El Prochlorococcus fija tanto carbono como todos los cultivos terrestres
Uno de los organismos más trabajadores del océano es el diminuto Prochlorococcus marinus, de color esmeralda.
Estos "picoplancton" unicelulares, más pequeños que un glóbulo rojo humano, se encuentran en asombrosas cantidades en las aguas superficiales del océano, lo que convierte al Prochlorococcus en el organismo fotosintetizador más abundante del planeta (en conjunto, el Prochlorococcus fija tanto carbono como todos los cultivos terrestres).
Los científicos continúan encontrando nuevas formas en las que el pequeño microbio verde participa en el ciclo y almacenamiento del carbono en el océano.
Ahora, los científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han descubierto una nueva capacidad de regulación de los océanos en los pequeños pero poderosos microbios: la alimentación cruzada de bloques constructores de ADN.
En un estudio publicado el 3 de enero, el equipo informa que Prochlorococcus libera estos compuestos adicionales en su entorno, donde luego son "alimentados de forma cruzada" o absorbidos por otros organismos oceánicos, ya sea como nutrientes, energía o para regular el metabolismo. Los desechos de Prochlorococcus, entonces, son recursos para otros microbios.
Es más, esta alimentación cruzada ocurre según un ciclo regular: los Prochlorococcus tienden a desprenderse de su bagaje molecular durante la noche, cuando los microbios emprendedores consumen rápidamente los desechos. En el caso de un microbio llamado SAR11, la bacteria más abundante en el océano, los investigadores descubrieron que la alimentación nocturna actúa como una especie de relajante, obligando a las bacterias a ralentizar su metabolismo y recargarse eficazmente para el día siguiente.
A través de esta interacción de alimentación cruzada, Prochlorococcus podría ayudar a muchas comunidades microbianas a crecer de manera sustentable, simplemente dándoles lo que no necesitan. Y lo están haciendo de una manera que podría marcar los ritmos diarios de los microbios en todo el mundo.
Imagen derecha: Prochlorococcus marinus
"La relación entre los dos grupos de microbios más abundantes en los ecosistemas oceánicos ha intrigado a los oceanógrafos durante años", dice la coautora y profesora del MIT Sallie "Penny" Chisholm, quien jugó un papel en el descubrimiento de Prochlorococcus en 1986. "Ahora tenemos una visión de la coreografía finamente afinada que contribuye a su crecimiento y estabilidad en vastas regiones de los océanos".
Dado que Prochlorococcus y SAR11 impregnan la superficie de los océanos, el equipo sospecha que el intercambio de moléculas de uno a otro podría constituir una de las principales relaciones de alimentación cruzada en el océano, lo que lo convierte en un importante regulador del ciclo del carbono oceánico.
"Al observar los detalles y la diversidad de los procesos de alimentación cruzada, podemos comenzar a descubrir fuerzas importantes que están dando forma al ciclo del carbono", dice el autor principal del estudio, Rogier Braakman, científico investigador del Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias (EAPS) del MIT.
Otros coautores del MIT incluyen a Brandon Satinsky, Tyler O'Keefe, Shane Hogle, Jamie Becker, Robert Li, Keven Dooley y Aldo Arellano, junto con Krista Longnecker, Melissa Soule y Elizabeth Kujawinski del Instituto Oceanográfico Woods Hole (WHOI).
Detectar náufragos
La alimentación cruzada se produce en todo el mundo microbiano, aunque el proceso se ha estudiado principalmente en comunidades muy unidas. En el intestino humano, por ejemplo, los microbios están muy próximos entre sí y pueden intercambiar y beneficiarse fácilmente de los recursos compartidos.
En comparación, los Prochlorococcus son microbios que flotan libremente y se impulsan y mezclan regularmente a través de las capas superficiales del océano. Si bien los científicos suponen que el plancton está involucrado en cierto grado de alimentación cruzada, históricamente ha sido difícil investigar exactamente cómo ocurre esto y quién se beneficiaría; cualquier material que Prochlorococcus desechara tendría concentraciones extremadamente bajas y sería extremadamente difícil de medir.
Pero en un trabajo publicado en 2023, Braakman se asoció con científicos del WHOI para desarrollar métodos pioneros para medir pequeños compuestos orgánicos en el agua de mar. En el laboratorio, cultivaron varias cepas de Prochlorococcus en diferentes condiciones y caracterizaron lo que liberaban los microbios.
Descubrieron que entre los principales "exudantes", o moléculas liberadas, se encontraban purinas y piridinas, que son los componentes básicos moleculares del ADN. Las moléculas también son ricas en nitrógeno, un hecho que desconcertó al equipo. Los proclorococos se encuentran principalmente en regiones oceánicas con bajo contenido de nitrógeno, por lo que se suponía que querrían conservar todos los compuestos nitrogenados que pudieran. ¿Por qué, entonces, los desechaban?
