos autores presentan resultados en donde no hay asociación obvia entre la distribución de los microorganismos y la geografía, otros presentan estudios que parecen demostrar lo contrario. Estos estudios contradictorios plantean la pregunta de si existen realmente patrones de distribución en microorganismos.

Hillebrand, 78, comparan la diversidad en diferentes organismos, desde protistas hasta vertebrados, bajo la visión de relaciones que han sido estudiadas en macroorganismos (relación entre el número de especies y el área de estudio, relación entre el número de especies y el número de individuos). La conclusión del estudio es que no hay razón para pensar que hay límites para la dispersión de microorganismos, es decir, pueden existir en todo el mundo, como ha sido sugerido por Finlay, 79. Sin embargo, este tipo de estudios no son concluyentes ni absolutos debido a la falta de consideración de los diferentes hábitos y formas de vida de los microorganismos. No es lo mismo un organismo de vida libre con capacidades extraordinarias de dispersión (como aquéllos formadores de esporas), que un organismo parásito y ni qué decir de microorganismos altamente especializados y con capacidad limitada de dispersión como aquéllos habitantes de ventilas hidrotermales en el fondo del mar o simbiontes estrictos asociados a organismos sésiles, como a gusanos lofoforados de fondos marinos o en corales.

Estamos empezando a hacernos preguntas sobre la distribución geográfica de los microbios y las respuestas pueden ser muy interesantes tanto para los ecólogos de organismos macroscópicos como para los ecólogos de microorganismos. En el primer caso las respuestas pueden contribuir al enriquecimiento de la teoría existente y en segundo caso las respuestas pueden llevar a la introducción de un soporte teórico sólido.

 

7. Ecología extrema: ciclos biogeoquímicos y ecología funcional bacteriana.

El hecho de que los procariontes hayan sido de los primeros pobladores terrestres y que hayan vivido en un inicio en condiciones extremas (luz ultravioleta, temperaturas extremas, condiciones anóxicas y en un ambiente químico cambiante), les confirió una serie de estrategias metabólicas que les ha permitido vivir en muy diversas condiciones ambientales. Estas estrategias los mantienen íntimamente involucrados en el movimiento y transformación (Ciclos biogeoquímicos) de las diferentes formas químicas de muchos elementos, pero sobretodo de aquellos esenciales para la vida como: oxígeno (O), carbono (C), nitrógeno (N), azufre (S) y fósforo (P). A continuación explicaremos algunos de ellos.

Desde el inicio de la vida en la Tierra, los procariontes (Bacteria y Archaea) han jugado un papel preponderante moldeando las características físico-químicas del ambiente que nos rodea. La formación de la atmósfera en la Tierra fue un proceso que duró varios millones de años y se cree que las cianobacterias (únicos organismos capaces de tomar la energía del sol y el bióxido de carbono para transformarla en azúcares liberando oxígeno: la fotosíntesis aerobia) fueron las responsables, en un inicio, de la producción del oxígeno atmosférico hace aproximadamente 2.3 millones de años. Debido a su capacidad para vivir tanto en condiciones anaeróbicas como aeróbicas y de fijar el nitrógeno insoluble del aire a nitrógeno soluble como amonio, las cianobacterias fueron los organismos predominantes del mar Precámbrico durante miles de millones de años, creando a su paso gran cantidad de fósiles conocidos como estromatolitos. Con el paso del tiempo la atmósfera se fue enriqueciendo con el oxígeno de la fotosíntesis, dando paso a un cambio en su composición química y en las condiciones climatológicas prevalecientes, es decir pasar de ser un planeta anaranjado cálido con una atmósfera de metano y bióxido de carbono a un planeta azul donde el oxígeno predomina y donde la capa de ozono protege al planeta de los rayos ultravioleta.

Aún en la actualidad la fotosíntesis y en consecuencia de la producción de oxígeno en los sistemas terrestres que se lleva a cabo por las plantas superiores es realizada exclusivamente por los cloroplastos los cuales son producto de la endosimbiosis con cianobacterias, 80. Sin embargo, este oxígeno liberado a la atmósfera por los sistemas terrestres es consumido nuevamente mediante la respiración. De tal forma que las cianobacterias fotosintéticas marinas son las responsables en gran medida del mantenimiento del oxígeno atmosférico.

