LAS ARQUEOBACTERIAS ESTÁN ENTRE NOSOTROS1

Christa Schleper

Estos microbios de un tercer tipo manifiestan una presencia ubicua

Desde 1977, gracias a la biología molecular, el árbol universal de los seres vivos se ha visto

enriquecido con una nueva rama las Archeobacterias. Tras los descubrimientos de investigadores en

busca de aventura, el zoo de estos organismos unicelulares se asimiló durante largo tiempo él una

partida de extremófilos. Esta visión se modifica en la actualidad bajo el impulso de nuevas técnicas de

genética molecular. ¿Proliferan las arqueobacterias en nuestro entorno cotidiano sin que nos

enteremos?

1 Schleper, C. Las Archeobacterias están entre nosotros en: Mundo científico 200 abril 1999.

Aunque el concepto de revolución

científica es a menudo mancillado, los

microbiólogos no son en absoluto

reticentes a recurrir a él para calificar el

descubrimiento que hizo Carl Woese en

1977. Este profesor de la Universidad de

Illinois en Urbana tuvo la idea de aplicar

técnicas de genética molecular,

recientemente puestas a punto, al análisis

de las relaciones filogenéticas entre

diversos grupos de procariotas. Un

procariota es un microorganismo cuya

célula, a diferencia de los eucariotas, no

posee un núcleo rodeado por una

membrana. Agrupados durante mucho

tiempo bajo la denominación única de

“bacterias” estos microorganismos viven

en la Tierra desde hace más de 3.500

millones de años. Aunque de pequeño

tamaño y de forma simple, los procariotas

han evolucionado durante este muy largo

periodo hacia un grupo

extraordinariamente diversificado y

altamente heterogéneo. Son tan numerosas,

sus interacciones químicas con el medio en

que viven son tan variadas que desempeñan

un papel crucial en todos los ciclos de la

biosfera terrestre (carbono, nitrógeno,

azufre, etc.). Algunos de ellos han

inventado la fotosíntesis para obtener la

energía, mientras que otros prosperan

oxidando moléculas inorgánicas o

descomponiendo la materia orgánica. Los

procariotas se encuentran tanto en el suelo

como en los océanos, nuestros intestinos,

las profundidades de los hilos antárticos y

los mares cálidos islandeses.

Para distinguir estos organismos

unos de otros los microbiólogos de la era

«prewoesiana habían elaborado un sistema

basado en pequeñas diferencias

morfológicas, visibles al microscopio, y

en especificidades fisiológicas, por

ejemplo una capacidad de crecer en un

azúcar determinado. Sin embargo, estos

rasgos fenotípicos y estas preferencias

nutricionales se revelaron insuficientes y,

en muchos casos, engañosos cuando se

trató de elucidar las relaciones

genealógicas entre bacterias.

Retrospectivamente, esto no tiene nada de

sorprendente: ¿a quién se le ocurriría

establecer el árbol genealógico de su

familia, situando a sus tíos y tías en

función simplemente de su preferencia por

el foie gras? .Un cuadro preciso del árbol

genealógico de los seres vivos tenía que

esperar en consecuencia el desarrollo de

técnicas más potentes.

Si los paleontólogos reconstruyen [a

historia de la vida estudiando los fósiles,

los biólogos tomaron conciencia, durante

los años 70, de que las células de los seres

vivos actuales contienen, en su material

genético, una información esencial sobre

sus antepasados. Con esta toma de

conciencia, había nacido el campo de la

filosofía molecular. Un gen identificado en

una célula actúan es en efecto una variante

de un gen que existió hace mucho tiempo

y que, lentamente, de generación en

generación, se ha diversificado con el

transcurso de la evolución. La

comparación de los genes homólogos de

los organismos actuales proporciona una

medida aproximada de la cantidad de

tiempo transcurrido desde su divergencia a

partir de su antepasado común. Carl

Woese comprobó que una de las

moléculas que estudiada, el RNA

ribosómico (RNAr), era una auténtica

.herramienta ideal» para reconstruir la

historia de este grupo muy antiguo que

constituyen los procariotas: de una parte,

porque la secuencia del RNAr cambia

lentamente y, de otra, porque el RNAr está

presente en todos los organismos vivos de

la Tierra.

El RNA ribosómico es un

componente esencial de la maquinaria de

traducción que, a partir de la información

genética codificada en un cromosoma,

sintetiza las proteínas en el interior de la

célula. El RNAr mismo es producido por

un gen y, como el DNA, se construye con

cuatro componentes (nucleótidos). Para

identificar las variaciones del RNAr en

diversos microorganismos, Woese cortó,

por medio de enzimas específicos

(ribonucleasas), estas moléculas en

diversos fragmentos en los que determinó

la secuencia de nucleótidos.