Imagen derecha: Ciclos crípticos de nitrógeno presuntamente mediados por purina:urea entre microbios oceánicos abundantes.
Sinfonía global
En su nuevo estudio, los investigadores analizaron en profundidad los detalles de la alimentación cruzada de Prochlorococcus y cómo influye en varios tipos de microbios oceánicos.
Se propusieron estudiar en primer lugar cómo Prochlorococcus utiliza la purina y la piridina, antes de expulsar los compuestos a su entorno. Compararon genomas publicados de los microbios en busca de genes que codificaran el metabolismo de la purina y la piridina.
Al rastrear los genes a través de los genomas, el equipo descubrió que una vez que se producen los compuestos, se utilizan para fabricar ADN y replicar el genoma de los microbios. Las purinas y piridinas sobrantes se reciclan y se utilizan de nuevo, aunque una fracción acaba liberada al medio ambiente. Los proclorococos parecen aprovechar al máximo los compuestos y luego desechar lo que no pueden.
El equipo también analizó los datos de expresión genética y descubrió que los genes implicados en el reciclaje de purinas y pirimidinas alcanzan su pico de actividad varias horas después del pico reconocido en la replicación del genoma que ocurre al anochecer. La pregunta entonces era: ¿Qué podría beneficiarse de esta eliminación nocturna?
Para ello, el equipo examinó los genomas de más de 300 microbios heterotróficos, es decir, organismos que consumen carbono orgánico en lugar de fabricarlo ellos mismos mediante la fotosíntesis. Sospecharon que estos consumidores de carbono podrían ser consumidores de desechos orgánicos de Prochlorococcus. Encontraron que la mayoría de los heterótrofos contenían genes que absorben purina o piridina, o en algunos casos, ambas, lo que sugiere que los microbios han evolucionado a lo largo de diferentes caminos en términos de cómo se alimentan cruzadamente.
El grupo se centró en un microbio que prefiere las purinas, SAR11, ya que es el microbio heterotrófico más abundante en el océano. Cuando luego compararon los genes de diferentes cepas de SAR11, descubrieron que varios tipos usan purinas para diferentes propósitos, desde simplemente absorberlas y usarlas intactas hasta descomponerlas para obtener energía, carbono o nitrógeno. ¿Qué podría explicar la diversidad en cómo los microbios utilizaban los desechos de Prochlorococcus?
Imagen: Papel hipotético de las purinas en la sincronización del metabolismo de SAR11 con el ciclo diario de luz:oscuridad.
Resulta que el entorno local desempeña un importante papel. Braakman y sus colaboradores realizaron un análisis metagenómico en el que compararon los genomas secuenciados colectivamente de todos los microbios en más de 600 muestras de agua de mar de todo el mundo, centrándose en las bacterias SAR11. Se recopilaron secuencias del metagenoma junto con mediciones de diversas condiciones ambientales y ubicaciones geográficas en las que se encuentran.
Este análisis mostró que las bacterias absorben purina para obtener nitrógeno cuando es bajo el nitrógeno en el agua de mar, y para obtener carbono o energía cuando hay nitrógeno en exceso, lo que revela las presiones selectivas que dan forma a estas comunidades en diferentes regímenes oceánicos.
"El trabajo aquí sugiere que los microbios en el océano han desarrollado relaciones que aumentan su potencial de crecimiento de maneras que no esperamos", dice el coautor Kujawinski.
Finalmente, el equipo llevó a cabo en el laboratorio un sencillo experimento, para ver si podían observar directamente un mecanismo por el cual la purina actúa sobre SAR11. Cultivaron las bacterias, las expusieron a diversas concentraciones de purina e inesperadamente descubrieron que esto hace que disminuyan sus actividades metabólicas normales e incluso su crecimiento.
Sin embargo, cuando los investigadores sometieron a estas mismas células a condiciones ambientales estresantes, continuaron creciendo células fuertes y sanas, como si la pausa metabólica causada por las purinas ayudara a prepararlas para el crecimiento, evitando así los efectos del estrés.
"Cuando piensas en el océano, donde ves este pulso diario de purinas liberadas por Prochlorococcus, esto proporciona una señal de inhibición diaria que podría estar causando una pausa en el metabolismo de SAR11, de modo que al día siguiente, cuando salga el sol, estén preparados y listos", dice Braakman. "Por lo tanto, creemos que Prochlorococcus actúa como un director en la sinfonía diaria del metabolismo oceánico, y la alimentación cruzada está creando una sincronización global entre todas estas células microbianas".
El estudio se ha publicado en Science Advances: Global niche partitioning of purine and pyrimidine cross-feeding among ocean microbes
