Cuando nos piden que pensemos en un ecosistema o en algún lugar donde haya vida, lo primero que se nos viene en mente suele ser una selva frondosa como la Amazónica, un prado lleno de animales correteando y vacas pastando, una playa virgen con cangrejitos en la orilla y peces nadando por sus aguas cristalinas...
Como veis, todos ellos se tratan de ecosistemas muy mainstream, así que hoy vamos a hablar de sitios que, a pesar de parecer inhóspitos debido a sus características (como pueden ser unas temperaturas extremas, alta salinidad, o un pH muy básico o ácido), pueden ser el hogar de una serie de organismos que se conocen con el nombre de extremófilos, capaces de vivir en lugares tan insospechados como pueden ser las abrasadoras fuentes hidrotermales, terrenos con una gran concentración de sales o en las profundidades de las fosas de las Marianas, donde se alcanzan unas presiones asombrosamente altas de más de 1000 atmósferas (1).
Por muy sorprendente que parezca, las fuentes hidrotermales de las profundidades de los océanos pueden albergar vida en ellas, como veremos a continuación (Fuente).
Unos cracks adaptados a vivir en sitios con condiciones extremas
Los organismos extremófilos (del latín "extremus": extremo, y del griego "philia": amor) son aquellos que son tolerantes a ambientes o condiciones extremas (donde el resto de seres vivos serían incapaces de sobrevivir), y se han adaptado a vivir en esos entornos (2).
Los extremófilos se clasifican en seis categorías principales, según las características extremas del hábitat que ocupan (3):
Termófilos
Son capaces de vivir en lugares con temperaturas muy elevadas, en ocasiones superiores al punto de ebullición del agua. Un ejemplo sería la bacteria metanógena Methanopyrus kandleri (4), que fue descubierta en fuentes hidrotermales en el golfo de California (5).
Esta clase de organismos poseen proteínas que mantienen su conformación nativa (y por tanto, su actividad biológica) a temperaturas en las que las proteínas de los organismos "convencionales" estarían desplegadas como churros, debido a la rotura por calor de los enlaces débiles que mantienen la estructura nativa de la proteína.
Esquema del proceso de desnaturalización (desplegado) de una proteína: cuando se producen una serie de factores (temperaturas o pH extremos, aplicación de agentes desnaturalizantes o sustancias caotrópicas) la proteína pierde su estructura tridimensional nativa y pasa a estar en un estado parcial o totalmente desplegado, perdiendo así su actividad biológica (Fuente).
Una de las aplicaciones más interesantes que derivan de estas proteínas estables a elevadas temperaturas, es el uso de una DNA polimerasa (Taq polimerasa) procedente de una bacteria termófila, Thermus aquaticus, que se utiliza para llevar a cabo la técnica de laboratorio de moda de este momento: la PCR.
La importancia de la Taq polimerasa en la técnica de PCR radica en el hecho de que, al ser procedente de un organismo termófilo, es capaz de resistir elevadas temperaturas sin desplegarse como un churro, ya que en cada ciclo de PCR, se debe elevar la temperatura en el tubo de reacción hasta unos 94ºC para provocar la desnaturalización del DNA bicatenario, lo cual es necesario para que se dé la unión de los primers a la región que queremos amplificar en la fase de hibridación (que se lleva a cabo a unos 55ºC), y después se pueda llevar a cabo la polimerización del DNA por la Taqpol en la fase de elongación (a unos 72ºC aprox.) (6). Como os podéis imaginar, al rango de temperaturas en el que se lleva a cabo la PCR (de la cual hablé, por cierto, en otro post de Insta) las polimerasas procedentes de organismos convencionales se desnaturalizarían al poco tiempo, de ahí que antes del descubrimiento de esta polimerasa termoestable fuese necesario añadir nuevas alícuotas de polimerasa activa tras cada ciclo de PCR (lo cual era un coñazo, todo sea dicho) (7).
Gráfica en la que se representa la temperatura a lo largo de las 3 fases en un ciclo de PCR (Fuente).
Psicrófilos
Ahora nos vamos a ir al otro extremo de temperaturas, a pasar un poco de frío. En esta categoría de extremófilos, podemos encontrar bacterias que habitan en regiones polares, donde la temperatura no suele subir de los grados bajo cero.
Un dato a destacar es que la mayoría de estos organismos suelen ser, además, xerófilos (resistentes a la sequía, ya que al igual que ocurre a bajas temperaturas, la disponibilidad de agua líquida es muy reducida) y halófilos (resistentes a altas concentraciones salinas, ya que se cree que esto permite a las bacterias disponer de agua en estado líquido a temperaturas bajo cero) (8).
No solo de bacterias va a ir este post, ya que también encontramos animales (como los peces con proteínas anti-congelantes, de los que ya hablé en otro post) capaces de vivir en aguas muy frías o en los glaciares, algunos de los cuales hibernan en las estaciones frías. Otro factor a tener en cuenta es la fluidez de las membranas celulares, las cuales deben evitar su cristalización a bajas temperaturas. De ahí que los organismos que habitan en regiones frías sean capaces de alterar la composición de sus membranas celulares, adquiriendo estas una alta proporción de ácidos grasos insaturados en los fosfolípidos que las forman (9).
