Así se enfrentan las bacterias a entornos de metales tóxicos en los respiraderos de aguas profundas
Cuando imaginamos las profundidades del mar, a menudo pensamos en un páramo frío, oscuro y vacío, escasamente poblado por criaturas de las profundidades de monstruoso aspecto.
Pero en las fisuras a lo largo del lecho marino, brota hacia arriba el agua del océano sobrecalentada por el magma de la Tierra y enriquecida con minerales de la corteza, formando fumarolas hidrotermales que actúan como oasis para un ecosistema marino diverso y único.
La luz del sol, que alimenta la mayor parte de la vida en la Tierra, no puede penetrar hasta estas vastas profundidades. En cambio, aquí las criaturas, como los gusanos tubícolas, los cangrejos y los mejillones, dependen todas de las bacterias, que pueden capturar la energía química de los compuestos liberados por los respiraderos.
Ahora, un equipo de investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST), en colaboración con la Agencia Japonesa para la Ciencia y Tecnología de la Tierra y el Mar (JAMSTEC), ha identificado cómo pueden adaptarse las bacterias a los metales tóxicos liberados de los respiraderos hidrotermales.
"Los respiraderos hidrotermales son quizás el entorno más extremo que se encuentra en la Tierra, con alta presión, altas temperaturas, ausencia de oxígeno y abundancia de metales tóxicos", dijo la Dra. Angela Ares, ex investigadora postdoctoral en la Unidad de Biofísica Marina (Prof. Satoshi Mitarai ) en OIST y primera autora del estudio.
"Las bacterias son organismos asombrosos y han logrado adaptarse a condiciones muy desafiantes. Comprender cómo tuvieron éxito podría conducir a aplicaciones realmente importantes, como nuevas soluciones para limpiar metales tóxicos que se han filtrado al medio ambiente".
En el estudio, la Dra. Ares y sus colegas se centraron en las estrategias de tolerancia a metales de Nitratiruptor sp. SB155-2. Esta especie de bacteria fue aislada de los respiraderos en Okinawa Trough y cultivada y proporcionada a OIST por JAMSTEC.
Imagen: Las bacterias expuestas al cadmio (derecha) tenían más probabilidades de desarrollar flagelos que las bacterias no expuestas al cadmio (izquierda). Crédito: OIST
En general, hay tres formas principales en que las bacterias pueden lidiar con los metales tóxicos. Un método es bombear continuamente hacia el entorno los iones metálicos dentro de las células. Otra estrategia es secuestrar el metal tóxico en gránulos dentro de la célula, para que no interfieran con las reacciones metabólicas de las bacterias. Finalmente, las bacterias pueden producir y liberar enzimas que pueden hacer que los metales se cristalicen o precipiten en un compuesto no tóxico fuera de la célula.
Los investigadores buscaron similitudes y diferencias en las estrategias de las bacterias en respuesta a dos metales diferentes que se encuentran comúnmente en estos respiraderos, cadmio y cobre.
"Ambos metales son tóxicos incluso en bajas concentraciones, pero hay una diferencia crucial: las bacterias necesitan cobre en cantidades mínimas, mientras que el cadmio no tiene una función biológica conocida", explicó la Dra. Ares. "Esperábamos que, por lo tanto, las bacterias pudieran tener una respuesta más compleja al cobre que al cadmio, de modo que la concentración de cobre pueda regularse de cerca".
Los investigadores primero identificaron la concentración más alta de cada metal que las bacterias podían tolerar antes de que dejaran de crecer. Luego, el equipo comparó bacterias cultivadas con estos niveles de metales tóxicos con bacterias cultivadas sin metales tóxicos para ver qué genes eran más o menos activos y qué proteínas eran más o menos abundantes.
Los investigadores encontraron que las bacterias usaban proteínas transportadoras como una estrategia general no específica para bombear cadmio y cobre fuera de sus células. Sin embargo, también hubo claras diferencias en la respuesta de las bacterias a los dos metales.
Imagen derecha: Las bacterias de los respiraderos hidrotermales de aguas profundas tenían gránulos que contenían cadmio (puntos claros) que se hicieron más grandes y abundantes cuando se expusieron a altas concentraciones del metal tóxico, el cadmio. Crédito: OIST
"Para el cobre, encontramos que estaban involucrados un número mucho mayor de genes relacionados con las bombas de transporte, junto con genes involucrados en otras vías relacionadas con el estrés. Esto sugiere que la respuesta al cobre es de hecho más sofisticada, lo que permite un ajuste fino de la concentración de cobre", dijo la Dra. Ares.
Por otro lado, las bacterias también respondieron al cadmio utilizando métodos que no se observaron para el cobre. Una de las respuestas más sorprendentes fue un aumento en la actividad de los genes implicados en la formación de flagelos y la quimiotaxis (movimiento en respuesta a señales químicas).
"Una cosa es medir la expresión génica, pero ver para creer, así que examinamos las bacterias mediante microscopía electrónica de barrido", dijo la Dra. Ares. "Y sorprendentemente, las bacterias expuestas al cadmio tenían más probabilidades de tener flagelos que nuestras bacterias no estresadas".
Los flagelos ayudan a impulsar a las bacterias, por lo que una posible explicación es que cuando los niveles de cadmio son demasiado altos, las bacterias estresadas intentan trasladarse a un entorno más favorable. Aquí también entra en juego la quimiotaxis, ya que las bacterias se alejan o se acercan a señales químicas específicas para encontrar mejores condiciones de crecimiento, en lugar de moverse al azar.
Los microscopios electrónicos de última generación del OIST también permitieron al equipo detectar la acumulación de precipitado, sulfato de cadmio, en la parte exterior de la pared celular de las bacterias. Los investigadores también vieron que los gránulos dentro de la bacteria, que también contenían cadmio, se hicieron más grandes y abundantes.
"Ver a las bacterias usar estos métodos para desintoxicar el cadmio es realmente emocionante, ya que brinda a los científicos una nueva vía para explorar la limpieza de metales pesados sin depender de métodos intensivos en carbono", dijo el Dr. Ares.
Los hallazgos fueron publicados en la revista Environmental Microbiology: Sequestration and efflux largely account for cadmium and copper resistance in the deep‐sea Nitratiruptor sp. SB155 ‐2 (phylum Campylobacterota)