De esta forma, elaboró un

diccionario- con la colección de palabras

específicas de cada organismo y, por medio

de un algoritmo sencillo, creó coeficientes

de asociación. La forma en que varían estos

diccionarios de un organismo a otro refleja

la variación de los genes de su RNAr y, de

hecho, atestigua el tiempo que ha

transcurrido desde que estos organismos

divergieron a partir de un antepasado

común.

Fue reorganizando de este modo el

árbol genealógico de los microbios como

Woese hizo este descubrimiento

inesperado: algunos organismos no

encajaban en el grupo filogenético definido

por las demás bacterias. Se trataba en aquel

momento de metanógenos, es decir de

organismos que obtienen su energía de la

reducción del dióxido de carbono (CO2)

por el hidrógeno (H2) para dar metano

(CH4). Los metanógenos pueblan medios

anaerobios ricos en materiales orgánicos en

descomposición, como las aguas

estancadas y las cubetas de tratamiento de

aguas residuales. Pero también se

encuentran en el tracto intestinal de los

animales, en fuentes calientes y en el fondo

de los océanos. Son estrictamente

anaerobios, es decir, que simples trazas de

oxígeno pueden resultarles mortales. Este

metabolismo específico hacía de los

metanógenos unos buenos candidatos al

título de pobladores de la biosfera

primitiva. Woese llamó a este nuevo grupo

«arqueobacterias».

Pero Woese hizo un descubrimiento

todavía más profundo. En efecto, las

firmas de los ARNr de las arqueobacterias

eran tan diferentes de las firmas de las

bacterias conocidas como de las de los

eucariotas, el grupo que comprende todas

las formas superiores de vida celular,

desde la levadura hasta el hombre.

Fue entonces cuando Woese sacó

esta conclusión «revolucionaria»: el

mundo vivo no se divide sólo en dos

reinos, con el criterio de la presencia o la

ausencia de un núcleo, sino más bien en

tres grupos primitivos: las bacterias, los

eucariotas y las arqueobacterias.

Poco después, se analizó la

secuencia de RNA ribosómico de otros

microbios, también extraños extremófilos,

y se comprobó que correspondía

igualmente a arqueobacterias. ¿De qué

microorganismos se trata? En primer lugar

de halófilos, que crecen en fuentes de

energía ordinaria, como proteínas, pero

que necesitan altas concentraciones de sal

para sobrevivir, se encuentran a lo largo de

las fronteras oceánicas, en mares de

evaporación de sal e incluso en el Mar

Muerto.

Otras arqueobacterias, primero

llamadas termoacidófilas, surgieron de

lugares que se tenía la costumbre de

considerar estériles debido a su temperatura

y a su acidez; así, Sulfolobus se aisló en

una fuente caliente sulfurada del parque

nacional de Yellowstone y Themoplasma

en pilas humeantes de residuos de carbón.

Otras muchas arqueobacterias han sido

descubiertas por algunos miembros de la

comunidad científica a los que,

afortunadamente, no les disgusta la idea de

ir a lugares extraordinarios en busca de

microorganismos raros, Karl Otto Steller

de la Universidad de Regensburg y

Wolfram Zilling, del instituto Max Planck

de Munich (véase su artículo en este

número), añadieron de este modo un

número enorme de nuevos organismos al

zoo microbiano de los amantes del calor.

Aislaron termófilas en fuentes sulfuradas

en ebullición y en mares hirvientes que, en

varios lugares salvajes y magníficos del

Globo, están asociados a un volcanismo

activo. El aroma clásico -iy más bien

desagradable!- de sus muestras

acompañaba sus desplazamientos hasta sus

tiendas de campaña y sus laboratorios,

atestiguando la presencia de sulfuro de

hidrógeno (H2S), un compuesto procedente

de la reducción del azufre y asociado

frecuentemente al metabolismo de las

arqueobacterias termófilas. Algunas

termófilas se nutren de materia orgánica,

como proteínas y azúcares, y al hacerlo

reducen el azufre de la misma manera que

nosotros reducimos el oxígeno al respirar.

En contraste con estas arqueobacterias

heterótrofas, las autótrofas proliferan

únicamente gracias a los gases volcánicos,

dióxido de carbono e hidrógeno,

reduciendo compuestos de azufre y

nitratos. Otras como Sulfolobus, oxidan

compuestos sulfurados en ácido sulfúrico y

de este modo acidifican su hábitat.

