Extremófilos El controvertido hallazgo de bacterias

que viven en arsénico

Mag. Débora Alvarado IparraguirreLab. Microbiología Molecular y Biotecnología

Primer Curso de Astrobiología en el PerúMayo 2012

Definición

• Extremófilo, vida al límite.– Microorganismos, llámense virus, procariontes y

eucariontes, que sobreviven bajo condiciones drásticas.

– Condiciones drásticas: temperatura, salinidad, pH, presión, nutrientes, oxigenación, radiación, etc.

• El término tiene un componente antropocéntrico.

• No se trata de adaptación o tolerancia, se trata de sobrevivencia en condiciones extremas.– Una bacteria que vive a 110 °C no sobrevive en una playa

caribeña a 30 °C.

• Se trata de organismos que se sienten muy cómodos en los rincones más peligrosos del planeta.– Incluye: desiertos completamente secos, ácido hirviente,

calor horrendo y frío increíble.

No se requieren viajes espaciales…

Desierto de Atacama en ChilePaisaje marciano,Foto tomada por Viking Lander I

Si la vida puede encontrarse en estos lugares, puede encontrarse en cualquier parte.

Tipos de Extremófilos

http://www.cienciahoy.org.ar/ln/hoy99/bacterias.htm

TERMÓFILOSBrock y el árbol de la vida

–Tom Brock descubrió Thermus aquaticus, bacteria que aisló de aguas termales del Parque Yellowstone (años 60).

–Se hizo famosa porque resultó una buena fuente de DNA polimerasa estable al calor.

http://www.sciencephoto.com/media/223340/enlarge

En 1972– Describe a Sulfolobus

acidocaldarius, microorganismo completamente distinto de las bacterias,d que vive en un medio ácido (pH 2,0-3,0) y a 75-80 °C.

– Brock : "La presencia de criaturas vivas en agua tan caliente que quema es realmente sorprendente”�. “Están tan bien adaptados a este calor que no pueden vivir en ninguna otra parte�”.

Carl Woese

Woese y Pace

Los termófilos en la base del árbol

Un viejo grupo arqueano

‗ Se descubrió con análisis filogenético de comunidades microbianas del estanque Obsidiana de Yellowstone.

‗ Aún no ha sido incluido oficialmente como grupo taxonómico a pesar que ya se pueden cultivar en laboratorio.

‗ Cercanía a la base del árbol filogenético muestra su antigüedad.

‗ su estudio revelará datos importantes sobre la vida en la tierra primitiva.

Phylum Nanoarcheaota

Nanoarchaeum equitans. ‗Simbionte de Ignococcus spp..

‗Arquea hipertermófila, descrito por Huber et al. 2002.

‗400 nm de diámetro.‗Tiene, hasta el

momento, el genoma arqueano más pequeño reportado, 0.5 megabases.

ALH 84001

Meteorito descubierto en 1984 en la Antártida en la región de Alan Hills

• Las grandes masas de hielo de la Antártida se comportan como fluídos, los meteoritos que caen allí se desplazan en el hielo hasta encontrar laderas rocosas donde se depositan.

• ¿Por qué viene de Marte?– Usando gases nobles como trazadores, se midió la

concentración de moléculas gaseosas atrapadas en el mineral, las cuales coinciden con las proporciones marcianas dadas por la Viking.

¿Cómo llegó a la Tierra?

– Se supone que un asteroide chocó con Marte.– Debido a la tenue atmósfera y a la menor

atracción gravitatoria algunos fragmentos pudieron alcanzar la velocidad de escape.

– Hace 10000 años impactó en la Antártida (cálculo en base a los desplazamientos de hielo).

¿Arqueas? (McKay et al., 1996, Nature, 273, 5277, pp. 924)

• Argumentos a favor de ser fósiles orgánicos:– presencia en los depósitos de carbonatos de

materia orgánica compleja (hidrocarburos policíclicos aromáticos)

– cristales de magnetita muy puros. – minerales de óxido de hierro y sulfuro de hierro– estructuras similares a bacterias terrestres

• Evidencias en contra:– espesor de las ‘estructuras sospechosas’ = 1

décima de micra– las bacterias terrestres tienen un orden de

magnitud superior– hay espacio físico para el material genético?

Cuestión abierta en la comunidad científica.

¿Respuesta en las nuevas misiones?

