Las bacterias del azufre se unen para descomponer las sustancias orgánicas en el fondo del mar
Las bacterias reductoras de sulfato descomponen una gran proporción del carbono orgánico en las zonas libres de oxígeno de la Tierra, y en el fondo del mar en particular.
Entre estos importantes microbios, la familia de bacterias Desulfobacteraceae se destaca porque sus miembros son capaces de descomponer una amplia variedad de compuestos, incluidos algunos que son poco degradables, hasta su producto final, el dióxido de carbono (CO2).
Un equipo de investigadores dirigido por el Dr. Lars Wöhlbrand y el Prof. Dr. Ralf Rabus de la Universidad de Oldenburg, Alemania, ha investigado en detalle el papel de estos microbios y ha publicado los resultados en un exhaustivo estudio.
El equipo informa que las bacterias están distribuidas por todo el mundo y poseen un complejo metabolismo que muestra características modulares. Todas las cepas estudiadas poseen la misma arquitectura metabólica central para la recolección de energía, por ejemplo.
Sin embargo, algunas cepas poseen módulos moleculares adicionales específicos de la cepa que les permiten utilizar diversas sustancias orgánicas. Los investigadores atribuyen el éxito ambiental de este grupo de bacterias a este versátil sistema modular. También explican que su estudio aporta nuevas herramientas analíticas para avanzar en nuestra comprensión del papel de los microbios reductores de sulfato en el ciclo global del carbono y su relevancia para el clima.
Imagen: Ralf Rabus (izquierda) y Lars Wöhlbrand quieren comprender en detalle cómo funcionan las bacterias y cómo descomponen diferentes sustancias. Los microbiólogos son expertos en bacterias reductoras de sulfato que viven en sedimentos con poco oxígeno. Universidad de Oldenburg / Matthias Knust
La vida en el límite termodinámico
"Estos reductores de sulfato viven su vida en el límite termodinámico", explica Rabus, quien dirige el grupo de trabajo de Microbiología General y Molecular en el Instituto de Química y Biología del Medio Marino (ICBM) de la Universidad de Oldenburg. Estas bacterias utilizan sulfato en lugar de oxígeno para respirar y obtienen sólo una fracción de la energía que las bacterias aeróbicas pueden extraer de la degradación de sustancias orgánicas. Sin embargo, son extremadamente activas y desempeñan un papel clave en la descomposición de la materia orgánica en el fondo marino.
"Se estima que en las aguas costeras y en las plataformas continentales, donde se depositan cantidades especialmente grandes de materia orgánica, las bacterias reductoras de sulfato son responsables de más de la mitad de la degradación del fondo marino", señala Rabus.
Explica que los miembros dominantes de la comunidad bacteriana a menudo pertenecen a la familia Desulfobacteraceae, y la actividad de estos microbios es claramente visible en entornos como las marismas, donde el sedimento a solo unos pocos milímetros debajo de la superficie está libre de oxígeno. "Esto produce la formación de sulfuro de maloliente hidrógeno y de los característicos precipitados de sulfuro de hierro negro", explica.
Imagen: Las proteínas son las herramientas moleculares de las bacterias. Los investigadores utilizan varios métodos para analizar qué proteínas son activas en diferentes condiciones. Tras la separación inicial de la mezcla molecular, las proteínas similares se agrupan en bandas azules. Crédito: University of Oldenburg / Matthias Knust
Sin embargo, se sabía poco sobre el papel que desempeñan los miembros de la familia Desulfobacteraceae en la degradación de la materia orgánica a nivel global, o sobre los mecanismos moleculares subyacentes. Para obtener una visión más detallada, el equipo analizó primero la prevalencia mundial de estas bacterias reductoras de sulfato. Un estudio de la literatura pertinente reveló que están distribuidas en todo el mundo y se encuentran en todas las áreas marinas entre el Ártico y la Antártida, particularmente en ambientes con poco oxígeno o sin oxígeno, como se esperaba.
Estrategias moleculares similares para descomponer compuestos orgánicos
En el siguiente paso, los investigadores cultivaron seis cepas muy diferentes de Desulfobacteraceae.
