Alrededor de los microbios termófilos que viven allí las temperaturas son de hasta 350 °C
La gente se ha preguntado durante mucho tiempo cómo era la vida en la Tierra y si hay vida en nuestro sistema solar más allá de nuestro planeta. Los científicos tienen motivos para creer que algunas lunas de nuestro sistema solar, como Europa de Júpiter y Encélado de Saturno, podrían contener profundos, salados y líquidos océanos bajo una capa de hielo. Los volcanes del fondo marino podrían calentar los océanos de estas lunas y proporcionar las sustancias químicas básicas necesarias para la vida.
Volcanes similares en aguas profundas de la Tierra albergan vida microbiana que vive en el interior de la roca sólida, sin luz solar ni oxígeno. Algunos de estos microbios, llamados termófilos, viven a temperaturas lo suficientemente altas como para hervir el agua en la superficie. Se desarrollan a partir de las sustancias químicas que emanan de los volcanes activos.
Debido a que estos microorganismos existían antes de que hubiera fotosíntesis u oxígeno en la Tierra, los científicos creen que estos volcanes y microbios de aguas profundas podrían parecerse a los primeros hábitats y formas de vida de la Tierra y más allá.
Para determinar si podría existir vida más allá de la Tierra en estos mundos oceánicos, la NASA envió la nave espacial Cassini a orbitar Saturno en 1997. La agencia también ha enviado tres naves espaciales a orbitar Júpiter: Galileo en 1989, Juno en 2011 y, más recientemente, Europa Clipper en 2024. Estas naves espaciales volaron y volarán cerca de Encélado y Europa para medir su habitabilidad para la vida utilizando un conjunto de instrumentos.
Imagen: Diagrama del interior de Encélado, la luna de Saturno, que podría albergar columnas de calor bajo su océano. Superficie: NASA/JPL-Caltech/Instituto de Ciencias Espaciales; interior: LPG-CNRS/Universidad de Nantes/Universidad de Angers. Composición gráfica: ESA
Sin embargo, para que los científicos planetarios interpreten los datos que recopilan, primero necesitan comprender cómo funcionan hábitats similares y cómo albergan vida en la Tierra.
"Mi laboratorio de microbiología en la Universidad de Massachusetts Amherst estudia termófilos de aguas termales en volcanes de aguas profundas, también llamados respiraderos hidrotermales", dice James F. Holden, profesor de Microbiología en la UMass Amherst.
Buceando en busca de muestras de vida
"Crecí en Spokane, Washington, y más de 2,5 cm de ceniza volcánica cayó sobre mi casa cuando el Monte Santa Helena entró en erupción en 1980. Ese evento despertó mi fascinación por los volcanes", dice Holden.
"Varios años después, mientras estudiaba oceanografía en la universidad, recolecté muestras de las aguas termales del Monte Santa Helena y estudié un termófilo del lugar. Posteriormente, recolecté muestras en respiraderos hidrotermales a lo largo de una cordillera volcánica submarina a cientos de kilómetros de la costa de Washington y Oregón. He continuado estudiando estos respiraderos hidrotermales y sus microbios durante casi cuatro décadas".
Imagen: Un sumergible, que se desplaza al fondo marino para recolectar muestras de rocas y microbios, es elevado por el brazo de un buque de investigación. James F. Holden
Los pilotos de submarinos recolectan las muestras que el equipo de Holden utiliza de fuentes hidrotermales mediante submarinos tripulados o sumergibles operados a distancia. Estos vehículos se bajan al océano desde buques de investigación donde los científicos realizan investigaciones las 24 horas del día, a menudo durante semanas.
Las muestras recolectadas incluyen rocas y fluidos hidrotermales calientes que se elevan desde las grietas del fondo marino.
Los submarinos utilizan brazos mecánicos para recolectar las rocas y bombas y bolsas de muestreo especiales para recolectar los fluidos hidrotermales. Suelen permanecer en el fondo marino durante aproximadamente un día antes de devolver las muestras a la superficie. Realizan múltiples viajes al fondo marino en cada expedición.
En el interior de la roca sólida del fondo marino, los fluidos hidrotermales, con una temperatura de 350 °C (662 °F), se mezclan con agua de mar fría en las grietas y poros de la roca. Esta mezcla de fluido hidrotermal y agua de mar crea las temperaturas y condiciones químicas ideales que los termófilos necesitan para vivir y crecer.