Además, organismos como los famosos tardígrados son capaces de producir compuestos crioprotectores endógenos (10) que les permiten resistir a las bajas temperaturas.
Acidófilos
En esta categoría se agrupan aquellos organismos capaces de vivir en medios donde el pH es muy bajo (ácido). Sin embargo, al contrario de lo que podríamos pensar, estos seres vivos han de mantener el pH intracelular cercano a 7 (pH neutro) (11), y para ello, disponen de una serie de mecanismos:
En bacterias (sí, otra vez, ¡es que las muy jodidas aguantan todo!), existe una serie de ATPasas de K+ y H+ (protones: cuya alta concentración disminuye el pH) que se encargan de bombear el exceso de H+ al exterior, exportadores de H+, poseen unas membranas con una alta impermeabilidad a los protones (para evitar su entrada a la célula), transportadores secundarios que permiten la expulsión de H+ con un menor gasto energético asociado, enzimas secuestradoras de H+ y además, gozan de unos mecanismos de reparación de DNA y proteínas más eficientes, para así contrarrestar el posible daño de esas biomoléculas ante una disminución del pH intracelular.
Así es cómo se las gastan las bacterias acidófilas para no petar ante la alta concentración de H+ (protones) del medio extracelular (Fuente).
Alcalófilos
Vayámonos ahora al otro extremo de pH, a valores altos del mismo (lo que se conoce como pH alcalino o básico) (12).
Aquí encontramos también bacterias que son capaces de mantener la homeostasis del pH de una forma similar a las bacterias acidófilas, a través de la actividad de transportadores y ATPasas de H+. En concreto, en el caso de bacterias que viven en medios muy alcalinos (como pueden ser los lagos alcalinos o soda lakes), es necesaria la presencia de iones Na+ (o K+ en algunos organismos) para mantener el pH intracelular neutro (o cerca de la neutralidad) gracias a la acción de antiportadores Na+/H+ (introducen H+ a la célula, para reducir el pH, y sacan Na+ al exterior). Algunas bacterias del género Bacillus poseen además en sus paredes celulares una serie de polímeros ácidos (como los ácidos teicurónico o poli-γ-d-glutámico) que las protegen del elevado pH del medio extracelular, y especies como Natranaerobius thermophilus poseen un proteoma (conjunto total de las proteínas expresadas en una célula) principalmente ácido, para tamponar el elevado pH del medio.
Halófilos
Ahora toca hablar de aquellos seres vivos que son capaces de vivir en ambientes con una concentración salina extremadamente alta (es que son mu salaos ellos), que se conocen con el nombre de halófilos.
Muchos de estos organismos son, como ya habréis imaginado, bacterias que son capaces de vivir en entornos con una concentración salina próxima al punto de saturación de la halita (la sal de toda la vida, vamos) (13). Me gustaría poneros como ejemplo de bacteria halófila a Haloferax mediterranei, una especie que se puede encontrar en las salinas de Santa Pola de Alicante (Comunitat Valenciana), y con la cual trabajó el microbiólogo Francis Mojica, descubridor del sistema de defensa adaptativo bacteriano contra infecciones virales conocido como CRISPR-Cas (14), que seguro conoceréis ya que las científicas Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier descubrieron que podría utilizarse este sistema CRISPR/Cas como una herramienta de edición genética maravillosa (15), que permite modificar el genoma de una célula en la región concreta que te interesa, abriendo el horizonte a un futuro prometedor para la terapia génica (aunque la técnica debe seguir desarrollándose y perfeccionándose para poder usarla de forma habitual y segura en pacientes humanos). Este descubrimiento les valió el premio Nobel de Química en el pasado año 2020.
Sistema CRISPR/Cas9. Vemos cómo utilizando una molécula guía (gRNA), la endonucleasa Cas9 es capaz de hacer un corte de doble hebra en la zona del DNA con la que hibride la guía que hemos diseñado, pudiendo así editar genomas en las zonas donde nos interese (Fuente).
Volviendo un poco a los halófilos (que me voy por las ramas), podemos comentar que, a grandes rasgos, el mecanismo principal que poseen para resistir las altas concentraciones salinas del medio es plantarle cara al mismo. Me explico: lo que hacen las halobacterias es que si el medio tiene una alta concentración de sales (osmolaridad), pues ellas, como son más chulas que un ocho, van a acumular también una gran concentración de compuestos (osmolitos) para aumentar la osmolaridad del medio intracelular, y así equilibrar la concentración salina con el exterior, evitando así que se les vaya todo el agua intracelular hacia afuera (por osmosis). Ejemplos de esos osmolitos serían iones (como K+) o compuestos orgánicos de bajo peso molecular, que le permiten mantener a la bacteria una presión osmótica intracelular similar a la del medio externo, evitando así la pérdida masiva de agua que sufriría un organismo que no estuviese adaptado a tales concentraciones de sales.
