Una bacteria marina recicla el hierro para impulsar el metabolismo en el mar

Se revela una clave sorprendente en la vida de nuestros océanos

La Crocosphaera watsonii puede convertir el gas nitrógeno en nitrógeno orgánico

En el vasto océano, donde un nutriente esencial, el hierro, es escaso, una bacteria marina que inicia la cadena alimentaria del océano sobrevive mediante un  notable truco bioquímicos: recicla el hierro.

Durante el día, utiliza hierro en enzimas para la fotosíntesis y fabricar hidratos de carbono, y luego por la noche, parece volver a utilizar el mismo hierro en diferentes enzimas para producir nitrógeno orgánico para las proteínas.

La bacteria, Crocosphaera watsonii, es uno de los pocos microbios marinos que pueden convertir el gas nitrógeno en nitrógeno orgánico, que (al igual que hace en la tierra) actúa como fertilizante para estimular el crecimiento de las plantas en el océano. Por lo tanto la productividad de los océanos está limitada por nitrógeno, que a su vez está limitada por los suministros escasos de hierro para las enzimas necesarias para producir nitrógeno orgánico.

Esta capacidad renovada para la conservación del precioso hierro y utilizarlo en turnos de día y noche para satisfacer dos demandas metabólicas diferentes revela una clave sorprendente de la vida en nuestro planeta, según científicos de la Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Ellos publicaron sus resultados en el número del 10 de enero de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Los científicos llaman a la estrategia "litera caliente (hot bunking)", en referencia a los buques que navegan con menos literas que marineros abordo. Las literas se mantienen continuamente calientes, los marineros que terminan la noche ocupan las literas recién vaciadas por los marineros que se levantan para los turnos de día.

La Crocosphaera utiliza el hierro que contienen las enzimas nitrogenasa para convertir el gas nitrógeno disuelto en nitrógeno orgánico (un proceso llamado "fijación" de nitrógeno). A medida que el sol sale, la bacteria descompone estas enzimas,  liberando hierro que puede ser utilizado para hacer las enzimas fotosintéticas necesarias para convertir el dióxido de carbono disuelto en hidratos de carbono. Cuando se pone el sol, muchas de las enzimas fotosintéticas se descomponen, liberando el hierro otra vez para ser reciclado en la nitrogenasa.

La Crocosphaera pertenece a un subgrupo de bacterias llamadas cianobacterias. "Ellas tienen una manera de vivir un poco de Dr. Jekyll y Mr. Hyde: fotosíntesis de día y fijación de nitrógeno por la noche", dijo Mak Saito, biogeoquímico del WHOI y autor principal del artículo en PNAS. Los científicos ya sabían que las cianobacterias tenían esta inusual doble capacidad de metabólizar, pero no sabían cómo se podría lograr con escasos suministros de hierro.

La bacteria paga un precio en la energía necesaria para destruir y reconstruir las enzimas cada día, pero vale la pena para maximizar el uso del escaso hierro. Los científicos estiman que al utilizar la estrategia de "litera caliente", el organismo puede sobrevivir con alrededor del 40 por ciento menos del hierro del que sería necesario. Permite a la Crocosphaera prosperar y producir nitrógeno orgánico para mantener la vida en las aguas pobres en hierro que de otra manera serían menos productivas.

La sorprendente abundancia de cianobacterias en el océano fue descubierta en la década de 1970 por el microbiólogo del WHOI Stanley Watson y sus colegas Frederica Valois y John Waterbury, que más tarde continuaron sus investigaciones pioneras para dilucidar las funciones ecológicas fundamentales de las cianobacterias para el océano y el planeta. La Crocosphaera watsonii lleva el nombre del difunto Dr. Watson.

Las cianobacterias han sido notoriamente difíciles de cultivar en el laboratorio. En el WHOI, Waterbury, Valois y sus colegas establecieron métodos de cultivo rutinario y fiable de cianobacterias, manteniendo una colección de células de cianobacterias en un edificio nuevo llamado Laboratorio Stanley W. Watson. La colección es una especie de biblioteca de células que se prestan para su estudio a los científicos de todo el mundo, incluyendo las nuevas generaciones de científicos del WHOI que trabajan en el Laboratorio Watson: Saito, el estudiante graduado Erin Bertrand, y los asociados al laboratorio Vladimir Bulygin y Dawn Moran.

Ellos aplicaron nuevas técnicas de investigación biomédica para el estudio de los océanos: la proteómica. Como los estudios de genómica de los genes en un organismo (su genoma), la proteómica estudia las proteínas a partir de instrucciones codificadas en los genes (su proteoma).

"Queríamos saber no sólo de lo que podría potencialmente estar hecho el genoma de la Crocosphaera, sino también lo que en realidad hacen las proteínas de la Crocosphaera", dijo Saito.

Una parte clave de la técnica implica el uso de espectrómetros de masas que distinguir y medir las distintas proteínas en el organismo por las diferencias infinitesimales de sus masas. Los investigadores midieron el inventario de hierro que contienen las proteínas durante los períodos de oscuridad y luz. Las enzimas fijadoras de nitrógeno estaban en gran medida ausentes durante el día y presente en la noche, el hierro que contienen las enzimas fotosintéticas disminuyó durante los períodos de oscuridad y volvió a aparecer durante los períodos de luz. Por lo tanto, a cualquier hora del día, la Crocsophaera requiere sólo la mitad del hierro que necesitaría si se mantuvieran los dos grupos de enzimas durante el día.

Para explorar las implicaciones en su capacidad de "litera caliente" de la Crocosphaera, los científicos del MIT, Stephanie Dutkiewicz, Fanny Montero y Mick Follows, utilizaron un modelo numérico que simula la circulación oceánica global, la bioquímica y la dinámica de los ecosistemas. El modelo mostró que la Crocosphaera tiene la capacidad de reducir sus necesidades de hierro lo que les permite habitar las regiones oceánicas con bajos niveles de hierro. También permite el suministro de hierro mismo para apoyar un mayor crecimiento de las cianobacterias y la fijación de más nitrógeno que sostiene la vida marina más arriba en la cadena alimentaria.

El financiamiento para esta investigación provino de la Fundación Nacional de Ciencias, una Environmental Protection Agency Star Fellowship, el WHOI Ocean Life Institute, el NSF-funded Center for Microbial Research and Education, y el Center for Environmental Bioinorganic Chemistry at Princeton University. El artículo está dedicado al co-autor Vladimir Bulygin quien falleció en 2009.

Ilustración ciclo Crocosphaera: Jack Cook de Woods Hole Oceanographic Institution
Imágenes Tom Kleindinst y Mak Saito