Imagen derecha: Columnas que se elevan desde respiraderos hidrotermales en el océano Atlántico. P. Rona / OAR/Programa Nacional de Investigación Submarina; NOAA
Cuando los submarinos regresan al barco, los científicos comienzan a analizar la química, los minerales y el material orgánico como el ADN en las muestras de agua y rocas recolectadas.
Estas muestras contienen microbios vivos que se pueden cultivar, de modo que los científicos cultivan los microbios que les interesa estudiar a bordo. Las muestras ofrecen una visión general de cómo viven y crecen los microbios en su entorno natural.
Termófilos en el laboratorio
En el laboratorio de Amherst, el equipo de investigación de Holden aísla nuevos microbios de muestras de fuentes hidrotermales y los cultiva en condiciones que imitan las que experimentan en la naturaleza. Los alimentamos con productos químicos volcánicos como hidrógeno, dióxido de carbono, azufre y hierro y medimos su capacidad para producir compuestos como metano, sulfuro de hidrógeno y el mineral magnético magnetita.
El oxígeno suele ser mortal para estos organismos, por lo que los cultivan en fluido hidrotermal sintético y en tubos sellados o en grandes biorreactores sin oxígeno. De esta forma, pueden controlar la temperatura y las condiciones químicas que necesitan para su crecimiento.
A partir de estos experimentos, buscan señales químicas distintivas que estos organismos producen y que las naves espaciales o los instrumentos que aterricen en superficies extraterrestres podrían potencialmente detectar.
Imagen derecha: El microbio termófilo Pyrodictium delaneyi, aislado por el laboratorio de Holden en una fuente hidrotermal del océano Pacífico, crece a 90 °C (194 °F) en hidrógeno, azufre y hierro. Lin et al., 2016/The Microbiology Society
También crean modelos informáticos que describen mejor cómo creen que estos microbios crecen y compiten con otros organismos en las fuentes hidrotermales. Pueden aplicar estos modelos a las condiciones que creen que existían en la Tierra primitiva o en mundos oceánicos para ver cómo podrían comportarse estos microbios en esas condiciones.
Luego analizan las proteínas de los termófilos que recolectaron para comprender cómo funcionan estos organismos y se adaptan a las condiciones ambientales cambiantes. Toda esta información les ayuda a comprender cómo puede existir la vida en entornos extremos dentro y fuera de la Tierra.
Usos de los termófilos en biotecnología
Además de proporcionar información útil a los científicos planetarios, la investigación sobre los termófilos también ofrece otros beneficios. Muchas de las proteínas de los termófilos son nuevas para la ciencia y útiles para la biotecnología.
El mejor ejemplo de esto es una enzima llamada ADN polimerasa, que se utiliza para replicar artificialmente el ADN en el laboratorio mediante la reacción en cadena de la polimerasa (RCP). La primera enzima utilizada para la RCP se purificó a partir de la bacteria termófila Thermus aquaticus en 1976. Esta enzima debe ser resistente al calor para que funcione la técnica de replicación. Desde la secuenciación genómica hasta el diagnóstico clínico, la resolución de crímenes, las pruebas genealógicas y la ingeniería genética, la ADN polimerasa se utiliza en todo.
Imagen: La ADN polimerasa es una enzima que desempeña un papel esencial en la replicación del ADN. Una forma termorresistente de los termófilos es útil en bioingeniería. Christinelmiller/Wikimedia Commons, CC BY-SA
El laboratorio de Holden y otros están explorando cómo se pueden usar los termófilos para degradar desechos y producir productos comercialmente útiles. Algunos de estos organismos crecen en la leche de desecho de las granjas lecheras y en las aguas residuales de las cervecerías, materiales que causan la muerte de peces y zonas muertas en estanques y bahías. Los microbios producen entonces biohidrógeno a partir de los desechos, un compuesto que puede utilizarse como fuente de energía.
Las fuentes hidrotermales se encuentran entre los entornos más fascinantes e inusuales de la Tierra. Con ellas, podrían encontrarse en el fondo de nuestros océanos ventanas a la vida primitiva en la Tierra y más allá.