HALOFÍLICOS Los primeros extremófilos estudiados

• Se conocen hace más de 100 años.– Su estudio se relacionó con la descomposición de

pescado salado.

Lago Owens en California Salares de Casma

Los halófilos extremos mayomente son arqueas aerobias obligadas.

Requieren una concentración de sal del 15% al 36%, aproximadamente.

• ¿Cómo sobreviven los halófilos en altas concentraciones de sales?:

Sintetizando un mayor número de proteínas en el interior de la célula, éstas compiten con el agua.

Acumulando altos niveles de sales en la célula con el fín de compensar la elevada concentración externa de sales

Haloquadra walsbyi

Es la forma viva más hiperhalofílica que se conoce. Los puntos brillantes en su interior son vesículas de gas.

• Los organismos halófilos podrían ser la base de la vida en otros planetas. – Geoffrey A. Landis del NASA Glenn Research Center,

opina que el agua en las condiciones de temperatura y presión en Marte, podría ser altamente salina, y por tanto las formas de vida serían halófilos.

• Los halófilos extremos son fuente de estudio de proyectos de astrobiología en tanto que son formas antiguas de vida en la Tierra, y se podrían trazar analogías con la vida en otros planetas.

PSICRÓFILOSLa lucha contra el congelamiento

Algunos microorganismos crecen en temperaturas muy por debajo del punto de congelación del agua, como ocurre en la Antartida

Los Psicrófilos poseen:

Proteínas ricas en α-hélices y grupos polares que les confieren una elevada flexibilidad.

Proteínas “antifreeze” que mantienen líquida las condiciones intracelulares porque disminuyen el punto de congelación de otras biomoléculas.

Membranas que son más fluídas, contienen ácidos grasos insaturados en cis- que ayudan a prevenir la congelación.

Transporte activo a muy bajas temperaturas.

Clamydomonas nivalis

‗ Eucarionte fotosintético, llamado el “alga de la nieve”. ‗ Vive en zonas de alta montaña en casi todo el mundo. ‗ Vive entre -8 y 1°C.‗ Alta capacidad de reflexión de la luz visible y en particular de la radiación

UV-B.‗ Membranas con alta proporción de ácidos grasos insaturados para

mantener su estado semifluido a bajas temperaturas.

Forma vegetativa

Espora

GALERÍA DE EXTREMÓFILOS La belleza de la diversidad microbiana

Deinocuccus radiodurans

Tolera 5KGy de radiación sin perder viabilidad, 15 KGy con pérdida del 37% de su viabilidad.10Gy matan a un ser humano y 60Gy eliminan una colonia de E.coli.

Este candidato a “astronauta” soporta

también bajas temperaturas, alta

presión y la acción de agentes oxidantes, lo

que le valió la designación de poliextremófilo.

Extremófilos de los Fondos Marinos Los suelos de los fondos marinos y las emanaciones hidrotermales presentan las siguientes condiciones:

- Bajas temperaturas (2-3 ºC) – en el cuál sólo los psicrófilos sobreviven.

- Bajos niveles de nutrientes – en el cuál sólo los oligotrofos están presentes.

- Altas presiones – el incremento de la presión es de 1 atm/10 m de profundidad.

- El incremento de la presión conduce a la disminución de la unión del sustrato a la enzima.

- Los microorganismos barófilos viven a profundidades mayores a 4000 metros.

En una fumarola negra de un manantial termal submarino, la temperatura puede alcanzar entre 270-380°C

Thermococcus gammatoleranshttp://phys.org/news205414795.html

‗ Arquea Euryarqueota, encontrada en chimenea hidrotermal a 2000m de profundidad (2003).

‗ Tolera 5 KGy de radiación sin perder viabilidad, 30 KGy con pérdida del 37% de su viabilidad.

‗ T° óptima: 55-95 °C

Spirochaeta americana

‗Descubierta en el 2003 por Huber et al. en el lago Mono Lake (California).

‗Viven sin oxígeno en altas concentraciones de sal (› 75 g/L y en alcalinidad que sobrepasa el pH 10.

Río Tinto, un ambiente extremófilo• Condiciones de extremo pH (muy

ácido), alto contenido en metales pesados (cobre, cadmio, manganeso…) y poco O2 en el agua.

• Existen bacterias que subsisten a costa de los minerales, y como producto de desecho producen ácido sulfúrico y hierro oxidado, causantes de la acidez y color rojizo del agua.

