Bacterias gigantes en los manglares de Guadalupe desafían los conceptos tradicionales

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Bacteria gigante Ca. Thiomargarita magnifica
Bacteria gigante Ca. Thiomargarita magnifica

Una bacteria de un centímetro de largo con ADN contenido en orgánulos metabólicamente activos unidos a la membrana

A primera vista, las aguas ligeramente turbias en el tubo de ensayo parecen una bola de agua de lluvia, completada en la mezcla con hojas, basuras e incluso hilos más ligeros. Pero en la placa de Petri, los finos hilos parecidos a fideos que flotan delicadamente sobre los restos de hojas se revelan como células bacterianas individuales, visibles a simple vista.

El inusual tamaño es notable porque las bacterias no suelen ser visibles sin la ayuda de un microscopio. "Son 5.000 veces más grande que la mayoría de las bacterias. Para ponerlo en contexto, sería como si un humano se encontrara con otro humano tan alto como el Monte Everest", dijo Jean-Marie Volland, un científico con nombramientos conjuntos en el Instituto Conjunto del Genoma (JGI) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y el Laboratorio de Investigación en Sistemas Complejos (LRC) en Menlo Park, California.

Volland y sus colegas, incluidos investigadores del JGI y Berkeley Lab, LRC y de la Université des Antilles en Guadalupe, describieron las características morfológicas y genómicas de esta bacteria filamentosa gigante, junto con con su ciclo de vida.

Para la mayoría de las bacterias, su ADN flota libremente dentro del citoplasma de sus células. Esta especie de bacteria gigante recién descubierta mantiene su ADN más organizado. "La gran sorpresa del proyecto fue darnos cuenta de que estas copias del genoma que se distribuyen por toda la célula en realidad están contenidas dentro de una estructura que tiene una membrana", dijo Volland. "Y esto es muy inesperado para una bacteria".

manglares en Guadalupe

Imagen: Vista de los sitios de muestreo en medio de los manglares en Guadalupe. Crédito: Hugo Bret

Extraños encuentros en los manglares

La bacteria en sí fue descubierta en 2009 por Olivier Gros, profesor de biología marina en la Université des Antilles en Guadalupe. La investigación de Gros se enfoca en los sistemas de manglares marinos, y estaba buscando simbiontes oxidantes de azufre en sedimentos de manglares ricos en azufre no lejos de su laboratorio cuando encontró la bacteria por primera vez.

"Cuando las vi, pensé, 'Extraño'", dijo. "Al principio pensé que era solo algo curioso, algunos filamentos blancos que debían unirse a algo en el sedimento como una hoja". El laboratorio realizó algunos estudios de microscopía durante los siguientes dos años y se dio cuenta de que era un procariota oxidante de azufre.

Silvina Gonzalez-Rizzo, profesora asociada de biología molecular en la Université des Antilles y coautora del estudio, realizó la secuenciación del gen 16S rRNA para identificar y clasificar el procariota. "Pensé que eran eucariotas; no pensé que fueran bacterias porque eran muy grandes y aparentemente tenían muchos filamentos", recordó sobre su primera impresión. "Nos dimos cuenta de que eran únicos porque parecían una sola célula. ¡El hecho de que fueran un 'macro microbio' fue fascinante!"

filamento de la bacteria gigante Ca. Thiomargarita magnificaImagen derecha: Filamento simple de Ca. Thiomargarita magnifica. Crédito: Jean-Marie Volland

"Ella entendió que era una bacteria perteneciente al género Thiomargarita", señaló Gros. "La llamó Ca. Thiomargarita magnifica".

"Magnifica porque magnus en latín significa grande y creo que es hermoso como la palabra francesa magnifique", explicó Gonzalez-Rizzo. "Este tipo de descubrimiento abre nuevas preguntas sobre los morfotipos bacterianos que nunca antes se habían estudiado".

Caracterización de la bacteria gigante

Volland se involucró con la bacteria gigante Thiomargarita cuando regresó al laboratorio de Gros como becario postdoctoral. Cuando se postuló para el puesto basado en el descubrimiento en el LRC que lo vería trabajando en el JGI, Gros le permitió continuar con la investigación del proyecto.

En el JGI, Volland comenzó a estudiar Ca. T. magnifica en el Grupo de Células Únicas de Tanja Woyke para comprender mejor qué estaba haciendo esta bacteria que oxida el azufre y fija el carbono en los manglares. "Los manglares y sus microbiomas son importantes ecosistemas para el ciclo del carbono. Si miras el espacio que ocupan a escala global, es menos del 1% del área costera a nivel global. Pero cuando observas el almacenamiento de carbono, encontrarás que contribuyen con el 10-15% del carbono almacenado en los sedimentos costeros", dijo Woyke, quien también dirige el Programa Microbiano de JGI y es uno de los autores principales del artículo.