Gracias a las expediciones realizadas

sin descanso por Stetter a los biotopos más

remotos, y aparentemente más inh6spitos,

sabemos ahora que los medios calientes

albergan en realidad complejos

ecosistemas de hipertermofilas,

constituidos por productores primarios y

por destructores de materia orgánica.

Las arqueobacterias acumulan todas las

marcas por su capacidad para sobrevivir

en las fronteras de la vida

Así, el bastón de fuego

(Pyrobaculum) proviene de depósitos

profundos de petróleo caliente, mientras

que el «fuego de metano» (Mettanopylus)

se ha aislado en una fumarola marina

profunda, allí donde los fluidos

hidrotermales, que emergen de cámaras

magmáticas a temperaturas de 200 a 350

OC, calientan enormes chimeneas rocosas.

El lóbulo de fuego (Pyrolobus), un primo

del «hilo de fuego» (Pyrodictium), posee

el récord de temperatura: ¡prolifera a 113

°C! Observemos que estos hipertermófilos

«tiritan» a 80° C, una temperatura

anteriormente considerada fatal para

cualquier célula vegetativa, es decir, que

no está en forma de espora.

Aunque también se han identificado

bacterias «ordinarias» ordinarias en nichos

extremos, las archeobacterias ostentan

claramente todas las marcas por su

capacidad; para sobrevivir en las fronteras

de la vida. Al proliferar en una sal al 30 %,

en una acidez de pH O y a temperaturas

que superan el punto de ebullición del

agua, su descubrimiento ha lanzado un

desafío a los investigadores para que

eluciden los secretos de su adaptación y, al

mismo tiempo, ha despertado el interés de

industrias que buscan nuevos enzimas.

¿Qué prueba se tiene de que estos

tres tipos diferentes de arqueobacterias, las

metanógenas, las halófilas y las termófilas,

son en realidad parientes que comparten

un largo pasado en la evolución?

Al principio, se advirtió que las

arqueobacterias poseen unas paredes

celulares atípicas en las que falta un

componente de la molécula de

peptidoglicano, clásico en las bacterias, el

ácido muriático. Además, mientras que los

otros organismos fabrican los lípidos de sus

membranas uniendo dos cadenas de ácidos

grasos con una molécula de glicerol a

través de un enlace éster, los lípidos de las

arqueobacterias están compuestos por

largas cadenas de alcohol isoprénico unidas

al glicerol por enlaces éster. Estos

constituyen de hecho un indicador

bioquímico exclusivo de las

arqueobacterias.

Una mirada más atenta a la biología

molecular de las arqueobacterias

proporcionó otras sorpresas. Wolfram

Zillig, uno de los primeros adeptos al

concepto de filogenético de Woese,

encontró unas RNA polimerasas atípicas en

las arqueobacterias. Las subunidades de

estas proteínas, que traducen el material

genético de DNA en RNA, eran mucho más

complejas que las RNA-polimerasas de las

bacterias. A diferencia de los lípidos

membranales no son completamente

originales y en realidad han resultado ser

sorprendentemente similares a las RNA-

polimerasas de los eucariotas. Además, las

secuencias de los promotores que. en los

cromosomas de las arqueobacterias, guían a

la polimerasa para transcribir los

fragmentos correctos del DNA genómico

también resultaron ser muy similares a los

promotores correspondientes de los

eucariotas.

Actualmente, está claro que esta

maquinaria fundamental de transcripción,

compuesta por el RNA-polimerasa y por

sus factores accesorios, es tan parecida en

las arqueobacterias y los eucariotas que se

tiene que considerar arcaica: ya tenía que

estar presente en un antepasado común de

estas dos ramas del árbol de la vida. Este

descubrimiento añadió otra dimensión a

nuestra visión de las arqueobacterias.

¿Estos microbios que exteriormente se

parecen tanto a las bacterias ordinarias, no

estarán más emparentados con los

eucariotas, es decir con las plantas y los

animales? Algunos rasgos moleculares de

las arqueabacterias apoyan esta idea,

mientras que otros, por el contrario, abogan

por una semejanza con las bacterias. Al

hablar de un «mosaico de rasgos» W. Zillig

resume perfectamente esta mezcla de

caracteres: algunos son exclusivos de las

arqueobacterias, pero otros los comparten,

bien con los eucariotas, bien con las

bacterias.

