Su diversidad podría ayudar a resolver los mayores desafíos de la humanidad
Muy por debajo de la superficie del océano se encuentra el hábitat más grande y menos explorado de la Tierra. Las profundidades marinas son frías, oscuras, con una altísima presión y albergan una enorme cantidad de vida aún por descubrir.
Los primeros sistemas de respiraderos hidrotermales fueron descubiertos en 1977 durante una expedición al Rift de Galápagos en el Océano Pacífico por un equipo de la Institución Oceanográfica Woods Hole de Estados Unidos. Observaron estos géiseres submarinos rodeados de densas comunidades de organismos como gusanos tubícolas gigantes, almejas y mejillones, todos viviendo en completa oscuridad.
"Estos sistemas de ventilación oceánica profunda representan laboratorios naturales para estudiar la vida en condiciones extremas. Mi investigación más reciente, junto con colegas del Instituto de Oceanología y BGI Research, ambos con sede en China, demuestra que este mundo extremo es un motor evolutivo que produce diminutos organismos con propiedades aún por descubrir, que no se encuentran en ningún otro lugar, ni en la tierra ni en el mar", dice Thomas Mock, profesor de microbiología marina en la Universidad de East Anglia.
Este tipo de novedosos descubrimientos biológicos podrían impulsar importantes innovaciones en biotecnología. Entre los potenciales beneficios se incluyen el descubrimiento de nuevas moléculas antimicrobianas para combatir enfermedades, herramientas de diagnóstico para rastrear la propagación de patógenos en el medio ambiente e incluso nuevas formas de abordar la contaminación por plásticos en nuestros océanos.
Dificultades de la investigación en aguas profundas
Los científicos saben desde hace tiempo que los microbios dominan las profundidades oceánicas. Muchos de estos diminutos organismos ayudan a que prosperen formas de vida más complejas, como los gusanos tubícolas y los cangrejos, ya que los microbios convierten el sulfuro de hidrógeno y el metano en materia orgánica.
Pero hasta ahora, las profundidades oceánicas no habían sido clasificadas taxonómicamente. El programa de investigación de Thomas Mock se propuso abordar esta cuestión, utilizando alrededor de 2.000 muestras de entornos de aguas profundas de todo el planeta.
La mitad de las muestras habían sido recogidas en estudios previos, mientras que la otra mitad fue recogida por su equipo en ecosistemas de la parte más profunda del océano, conocida como zona hadal, a más de 6.000 metros (unos 19.700 pies) por debajo de la superficie.
Recolectar muestras a tal profundidad es un gran desafío. El equipo utilizó un sumergible tripulado chino de última generación, el HOV Fendouzhe.
Imagen: El sumergible de aguas profundas de vanguardia de China, HOV Fendouzhe.
Tradicionalmente, el campo de la biotecnología se ha basado en organismos que pueden cultivarse en el laboratorio. Sin embargo, la mayoría de los microbios de las profundidades marinas no se pueden cultivar fácilmente. Los investigadores superaron este obstáculo con la ayuda de la IA y herramientas bioinformáticas como AlphaFold.
Esto les permitió realizar secuenciaciones genéticas a gran escala de comunidades microbianas naturales (microbiomas) y descubrir muchas más enzimas originarias de las profundidades marinas sin extraerlas directamente de especies o cepas individuales.
El proyecto ha aislado más de 500 millones de genes de una amplia variedad de muestras de sedimentos y agua, ampliando el Catálogo Global de Genes Oceánicos en más del 50 %. Esto representa un cambio en la forma en que los científicos exploran la biodiversidad. Mock cree que podría revelar el potencial de los genomas de las profundidades oceánicas para abordar algunos de los mayores desafíos de la humanidad.
Cómo impulsan la evolución las profundidades oceánicas
El estudio sugiere que una parte sustancial de la diversidad genética de las profundidades oceánicas se explica por tasas de evolución mucho más rápidas que en la superficie. Esto ayuda a los organismos a sobrellevar la elevada presión del agua y los bajos niveles de oxígeno, así como los metales tóxicos y las moléculas altamente reactivas presentes en las profundidades marinas.
Estas duras condiciones ambientales dañan considerablemente el ADN de los microbios de las profundidades marinas. Dado que la reparación del ADN es propensa a errores, la tasa de mutaciones aumenta. Esto acelera el cambio evolutivo a lo largo del tiempo (capacidad de evolución), impulsando la diversidad genética y la novedad biológica.
Es probable que los microbios de otros entornos extremos —por ejemplo, los ecosistemas polares con hielo marino, permafrost y glaciares— posean mecanismos evolutivos igualmente avanzados. Sin embargo, debido a que también han sido poco estudiados, carecemos de pruebas sólidas.
Imagen derecha: Cómo se utilizaron la IA y las herramientas bioinformáticas para ampliar el análisis de secuencias genéticas de aguas profundas. Cell Host & Microbe.
Los entornos extremos también producen enzimas que impulsan las reacciones químicas necesarias para la vida, pero en algunos casos con inusuales y potencialmente valiosas propiedades. Por ejemplo, el equipo identificó un nuevo tipo de helicasa, una enzima que desenrolla las cadenas de ADN. Este proceso sustenta las últimas tecnologías de secuenciación de ADN, ahora ampliamente utilizadas en medicina, monitoreo ambiental e investigación biológica básica.
Esta helicasa de aguas profundas es capaz de procesar el ADN aproximadamente el doble de rápido que las enzimas que se utilizan actualmente. Suponen que esto se debe a cambios estructurales en partes no esenciales de la helicasa que, hasta el momento, solo se han encontrado en estos microbios de aguas profundas.
También descubrieron en un respiradero hidrotermal una nueva variante de la enzima Cas9. Esta variante exhibe una tolerancia extrema al calor a temperaturas superiores a 70 °C (158 °F).
La enzima Cas9 ya se utiliza ampliamente en ingeniería genética, con aplicaciones que van desde la ciencia de los cultivos (como la síntesis de cultivos resistentes a la sequía) hasta la medicina (tratamientos de enfermedades hereditarias como la anemia falciforme). La variante que ha descubierto Mock y su equipo podría hacer que la producción y fermentación de biocombustibles sean más eficientes, por ejemplo, porque estos procesos serían más resistentes a la degradación química a altas temperaturas.
En promedio, más del 60 % de las proteínas que han obtenido de las profundidades marinas no habían sido identificadas previamente, según un análisis de bases de datos públicas de ADN. Esto representa un significativo nivel de novedad en comparación con lo hallado en la superficie oceánica.
Un aliado crucial
"Con el tiempo, nuestros esfuerzos, junto con otros a nivel mundial, para registrar la diversidad genética y genómica de los océanos (a todas las profundidades) podrían transformar la imagen que se tiene de ellos como un entorno hostil y en gran medida improductivo para el descubrimiento científico", dice Mock.
Para que estos esfuerzos se materialicen, se necesitan colaboraciones internacionales y una importante financiación. Esta investigación requiere sofisticada tecnología tanto para acceder a estos entornos (incluidos sumergibles tripulados y rompehielos) como para el posterior análisis de secuencias de ADN.
"La inversión valdrá la pena. El entorno más extenso de la Tierra es también una de las fronteras más valiosas para comprender y proteger la vida en cada rincón de este planeta", concluye Mock.
La investigación se ha publicado en la revista Cell Host & Microbe: The genetic repertoire of deep-sea microbiome: From sequence to structure and function