Este cambio atmosférico realizado por las bacterias a través de la escala geológica tal vez es el más evidente. Pero los cambios físicos y químicos han sido muchos y de diferentes magnitudes. Estos cambios son esenciales para la vida, ya que procesos como la fijación de nitrógeno, y el ciclo de carbono son parte esencial del reciclamiento de nutrientes y sólo son realizados por procariontes. Asimismo, los cambios en las condiciones químicas de los cuerpos de agua, la intemperización y precipitación de minerales, remineralización del carbono orgánico también son responsabilidad de las bacterias.

El carbono es un elemento esencial para la formación de compuestos orgánicos y la obtención de energía, la concentración más grande de este elemento se encuentra en la corteza terrestre en forma de carbonato de calcio y de magnesio. La tasa de cambio de este almacén es extremadamente lenta, por lo que es el C orgánico (proveniente de los restos de vegetales, animales, microorganismos y la respiración) el que tiene importancia dentro de nuestra escala temporal. Los productores primarios, es decir, plantas superiores, cianobacterias fotosintéticas y procariontes quimioautótrofos son las encargadas de transformar el CO2 existente en la atmósfera en materia orgánica (polisacáridos principalmente). El C incorporado puede regresar nuevamente a la atmósfera como CO2 o CH4 (metano), formar parte de la biomasa microbiana del suelo o ser mineralizado por los microorganismos. Adicionalmente los polisacáridos producidos por los microorganismos son un elemento de cohesión muy importante de las partículas del suelo, mismas que le dan estructura, resistencia y capacidad de almacenamiento de nutrientes, necesarios para el crecimiento de las plantas.

El nitrógeno es un elemento clave en las células ya que forma parte de los aminoácidos, ciertas vitaminas, enzimas, proteínas y del DNA. El nitrógeno constituye aproximadamente el 79% de nuestra atmósfera y se encuentra en una forma muy estable (N2). Esto implica que molecularmente, se requiere de mucha energía para su rompimiento y aprovechamiento. Sin embargo, la capacidad de fijar nitrógeno atmosférico es exclusiva de algunas bacterias. Especies como Azotobacter, Azomonas, Klebsiela, Citrobacter, Thiobacillus son capaces de fijar N atmosférico en forma aeróbica; Clostridium, Desulfovibrio, Chromatium, Thiocapsa, Heliobacillus y Heliobacterium, entre otras, lo hacen en forma anaeróbica. Existen también algunas especies de bacterias (Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium, Azorhizobium) que fijan N y viven en forma simbiótica con algunas plantas, muchas de ellas leguminosas. Una vez fijado, el N es transformado en amonio (NH4), forma química que puede ser aprovechada por las plantas y otras bacterias. El amonio también es transformado por bacterias del género Nitrosomonas, en nitritos (NO2-) y posteriormente en nitratos (NO3-), proceso a cargo de las bacterias del género Nitrobacter. El nitrato formado puede ser lavado a capas inferiores del suelo y alcanzar el manto freático y eventualmente el mar o utilizado por Pseudomonas y Achromobacter (bacterias denitrificantes). Durante el proceso de denitrificación se produce óxido nitroso (N2O) que puede ser liberado a la atmósfera o ser reducido nuevamente a N2.

Las emisiones volcánicas, la lluvia y los desechos gaseosos producidos por la industria, son fuente de diferentes compuestos del azufre (H2S, SO4, SO2). Este elemento forma parte de aminoácidos y vitaminas como la cisteína, metionina, biotina y tiamina, como grupo sulfhidrilo (-SH). Sin embargo, para su absorción debe encontrarse en forma de sulfato (SO42-) o tiosulfato (S2O32-). Tal vez el azufre (S) es el elemento con uno de los ciclos biogeoquímicos más complicado debido al gran número de pasos en su oxidación y reducción, todos realizados por bacterias, que pueden ser aerobias (Thiobacillus, Beggiatoa) o anaerobias (Desulfovibrio, Desulfobacter, Desulfomonas).

El fósforo, es un elemento primordial para los seres vivos, pues a diferencia del O, N, S y N carece de fase gaseosa. Gran parte del P que es utilizado por las plantas proviene de la mineralización de rocas sedimentarias. El ciclo del fósforo es muy parecido al ciclo del N y del S, en el que los microorganismos, junto con los agentes ambientales físicos y químicos, realizan la mayor parte de la mineralización de este elemento.