• Se encontró comunidad de microorganismos conformado por bacterias, hongos, algas.

• Sorprendente, un millar de especies de eucariontes.

Las asombrosas bacterias del arsénico

• Los metales en concentraciones elevadas son tóxicos, pero hay organismos que desarrollan estrategias peculiares para vivir en estos ambientes.– Ej. Magnetobacterias en ambientes anóxicos con alta

concentración de Fe.

• A fines del 2010 se reportó (Felisa Wolfe-Simon, NASA) una bacteria que podía reemplazar totalmente el fósforo por arsénico en sus macromoléculas (Halomonas).– Fue aislada de Mono Lake y cultivada en condiciones carentes

de fósforo.– La información fue presentada como una forma de vida

alternativa a la que conocemos.

Un año después• Ha tenido muchos detractores desde un principio

porque no se hizo un estudio de la estructura de las macromoléculas.– Al final el último autor del artículo brindó las facilidades

para que otros grupos de investigación corroboraran los resultados publicados.

– Algunos de éstos no pudieron ser repetidos, otros fueron totalmente refutados.

– Si se confirmó que en estos organismos la presencia de arsénico estimula su crecimiento.

• La investigadora cabeza de la publicación salió de la NASA.

Methanosarcina barkeri‗ Soporta diferentes condiciones de vida.‗ Su base alimenticia es muy variada.

Puede digerir desde metanol a acetato. Puede obtener energía a partir de una mezcla de hidrógeno y CO2 únicamente (se piensa que ambos están presentes en Marte).

‗ Puede sintetizar desde cero sus propias moléculas orgánicas, incluyendo aminoácidos y vitaminas, usando fosfato, azufre y otros compuestos minerales disponibles en el suelo.

‗ Fija nitrógeno.‗ Se mueve a través del agua formando

vesículas de gas; facilita su flotación.‗ Cuando el agua escasea puede entrar

en fase dormante (Ver foto). seco.

http://www.experientiadocet.com/2009/07/un-microbio-terrestre-que-podria-vivir.html

• Se ha detectado la presencia de metano en Marte.• Como el metano se mantiene en la atmósfera algunos años

antes de su oxidación por la luz solar, se piensa que el metano detectado es de reciente producción.

• Hay una posibilidad de que el metano sea biogénico aunque también puede producirse por procesos geológicos.

http://www.ikerjimenez.com/noticias/metano-marte/index.html

e

• Se reporta arqueas metanogénicas en ambientes extremos en la Tierra: – Enterrados bajo kilómetros de hielo en Groenlandia

• Estos hallazgos hacen plausible la esperanza de la existencia de vida en Marte.

• Las arqueas de Groenlandia han sido descubiertas, por investigadores de la Univ. de California, en testigos de hielo a 3 km de profundidad.

• Se estima que el metano se produce a 0°C y la masa microbiana sería de 1 cél./mL.

• Se recolectaron muestras de suelo y vapor de desiertos localizados en Utah, Idaho, California, Canadá y Chile, tomadas a profundidades donde casi no hay oxígeno.

• Las muestras de vapor mostraban concentraciones de este gas 300 veces superiores a lo normal. Este hallazgo es muy importante, pues la ausencia de agua no permite la sobrevivencia un microorganismo metanogénico.

• Como la superficie de Marte es muy seca este descubrimiento también avala la posible existencia de metanógenos en Marte.

• Hay 3 opciones que dan posibilidad de vida en Marte.– Adaptarse a la subsistencia al entorno sin nutrientes debajo la

superficie mediante la adopción de un estilo de vida pscrofílico. – Adoptar un estilo de vida formado por ciclos de hibernación

profunda cuando las condiciones son adversas y de proliferación profunda cuando esporádicamente se produce un episodio de agua superficial.

– Adaptarse a las condiciones marcianas a través de cambios bioquímicos.

Hipótesis: la inclusión de H2O2 (agua oxigenada) en los fluidos intracelulares de los organismos

• Según los autores, el H2O2 se produciría bioquímicamente mediante fotosíntesis:

CO2 + 3H2O + energía solar → CH2O + 2H2O2

• Este serviría como fuente de energía al descomponerse:

2H2O2 → 2H2O + O2

• Esto es consistente con los resultados de la Viking que detectaron liberación de oxígeno en el suelo marciano.