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Aprovechar el océano como fuente de productos naturales

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Bacteria marina
Las bacterias marinas son un importante reservorio de compuestos químicos

Descubiertas nuevas especies y nuevas moléculas con diversidad biosintética especial

Los océanos están repletos de innumerables formas de vida, desde la criatura más grande del mundo, la ballena azul, hasta minúsculos microorganismos. Además de su gran número, estos microorganismos también son cruciales para garantizar que funcione correctamente todo el sistema ecológico y climático.

Por ejemplo, existen variedades fotosintéticamente activas, como las cianobacterias, que producen alrededor del 50 por ciento del oxígeno de la atmósfera. Además, al eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera, los microorganismos ayudan a contrarrestar el calentamiento global.

A pesar de este importante papel, la investigación sobre la diversidad de microorganismos que se encuentran en el océano hasta ahora ha sido solo rudimentaria. Entonces, un grupo de investigadores dirigido por Shinichi Sunagawa, profesor de Investigación de Microbiomas, está trabajando en estrecha colaboración con el grupo de Jörn Piel para investigar esta diversidad. Ambos grupos están en el Instituto de Microbiología de ETH Zurich.

Para detectar nuevos productos naturales elaborados por bacterias, Sunagawa y su equipo examinaron datos de ADN disponibles públicamente de 1.000 muestras de agua recolectadas a diferentes profundidades de todas las regiones oceánicas del mundo. Los datos provinieron de fuentes tales como expediciones oceánicas y plataformas de observación ubicadas en el mar.

Gracias a modernas tecnologías como el análisis de ADN ambiental (eDNA), se ha vuelto más fácil buscar nuevas especies y descubrir qué organismos conocidos se pueden encontrar y dónde. Pero lo que apenas se sabe es qué efectos especiales ofrecen los microorganismos marinos, en otras palabras, qué compuestos químicos producen que son importantes para las interacciones entre organismos.

En el mejor de los casos, estos compuestos también beneficiarían a los humanos. La base de la investigación es la suposición de que el microbioma oceánico alberga un gran potencial para productos naturales que podrían resultar beneficiosos, por ejemplo, por sus propiedades antibióticas.

El eDNA extraído presente en las muestras fue secuenciado por los investigadores originales de las diversas expediciones. Al reconstruir genomas completos en la computadora, los científicos lograron descifrar la información codificada: los planos de las proteínas. Finalmente, consolidaron en una sola base de datos estos nuevos datos junto con los 8.500 conjuntos de datos genómicos existentes para microorganismos marinos.

Esto les dio 35.000 genomas a los que recurrir cuando buscaban nuevas especies microbianas y, en particular, prometedores grupos de genes biosintéticos (BGC). Un BGC es un grupo de genes que proporciona la vía sintética para un producto natural.

genomas ensamblados

Imagen: La reconstrucción de MAGs (genomas ensamblados en metagenoma) a escala global llena los vacíos en la diversidad filogenómica oceánica

Descubiertas nuevas especies y nuevas moléculas

En estos datos del genoma, los investigadores detectaron no solo muchos BGC potencialmente útiles, unos 40.000 en total, sino también especies de bacterias no descubiertas previamente que pertenecen al filo Eremiobacterota. Se sabía que este grupo de bacterias existía solo en entornos terrestres y no exhibían ninguna diversidad biosintética especial.

Sunagawa y su equipo nombraron una nueva familia de estas bacterias como Eudoremicrobiaceae, y también pudieron demostrar que estas bacterias son comunes y están muy extendidas: una especie perteneciente a esta familia, Eudoremicrobium malaspinii, representa hasta el 6 por ciento de todas las bacterias presentes en ciertas áreas del océano.

"Las familias en el océano poseen lo que para las bacterias es un genoma gigante. Descifrarlo por completo fue un desafío técnico porque los organismos no se habían cultivado antes", dice Sunagawa. Además, la nueva bacteria resultó pertenecer al grupo de microorganismos que cuenta con la mayor diversidad de BGC de todas las muestras examinadas. "Tal como están las cosas, son la familia biosintéticamente más diversa en la columna de agua oceánica", dice.

Los investigadores observaron en detalle dos BGC de Eudoremicrobiaceae. Uno era un grupo de genes que contenía el código genético de las enzimas que, según Sunagawa, nunca antes se habían encontrado en esta constelación en un BGC bacteriano. El otro ejemplo examinado fue un producto natural bioactivo que inhibe una enzima proteolítica.

genomas microbianos

Imagen: Los genomas microbianos reconstruidos a partir de más de 1.000 muestras de agua de mar proporcionan un tesoro para extraer el potencial metabólico de microorganismos biosintéticamente diversos en todo el océano global. © Helena Klein

La validación de experimentos llevó a una sorpresa

En colaboración con el grupo dirigido por Jörn Piel, los investigadores utilizaron experimentos para validar la estructura y función de ambos productos naturales. Dado que E. malaspinii no se podía cultivar, el equipo de Piel tuvo que injertar genes en una bacteria modelo para que sirvieran como modelo para los productos naturales. Esta bacteria produjo luego las sustancias correspondientes. Por último, los investigadores aislaron las moléculas de las células, determinaron la estructura y validaron la actividad biológica.

Esto fue necesario porque, en un caso, la actividad enzimática predicha por los programas de computadora no coincidía con los resultados de los experimentos. "Las predicciones informáticas sobre qué reacciones químicas desencadenará una enzima tienen sus limitaciones", dice Sunagawa. "Es por eso que tales predicciones deben validarse en el laboratorio si hay alguna duda".

Hacerlo es un costoso y lento trabajo que simplemente no es viable para una base de datos de 40.000 potenciales productos naturales. "Sin embargo, nuestra base de datos tiene mucho que ofrecer y es accesible para todos los investigadores que deseen usarla", dice Sunagawa.

Más allá de la colaboración continua con el grupo de Piel para descubrir nuevos productos naturales, Sunagawa quiere investigar cuestiones no resueltas en la evolución y ecología de los microorganismos oceánicos. Estos incluyen cómo se dispersan los microorganismos en el océano dado que solo pueden propagarse a grandes distancias de forma pasiva. También quiere descubrir qué beneficios ecológicos o evolutivos crean ciertos genes para los microbios. Sunagawa sospecha que los BGC pueden desempeñar un importante papel.

La investigación fue publicada en Nature: Biosynthetic potential of the global ocean microbiome

Imagen de cabecera: Las bacterias marinas son un importante reservorio de compuestos químicos no descubiertos que podrían ser de interés para los humanos. Crédito: Helena Klein/ZHdK

Etiquetas: OcéanoProductoFármacoNatural

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