Como ya mencionamos al principio, las bacterias fueron los primeros productores de materia orgánica, por lo que forman la base original de la cadena alimenticia, permitiendo la evolución de nuevas especies que utilizaban esta materia como fuente de energía, creando así las primeras redes tróficas. En todos los ecosistemas existentes en la actualidad la cadena trófica varía en su longitud y complejidad, pero en todos empieza por los productores primarios que capturan la energía del sol (fotosíntesis aeróbica o anaeróbica) o la energía química de los compuestos orgánicos o inorgánicos de los minerales y termina con los degradadores de los detritus y de la materia muerta. En ambos extremos de la cadena las bacterias son predominantes, inclusive es tal el acoplamiento existente entre las diferentes comunidades bacterianas que los productos de desecho de algunos microorganismos constituyen la fuente nutrimental de otros. Estos productos de desecho también pueden acumularse en los ecosistemas produciendo cambios físicos y químicos graduales.

En el mar se han encontrado algunos ejemplos interesantes de estas cadenas alimenticias, en donde las bacterias también tienen papeles importantes al inicio y al final de las cadenas, ya que contribuyen a la producción de alimentos a partir de sustratos orgánicos disueltos en el agua y son las responsables de romper la materia orgánica, regresando así los nutrientes al mar, 81. En el fondo del mar también cumplen funciones que están empezando a entenderse, formando parte de cadenas que involucran oxidar o reducir moléculas inorgánicas, 82. Estos descubrimientos han sido sorprendentes, ya que el mar era un ambiente poco estudiado y del cual se pensaba encontrar poca diversidad de bacterias en las costas, y en las zonas alejadas y de gran profundidad no era imaginable encontrar habitantes, debido a las altas concentraciones de sal, la poca cantidad de luz, oxígeno y nutrientes. Las nuevas técnicas moleculares de las que ya hemos hablado han permitido descubrir, contrario a lo que se creía, que incluso en el mar profundo existen una gran cantidad de bacterias, distintas entre sí, con novedosas y raras propiedades.

En las costas se ha encontrado una gran diversidad y mayor proliferación de distintos tipos de microorganismos, ya que en la superficie hay disponibilidad de oxígeno y la cercanía con la tierra las hace ricas en nutrientes, por lo que predominan sobre todo bacterias que utilizan la luz como energía para producir materia orgánica (esto es, fotosintéticos) y que pueden vivir con oxígeno, (también llamados aeróbicos), por ejemplo las algas eucarióticas y las cianobacterias. También se han encontrado arqueas, las cuales se conocían como microorganismos exclusivos de ambientes muy especializados; por ejemplo hay arqueas que se creían exclusivas de ambientes muy calientes (Cenarchaeum symbiosum) de las que se han encontrado parientes cercanos que viven en las aguas del antártico, a -1.5º, 83. Si no hay corrientes que revuelvan el agua y la hagan homogénea, en el fondo cercano a la costa existe menos oxígeno, por lo que allí se han encontrado principalmente bacterias fotosintéticas anaeróbicas.

Por otra parte, en las capas superiores del mar profundo hay luz y oxígeno, pero hay pocos nutrientes por la lejanía de las costas y del suelo. En esta zona, el fondo del mar se caracteriza por tener pocos nutrientes, la presión es extremadamente alta, no hay luz ni oxígeno y la temperatura es muy fría. Con estas características, en un principio se creía que mar adentro no se encontrarían microorganismos (o se encontrarían pocos) capaces de vivir en la superficie o en el fondo. Sorprendentemente los hay, y uno de los ejemplos más comunes son las bacterias adaptadas a altas presiones, conocidas como barofílicas.

Otros ambientes marinos que han sido muy interesantes son las ventilas hidrotermales y las chimeneas negras, zonas en el mar a gran profundidad en las que existen salidas de agua que ha estado en contacto con magma y basalto, por lo que brota mezclada con minerales calientes, lo cual genera temperaturas tibias o calientes dentro del agua marina (de 6º a 23º en las ventilas, y 270º a 380º en las chimeneas). En estos ambientes sin luz, con grandes presiones, sin oxígeno, y altas temperaturas se han encontrado invertebrados y distintas variedades de microorganismos adaptados a vivir en estos sitios, 84. Se les ha encontrado viviendo incluso dentro de los mismos invertebrados en asociaciones muy específicas, por lo cual es muy posible que existan procesos coevolutivos entre los invertebrados y sus bacterias simbiontes.