El equipo también se vio obligado a estudiar estas grandes bacterias a la luz de sus posibles interacciones con otros microorganismos. "Comenzamos este proyecto bajo el impulso estratégico de JGI de interacciones entre organismos, porque se ha demostrado que las grandes bacterias de azufre son puntos calientes para los simbiontes", dijo Woyke. "Sin embargo, el proyecto nos llevó en una dirección muy diferente", agregó.

Volland asumió el desafío de visualizar estas células gigantes en tres dimensiones y con un aumento relativamente alto. Usando varias técnicas de microscopía, como la tomografía de rayos X duros, por ejemplo, visualizó filamentos enteros de hasta 9,66 mm de largo y confirmó que, de hecho, eran células individuales gigantes en lugar de filamentos multicelulares, como es común en otras grandes bacterias del azufre.

También pudo usar las instalaciones de imágenes disponibles en Berkeley Lab, como la microscopía de escaneo láser confocal y la microscopía electrónica de transmisión (TEM) para visualizar los filamentos y las membranas celulares con más detalles. Estas técnicas le permitieron observar nuevos compartimentos unidos a la membrana que contienen grupos de ADN. Llamó a estos orgánulos "pepinas", por las pequeñas semillas de las frutas. Los grupos de ADN eran abundantes en las células individuales.

manglares en GuadalupeImagen derecha: Se recolectaron muestras de la bacteria Thiomargarita en medio de los manglares en Guadalupe. Crédito: Olivier Gros

El equipo aprendió sobre la complejidad genómica de la célula. Como señaló Volland, "las bacterias contienen tres veces más genes que la mayoría de las bacterias y cientos de miles de copias del genoma (poliploidía) que se distribuyen por toda la célula".

Luego, el equipo de JGI utilizó la genómica de células individuales para analizar cinco de las células bacterianas a nivel molecular. Amplificaron, secuenciaron y ensamblaron los genomas. Paralelamente, el laboratorio de Gros también utilizó una técnica de marcaje conocida como BONCAT para identificar las áreas involucradas en las actividades de producción de proteínas, lo que confirmó que todas las células bacterianas estaban activas.

"Este proyecto ha sido una buena oportunidad para demostrar cómo ha evolucionado la complejidad en algunos de los organismos más simples", dijo Shailesh Date, fundador y director ejecutivo de LRC, y uno de los autores principales del artículo. "Una de las cosas que hemos argumentado es que es necesario observar y estudiar la complejidad biológica con mucho más detalle de lo que se está haciendo actualmente. Entonces, los organismos que creemos que son muy, muy simples podrían tener algunas sorpresas".

El LRC proporcionó fondos para Volland a través de subvenciones de la Fundación John Templeton y la Fundación Gordon y Betty Moore. "Este innovador descubrimiento destaca la importancia de apoyar proyectos de investigación fundamentales y creativos para avanzar en nuestra comprensión del mundo natural", agregó Sara Bender de la Fundación Gordon y Betty Moore. "Esperamos saber cómo la caracterización de Ca. Thiomargarita magnifica desafía el paradigma actual de lo que constituye una célula bacteriana y haga avanzar la investigación microbiana".

Una bacteria gigante, múltiples preguntas de investigación

Para el equipo, caracterizando Ca. Thiomargarita magnifica ha allanado el camino para múltiples nuevas preguntas de investigación. Entre ellas, está el papel de la bacteria en el ecosistema del manglar. "Sabemos que está creciendo y prosperando sobre el sedimento del ecosistema de manglares en el Caribe", dijo Volland. "En términos de metabolismo, hace quimiosíntesis, que es un proceso análogo a la fotosíntesis de las plantas".

Otra cuestión pendiente es si los nuevos orgánulos llamados pepinos jugaron un papel en la evolución del tamaño extremo de Thiomargarita magnifica, y si las pepinas están presentes o no en otras especies bacterianas. También queda por estudiar la formación precisa de las pepinas y cómo se producen y regulan los procesos moleculares dentro y fuera de estas estructuras.

Gonzalez-Rizzo y Woyke ven el cultivo exitoso de la bacteria en el laboratorio como una forma de obtener algunas de las respuestas. "Si podemos mantener estas bacterias en un entorno de laboratorio, podemos usar técnicas que no son factibles en este momento", dijo Woyke. Gros quiere observar otras grandes bacterias. "Puedes encontrar algunas imágenes de TEM y ver lo que parecen pepinas, así que tal vez la gente las vio pero no entendió lo que eran. Será muy interesante verificar eso, si las pepinas ya están presentes en todas partes".

Los hallazgos se publican en la edición del 24 de junio de 2022 de la revista Science: A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles

Imagen de cabecera: Representación artística de Ca. Thiomargarita magnifica con moneda de diez centavos. (Crédito: foto de Mangrove de Pierre Yves Pascal; ilustración de Susan Brand/Berkeley Lab)

Etiquetas: BacteriaGiganteManglar

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