Barófilos
Sistema CRISPR/Cas9. Vemos cómo utilizando una molécula guía (gRNA), la endonucleasa Cas9 es capaz de hacer un corte de doble hebra en la zona del DNA con la que hibride la guía que hemos diseñado, pudiendo así editar genomas en las zonas donde nos interese (Fuente).
Ya por último, vamos a hablar de aquellos organismos que son capaces de resistir a altas presiones sin sucumbir en el intento: los barófilos o piezófilos (16).
Estos organismos se adaptan a medios donde están sometidos a altísimas presiones gracias a la presencia de proteínas con una elevada flexibilidad y estabilidad que no se ven desnaturalizadas en estos entornos. Esto parece que es posible debido a la abundancia de aminoácidos hidrofóbicos en las regiones interiores de las proteínas, que forman una estructura compacta y sin cavidades internas, además de la presencia de una alta cantidad de interacciones débiles entre esos aminoácidos que en su conjunto hacen que la estructura sea estable y resistente (¡la unión hace la fuerza!). Además, existen mecanismos de regulación sensibles a la presión atmosférica que, ante un aumento de la misma, son capaces de activar la expresión de genes que codifican proteínas resistentes a la presión o chaperonas que asisten el plegamiento del resto de proteínas celulares.
Curiosidades extra
Además de toda esta serie de organismos, también cabe destacar que existen otros seres vivos (como los ya mencionados tardígrados), que son capaces de resistir, por ejemplo, a las radiaciones ionizantes de alta energía como los rayos cósmicos del espacio, donde estos tardígrados son capaces de reproducirse y tener una descendencia viable (17).
Otras criaturas algo menos guays que los tardígrados, pero que también son bien duras de pelar, son las repugnantes cucarachas, capaces de resistir a numerosos insecticidas y productos químicos que los seres humanos utilizamos para deshacernos de su desagradable presencia. De hecho, el número de cucarachas es cada vez mayor, y encima están apareciendo rápidamente poblaciones cada vez más resistentes a los insecticidas que se utilizan para eliminarlas (18), lo cual supone una terrible noticia.
Mírala ella, qué kuki...
Conclusiones
Hemos hecho un repaso de los seis tipos principales de organismos extremófilos (aquellos capaces de resistir a condiciones ambientales en las que la mayoría de los seres vivos no podrían), y hemos visto algunos ejemplos de ellos. Además, no solo son interesantes por sus curiosas estrategias de resistencia ante las adversidades del entorno, sino que también poseen una gran utilidad para la especie humana, como ya hemos visto en el caso de la Taq polimerasa termoestable de Thermus aquaticus, que es muy apañada para llevar a cabo la técnica de la PCR, o el uso de las herramientas CRISPR/Cas para llevar a cabo la edición genética dirigida y específica (aunque aún queda mucho trabajo por hacer para que esta técnica sea ampliamente usada en terapia génica).
La verdad es que estos organismos tan chetados molan un montón (o al menos a mí, personalmente), y su existencia abre además la posibilidad de que exista o haya existido vida en otros lugares del Universo, aparte de en nuestro querido refugio azul (aunque este tema daría para otra publicación).
El planeta Tierra, nuestro querido hogar (al que desgraciadamente estamos destrozando a pasos acelerados) (Fuente).
Referencias
4. Rampelotto, P. H. (2013).
Extremophiles and extreme environments. In Life (Vol. 3, Issue 3, pp.
482–485). https://doi.org/10.3390/life3030482
9. Enriquez, T., & Colinet,
H. (2019). Cold acclimation triggers lipidomic and metabolic adjustments in the
spotted wing drosophila drosophila suzukii (Matsumara). American Journal of
Physiology - Regulatory Integrative and Comparative Physiology, 316(6),
R751–R763. https://doi.org/10.1152/ajpregu.00370.2018
10. Hengherr, S., Worland, M. R., Reuner, A., Brümmer, F., & Schill, R. O.
(2009). Freeze tolerance, supercooling points and ice formation: Comparative
studies on the subzero temperature survival of limno-terrestrial tardigrades. Journal
of Experimental Biology, 212(6). https://doi.org/10.1242/jeb.025973
14. Mojica, F. J. M., Juez, G.,
& Rodriguez‐Valera, F. (1993). Transcription at different salinities of
Haloferax mediterranei sequences adjacent to partially modified PstI sites. Molecular
Microbiology, 9(3), 613–621. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.1993.tb01721.x
15. Jinek, M., Chylinski, K.,
Fonfara, I., Hauer, M., Doudna, J. A., & Charpentier, E. (2012). A
programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science,
337(6096), 816–821. https://doi.org/10.1126/science.1225829
17. Rebecchi, L., Altiero, T.,
Guidetti, R., Cesari, M., Bertolani, R., Negroni, M., & Rizzo, A. M.
(2009). Tardigrade resistance to space effects: First results of experiments on
the LIFE-TARSE Mission on FOTON-M3 (September 2007). Astrobiology, 9(6),
581–591. https://doi.org/10.1089/ast.2008.0305
18. Mayes, K. (2019). Cockroaches
may soon be unstoppable—thanks to fast-evolving insecticide resistance. Science.
https://doi.org/10.1126/science.aay5605
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