 

8. Aplicaciónes prácticas de la ecología microbiana

Pero el papel de las bacterias no termina aquí, la disciplina de la bioremediación está basada en la diversidad de especies y metabolismos microbianos. La capacidad que tienen las bacterias para “alimentarse” de los compuestos químicos más recalcitrantes las ha convertido en los candidatos perfectos para resolver desde problemas de contaminación (derrames petroleros) hasta de purificación de ciertos metales de importancia minera. La concentración de uranio, cobre y oro en yacimientos mineros con bajos contenidos, se puede llevar a cabo utilizando bacterias acidófilas. Algunas otras especies bacterianas logran separar de los minerales, los metales pesados que contienen, como el mercurio, cobalto, zinc, níquel y molibdeno. Con el advenimiento de la revolución verde el uso de pesticidas se convirtió rápidamente en un problema, ya que su permanencia en los suelos puede ser de varias semanas a varios años. Aunque parte de los compuestos de estos pesticidas se pierden en forma volátil o lixiviados, existen microorganismos que los pueden degradar fácilmente.

Por otra parte, con el estudio de bacterias marinas es posible descubrir nuevas moléculas o procesos que tienen aplicaciones útiles para la medicina o la industria. Por ejemplo de las bacterias que viven a muy bajas temperaturas el objetivo es encontrar moléculas con propiedades anticongelantes o biocatalizadores activos a bajas temperaturas. Como son bacterias que viven en concentraciones de sal en ocasiones muy altas (por ejemplo en el mar muerto) una meta posible es aislar metabolitos halotolerantes, 84.

También ha sido posible aislar de bacterias marinas nuevos compuestos con propiedades de antibióticos, antivirales, anticancerígenos y farmacológicos. Muchos de estos compuestos están acumulados en invertebrados como esponjas o moluscos, y tienen gran similitud con metabolitos de bacterias, por lo que se cree que sean compuestos producidos por simbiontes bacterianos de estos organismos, 85. Recientemente se ha reportado que además de existir actinomicetos terrestres (el 70% de los antibióticos en el mundo se originan de estas bacterias), existen otro tipo de actinomicetos adaptados específicamente al mar. Trabajando con los actinomicetos terrestres, la industria farmacéutica ha estado reaislando el mismo tipo de compuestos, sin poder encontrar distintos, y el descubrimiento de los actinomicetos marinos ha abierto un nuevo campo de estudio para el descubrimiento de otro tipo de drogas, distintas a las que hoy se conocen, por ejemplo, compuestos anticancerígenos, 86.

 

9. Perspectivas

La microbiología ha tenido un pasado tortuoso, hubo años donde no se abrió la materia de microbiólogía en varias universidades de USA y no se impartía en la Facultad de Ciencias de la UNAM; pero ahora tiene un futuro prometedor y es especialmente luminoso para la ecología microbiana. Las aplicaciones biomédicas y biotecnológicas en donde las bacterias son las pequeñas industrias del futuro, productoras de medicinas y de procesos industriales en condiciones extremas, están a la vuelta de la esquina. Las bacterias también son un especie de vórtice de conocimiento donde a través de su estudio podemos saber más acerca de ellas mismas; la biotecnología nos da productos que nos ayudan a entenderlas mejor y por lo tanto producir nuevos productos que cada vez hacen el conocimiento más fácil y rápido de adquirir. Un claro ejemplo de esto fue el descubrimiento de la Taq polimerasa en una poza termal en Yellowstone, sin la cual la biología molecular asociada al DNA sería imposible. Más aun son los consorcios bacterianos los que nos permiten revertir la contaminación producida por las industrias. Por otro lado, las bacterias son los enemigos acérrimos de la humanidad y cada vez hay bacterias resistentes a nuevos antibióticos y hay cada vez más posibilidades de una guerra bacteriológica...

Pero ustedes pensarían que ninguna de esas maravillas o pesadillas implica saber de ecología microbiana. Están ustedes equivocados, ya que cada vez más investigadores están convencidos de que las bacterias interaccionan entre ellas y con el ambiente y esa es la razón de las enfermedades o de que funcione un proceso industrial. Son consorcios de micorrhizas y bacterias las que pueden ayudar a mejorar un suelo erosionado y son los productos de la competencia natural entre patógenos (colicinas) los que nos pueden librar de enfermedades crónicas como la cistitis causada por Escherichia coli.

Asimismo, desde el punto de vista teórico, la incorporación gradual de las bacterias al paradigma de la ecología a todos los niveles: evolutivo, eco-fisiológico, funcional y de poblaciones, comunidades y ecosistemas, lo que nos permitirá entender de manera jerárquica el papel de la diversidad microbiana en la diversidad de macro organismos. También nos ayudará a resolver, a través del uso de modelos más sencillos, cómo se arma la enorme complejidad del mundo en que vivimos. Todo esto gracias a que las herramientas moleculares hacen posible “ver” a las bacterias.

 

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Última Actualización: 15/11/2007