"Algunas son especialistas en descomponer sólo determinados compuestos, mientras que otras pueden utilizar un amplio espectro de sustancias. Algunas son pequeñas y esféricas, otras son alargadas o incluso filamentosas", explica el autor principal del estudio, Lars Wöhlbrand.
Para descifrar su metabolismo, los investigadores alimentaron a los microbios con un total de 35 sustancias diferentes (sustratos), desde simples productos de fermentación hasta ácidos grasos de cadena larga y compuestos aromáticos poco degradables. En total, se utilizaron 80 condiciones de prueba para las seis cepas estudiadas. A continuación, el equipo analizó qué genes se activaban durante la degradación de estas sustancias y qué proteínas utilizaban los microbios para este proceso. Resultó que las diferentes cepas emplean estrategias moleculares muy similares para descomponer las sustancias y las seis cepas también utilizan la misma vía altamente eficiente energéticamente para el metabolismo central.
Imagen: Para determinar qué herramientas moleculares utilizan las bacterias reductoras de sulfato, los investigadores analizaron todo el conjunto de proteínas presentes, conocido como proteoma. En total, observaron los resultados de 80 condiciones de prueba diferentes. En cada ocasión, separaron la mezcla de proteínas en varios pasos, hasta que pudieron identificar cada compuesto individual. Aquí, un gel separador que contiene bandas azules con proteínas de tamaño y carga similares se coloca sobre una mesa de luz. Un brazo robótico corta del gel trozos del tamaño de la cabeza de un alfiler, que pueden contener desde unas pocas hasta más de cien proteínas diferentes. Estas proteínas preclasificadas se analizan posteriormente utilizando un cromatógrafo y un espectrómetro de masas. Crédito: Universidad de Oldenburg / Mohssen Assanimoghaddam
Los investigadores concluyen que las Desulfobacteraceae trabajan juntas como un equipo y, en consecuencia, son capaces de descomponer una gran cantidad de sustratos diferentes en una variedad de condiciones geoquímicas y en una amplia gama de diferentes ubicaciones geográficas.
"No existe una única especie dominante", subraya Rabus. Las bacterias funcionan como una comunidad colaborativa, similar a un equipo de fútbol. "Cada equipo tiene un portero y un delantero, pero cada equipo también hace las cosas a su manera", añade Wöhlbrand. Esta versatilidad también puede explicar por qué las Desulfobacteraceae se encuentran entre los reductores de sulfato más extendidos en todo el mundo.
Junto con el Prof. Dr. Michael Schloter de la Universidad Técnica de Múnich (Alemania), los científicos investigaron luego si los planos genéticos de ciertos módulos clave de la red metabólica podían detectarse en muestras de sedimentos. De hecho, descubrieron los genes seleccionados en casi todas las muestras analizadas, tomadas en áreas marinas que iban desde aguas poco profundas hasta aguas profundas, incluyendo estuarios ricos en nutrientes, manantiales de aguas profundas calientes y frías y sedimentos del Mar Negro, pobre en oxígeno.
El equipo concluye que su análisis, en primer lugar, subraya el papel clave que desempeñan las Desulfobacteriaceae en la descomposición del carbono a nivel global y, en segundo lugar, demuestra que los genes investigados pueden utilizarse como herramientas analíticas para estudiar la actividad microbiana directamente en el fondo marino.
"Probablemente hasta ahora se ha subestimado la importancia de los reductores de sulfato en el ciclo del carbono", afirma el profesor Dr. Michael Winklhofer, del Instituto de Biología y Ciencias Ambientales de la Universidad de Oldenburg, que participó en el análisis.
El geofísico añade que el papel de estos microbios anaeróbicos en los procesos de degradación del carbono en zonas costeras puede aumentar en el futuro, porque el contenido de oxígeno de los océanos ha ido disminuyendo desde alrededor de 1960 como consecuencia de la sobrefertilización y el calentamiento global.
El estudio se ha publicado en la revista Science Advances: Key role of Desulfobacteraceae in C/S cycles of marine sediments is based on congeneric catabolic-regulatory networks