El alcance de los estudios de ecología

molecular supera la simple amplificación

del DNA del medio ambiente. En efecto, a

partir de la información sobre las

secuencias, se pueden fabricar sondas para

seguir a los organismos individuales en su

medio. Estas sondas moleculares son

pequeñas moléculas de DNA o RNA que se

detectan por medio de productos fluores-

centes o radiactivos y pueden unirse

específicamente a secuencias de RNA

ribosómico determinadas. Con estas sondas,

se pueden cuantificar y seguir en su hábitat

natural, e incluso visualizar al microscopio,

organismos cuya presencia únicamente se

había predicho por medio de técnicas

genéricas. En especial estas técnicas se han

aplicado al estudio de nuevas

arqueobacterias marinas. De este modo se

han descubierto parientes del grupo

hipertermófilo Crenarcheoca en gran

abundancia en el plancton de los océanos

Pacífico y Antártico.

Si se considera la inmensidad de estos

hábitats, se puede plantear la hipótesis de

que estos organismos representan uno de

los mayores grupos de arqueobacterias que

viven en la Tierra. A partir de su posición

en el árbol filogenético, se ha deducido que

serían descendientes de antiguas termófilas

que vivían en fuentes calientes y que

habrían experimentado luego una radiación

-totalmente exitosa,- en el hábitat marino.

Lamentablemente, incluso en la

actualidad, los modos de vida de estas;

nuevas arqueobacterias marinas y terrestres

siguen siendo completamente desconocidos.

No sabemos gran cosa de su papel

ecológico en los hábitats marinos, ni

siquiera de qué se nutren. Como la mayoría

de los otros procariotas, viven en complejos

microbianos complejos y es imposible

asignar un papel fisiológico a un grupo

específico en esa comunidad.

Lamentablemente otra vez, pese a muchos

esfuerzos no se ha podido cultivar ninguna

de las arqueobacterias en el laboratorio.

Ésta es la razón por la que todavía no se ha

atribuido un nombre a estos organismos

inasequibles en la taxonomía del árbol

molecular de la vida, y tienen que

contentarse con simples números.

Sin embargo, la naturaleza no

desdeña el ayudar a los investigadores de

vez en cuando. Por ejemplo, se ha

encontrado un representante de los

Crenarcheoca marinos que ve en simbiosis

específica con una esponja marina de las

aguas costeras poco profundas del océano

Pacífico. La esponja y su inquilino,

Cemarchaeum symbiosum, se pueden

conservar en acuarios de laboratorio y de

este modo se dispone de una biomasa

suficiente de este organismo para estudios

moleculares y bioquímicos. Se ha aislado

DNA cromosómico de C. symbiosum y se

han descodificado partes de este material

genético. El análisis de la estructura

genómica y de los genes de las proteínas

atestigua un estrecho parentesco entre esta

arqueobacteria marina y sus primas

hipertermófilas cultivadas. Extendiendo

este tipo de estudios, la identificación de las

diferencias genéticas entre los

microorganismos que prefieren el frío o el

calor nos tendría que ayudar a elucidar, por

comparación con sus primos más delicados,

la naturaleza de la tolerancia de las

termófilas a las temperaturas extremas. Esto

también tendría que ayudarnos a

comprender cómo las arqueobacterias que

viven actualmente a baja temperatura

divergieron hace millones de años de un

hipotético antepasado termófilo para

adaptarse a medios fríos.

Gracias al análisis del genoma de

organismos no cultivados, también se

tendría que lograr acumular suficiente

información sobre su fisiología para tener

indicios sobre la manera de cultivados, al

menos algunos de ellos, en el laboratorio y

comprender su impacto en el medio. Estos

estudios de filogenia molecular apenas han

empezado a revelar inmensas partes muy

diversificadas del mundo microbiano de las

arqueobacterías y de las bacterias. Podemos

estar seguros de que a las futuras

generaciones de microbiólogos no les

faltará trabajo.

Disponibles desde hace poco, las

secuencias completas del genoma de

algunas arqueobacterias constituyen

verdaderos tesoros para realizar

predicciones sobre este tercer reino de la

vida y emprender nuevos estudios.

