Tienen estructuras lipídicas únicas que les permiten vivir bajo una intensa presión
El fondo del océano no es hospitalario. No hay luz; la temperatura es helada; y la presión de toda el agua de arriba literalmente te aplastará.
Los animales que viven a esta profundidad han desarrollado adaptaciones biofísicas que les permiten sobrevivir en estas duras condiciones. ¿Cuáles son estas adaptaciones y cómo se desarrollaron?
El profesor asistente de Química y Bioquímica de la Universidad de California en San Diego, Itay Budin, se asoció con investigadores de todo el país para estudiar las membranas celulares de los ctenóforos ("medusas peine") y descubrió que tenían estructuras lipídicas únicas que les permiten vivir bajo una intensa presión.
Adaptarse al medio ambiente
Lo primero es lo primero: aunque las medusas peine parecen medusas, no están estrechamente relacionadas. Las medusas peine comprenden el filo Ctenophora. Son depredadores que pueden crecer hasta el tamaño de una pelota de voleibol y vivir en océanos de todo el mundo y en diversas profundidades, desde la superficie hasta las profundidades del mar.
Las membranas celulares tienen finas láminas de lípidos y proteínas que necesitan mantener ciertas propiedades para que las células funcionen correctamente. Si bien se sabe desde hace décadas que algunos organismos han adaptado sus lípidos para mantener la fluidez en condiciones de frío extremo (lo que se denomina adaptación homeoviscosa), no se sabía cómo los organismos que viven en las profundidades del mar se han adaptado a presiones extremas, ni si la adaptación a la presión fue la misma que la adaptación al frío.
Budin había estado estudiando la adaptación homeoviscosa en la bacteria E. coli, pero cuando Steven Haddock, científico principal del Instituto de Investigación del Acuario de la Bahía de Monterey (MBARI), preguntó si los ctenóforos tenían la misma adaptación homeoviscosa para compensar la presión extrema, Budin quedó intrigado.
Los organismos complejos tienen diferentes tipos de lípidos. Los humanos tenemos miles de ellos: el corazón tiene otros diferentes a los de los pulmones, que son diferentes a los de la piel, etc. También tienen diferentes formas; algunos son cilíndricos y otros tienen forma de cono.
Para responder si los ctenóforos se adaptaban al frío y a la presión mediante el mismo mecanismo, el equipo necesitaba controlar la variable de temperatura. Jacob Winnikoff, el autor principal del estudio que trabajó tanto en MBARI como en la UC San Diego, analizó los ctenóforos recolectados en todo el hemisferio norte, incluidos los que vivían en el fondo del océano en California (frío, alta presión) y los de la superficie del Océano Ártico (frío, no alta presión).
Imagen: Buceo en busca de medusas peine en aguas poco profundas frente a la Isla Grande de Hawái. La mayoría de las medusas viven en mar abierto, donde los buzos tienen que usar correas para evitar alejarse a la deriva. Crédito: 2021 Jacob Winnikoff
"Resulta que los ctenóforos han desarrollado estructuras lipídicas únicas para compensar la intensa presión, distintas de las que compensan el frío intenso", afirmó Budin, "tanto es así que la presión es en realidad lo que mantiene unidas sus membranas celulares".
Los investigadores llaman a esta adaptación "homeocurvatura" porque la forma curva de los lípidos se ha adaptado al hábitat único de los ctenóforos. En las profundidades del mar, los lípidos en forma de cono han evolucionado hasta adoptar exageradas formas de cono. La presión del océano contrarresta la exageración, por lo que la forma de los lípidos es normal, pero sólo a estas presiones extremas. Cuando los ctenóforos de las profundidades marinas suben a la superficie, regresa la exagerada forma de cono, las membranas se separan y los animales se desintegran.
Las moléculas con exagerada forma de cono son un tipo de fosfolípidos llamados plasmalógenos. Los plasmalógenos son abundantes en el cerebro humano y su disminución en abundancia suele ir acompañada de una disminución de la función cerebral e incluso de enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer. Esto los hace muy interesantes para los científicos e investigadores médicos.
"Una de las razones por las que elegimos estudiar los ctenóforos es porque su metabolismo lipídico es similar al de los humanos", afirmó Budin. "Y aunque no me sorprendió encontrar plasmalógenos, sí me sorprendió ver que representan hasta tres cuartas partes del recuento de lípidos de un ctenóforo de aguas profundas".
Para probar más a fondo este descubrimiento, el equipo volvió a E. coli y realizó dos experimentos en cámaras de alta presión: uno con bacterias inalteradas y un segundo con bacterias que habían sido modificadas mediante bioingeniería para sintetizar plasmalógenos. Mientras que la E. coli inalterada desapareció, la cepa de E. coli que contenía plasmalógenos prosperó.
Estos experimentos se llevaron a cabo a lo largo de varios años y con colaboradores de múltiples instituciones y disciplinas. En la UC San Diego, además de Budin, cuyo grupo realizó los experimentos de biofísica y microbiología, el laboratorio del distinguido profesor de química y bioquímica Edward Dennis realizó análisis de lípidos mediante espectrometría de masas. Los biólogos marinos del MBARI recolectaron ctenóforos para estudiarlos, mientras que los físicos de la Universidad de Delaware realizaron simulaciones por computadora para validar el comportamiento de las membranas a diferentes presiones.
Budin, que está interesado en estudiar cómo regulan las células la producción de lípidos, espera que este descubrimiento conduzca a más investigaciones sobre el papel que desempeñan los plasmalógenos en la salud y las enfermedades del cerebro.
"Creo que la investigación muestra que los plasmalógenos tienen propiedades biofísicas realmente únicas", afirmó. "Así que ahora la pregunta es: ¿Qué importancia tienen esas propiedades para el funcionamiento de nuestras propias células?. Creo que ese es el mensaje para desarrollar".
El trabajo aparece en Science: Homeocurvature adaptation of phospholipids to pressure in deep-sea invertebrates