Comprender las complejidades de una

secuencia completa de genoma está lejos de

ser una tarea fácil y, con nuestros

conocimientos actuales en biología, todavía

no han revelado sus secretos largos

fragmentos de los cromosomas de estas

arqueobacterias. No obstante, estos estudios

genómicos han confirmado claramente la

unicidad de este tercer reino, al tiempo que

han enriquecido nuestra visión de las

arqueobacterias. El tamaño y la estructura

de sus genomas, así como la densa

agrupación de sus genes en operones son

similares a los genomas de las bacterias, al

igual que sus genes que codifican factores

implicados en la biosíntesis de compuestos

celulares y en su metabolismo energético,

por ejemplo. En cambio, muchas proteínas

implicadas en los procesos de transferencia

de información celular, la replicación del

DNA, la transcripción del RNA y la

traducción de las proteínas, están más

estrecha o exclusivamente relacionadas con

homólogas eucariontes. En la actualidad,

las arqueobacterias se consideran a menudo

un grupo hermano de los eucariotas, y se

considera que sus antepasados pudieron

desempeñar una función importante en la

formación de la primera célula eucariota.

¿Están confinados estos

microorganismos del tercer reino en medios

extremos? Nada es menos cierto. En efecto,

para lograr caracterizar los microbios, los

biólogos han dependido durante mucho

tiempo de su capacidad de aislados y

cultivarlos. Cada vez, han tenido que

encontrar la forma de simular el medio

natural en un tubo de ensayo para que los

microbios lleguen a reproducirse y crecer

en el laboratorio. Pero, en la actualidad,

con los progresos de la biología molecular,

y especialmente con la irrupción, de la

técnica PCR se pueden multiplicar y

analizar cantidades minúsculas de material

genético sin tener que aislar el organismo

en cuestión.

Utilizando este tipo de técnicas para

inventariar la diversidad microbiana en los

hábitats naturales, los biólogos han

empezado a tomar biomasa del medio

ambiente y a extraer directamente

secuencias de RNA ribosómico. Las

secuencias obtenidas de esta forma se

analizan a continuación y se sitúan en un

árbol filogenético, más o menos cerca de

organismos conocidos. Los resultados de

estos estudios de ecología molecular,

independientes de cualquier cultivo, son

impresionantes. En efecto, casi todos los

hábitats revelan nuevos grupos

microbianos, a menudo muy numerosos,

que anteriormente no se habían detectado

nunca en cultivo.

Norman Pace y sus colegas de la

Universidad de California en Berkeley

fueron los primeros en aplicar este concepto

a la ecología microbiana. Sus trabajos han

permitido descubrir, en una sola fuente

caliente del parque nacional de

Yellowstone, una sorprendente variedad de

secuencias específicas de arqueobacterias.

Todavía más sorprendente fue el

descubrimiento de arqueobacterias en

medios fríos y templados. Edward DeLong,

de la Universidad de California en Santa

Bárbara, ha encontrado secuencias de

arqueobacterias en el plancton marino del

océano Pacífico y en la Antártida. Otros

estudios pusieran al descubierto secuencias

de arqueobacterias en el suelo y en lagos de

agua dulce. Estos resultados eran

sorprendentes en la medida en que las

arqueobacterias se habían ganado

inicialmente una reputación por su

capacidad de poblar nichos extremos.

Ahora se dibuja un cuadro distinto: las

arqueobacterias quizás estén distribuidas

por muchos medios aerobios del Globo y, si

se confirma la hipótesis, probablemente

desempeñan un papel no despreciable en la

ecología del planeta. Los investigadores de

las arqueobacterias se hacen así lentamente

a la idea de que quizá no están estudiando

un grupo esotérico constituido por unas

pocas extremófilas. ¿No proliferan sus

microbios favoritos, sin que se den cuenta,

en sus propios jardines? ¿Pero, por qué no

se encontraron antes? Porque estos

microbios se resisten a todo cultivo fuera de

su hábitat natural... ¿Hay que sorprenderse

cuando se recuerda que no todos los

mamíferos se reproducen en cautividad? La

dificultad de cultivar especies aisladas

proviene con seguridad de su

interdependencia con otros organismos. La

mayoría de días viven en agrupaciones

microbianas complejas u ocupan nichos

muy específicos, como hacen los

simbiontes en el interior de sus huéspedes.

Si se intenta aislar los organismos

extendiendo un milímetro cúbico de agua

de mar sobre un medio de cultivo en una

cápsula de Petri se obtienen entre 100 y

1000 colonias, cada una correspondiente a

un único organismo fundador que ha

originado por divisiones sucesivas todos los

miembros de la colonia. ¡Pero, si se utiliza

en enfoque molecular, se contarán, a partir

de la misma muestra, entre 100.000 y un

millón de organismos diferentes! De hecho,

no es imposible que, simplemente, la

mayoría de bacterias y arqueobacterias que

viven en medios «cotidianos» no sean

cultivables.