La materia oscura microbiana: el paradigma del 1 %

Quizá hayas escuchado que los microorganismos son los seres vivos más diversos y abundantes en nuestro planeta. A pesar de que a simple vista no los vemos, se encuentran en prácticamente todos los ambientes posibles, incluso en aquellos donde la vida tal y como la conocemos puede ser realmente difícil. El hecho de que su presencia no sea tan evidente como la de los organismos macroscópicos los hizo ser invisibles durante mucho tiempo. No fue hasta el siglo XVII cuando se tuvo la primera evidencia de su existencia. Antonie van Leeuwenhoek fue capaz de visualizarlos inventando los primeros microscopios. Sin embargo, tuvieron que pasar dos siglos hasta que la generación de Pasteur y Koch, padres de la microbiología, pudiera cultivarlos en un laboratorio. No obstante, hoy en día siguen existiendo muchos microorganismos no cultivables

Microorganismos cultivables y no cultivables

A finales del siglo XIX comenzaron a desarrollarse las técnicas de cultivo de microorganismos. Estas técnicas permiten hacer crecer los microbios en un caldo nutritivo líquido o en una matriz gelatinosa (a base de agar agar), habitualmente sobre una placa Petri. Esto facilita trabajar posteriormente con ellos de manera aislada, pues en la naturaleza se encuentran junto a otras muchas especies diferentes. De los cultivos aislados puros podemos estudiar sus características, las moléculas de interés que fabrican, los procesos en los que participan, etc. En definitiva, conocer quiénes son, cómo viven y de qué pueden servirnos.

Microorganismos aislados de la superficie de placas solares. A) Bacterias y hongos sobre placa Petri. B) Bacterias y hongos sobre placa Petri bajo la lupa binocular.

El cultivo de microorganismos ha permitido identificar cerca de 20000 especies diferentes [1]. Sin embargo, aunque los números parezcan grandes, la cantidad de microorganismos aislados y cultivados en un laboratorio es una minúscula fracción de la que podemos encontrar en la naturaleza.

Conociendo la materia oscura microbiana

El desarrollo reciente de las técnicas de secuenciación masiva de ADN permitió hacer un descubrimiento que cambió por completo la manera de entender la microbiología. En muestras de orígenes muy diversos se detectaba una cantidad inmensa de material genético de microorganismos hasta entonces desconocidos. Existía una llamada ‘materia oscura microbiana’ (microbial dark matter) de cientos de millones de especies bacterianas de las que nunca antes se había tenido constancia. De esos microorganismos sólo tenemos evidencia porque su ADN se encuentra presente en el medio, pero nunca han sido cultivados en el laboratorio. Es por eso por lo que también se los conoce como ‘microorganismos no cultivables’ [2, 3].

Pero, ¿a qué se debe la materia oscura microbiana? ¿por qué esa imposibilidad de cultivar microorganismos? Los microorganismos están adaptados a vivir en los ambientes más recónditos del planeta y de infinitas maneras. Los medios de cultivo de laboratorio son mezclas más o menos simples de nutrientes, y las maneras de incubarlos (temperatura, humedad, presión…) son limitadas. Además, muchos microorganismos no saben vivir solos y necesitan estar en comunidades de vecinos. En estas comunidades cada uno puede encargarse de hacer una tarea que sea esencial para el resto. En definitiva, sus formas de vida son mucho más complejas de lo que podíamos diseñar con las técnicas básicas de cultivo utilizadas hasta el momento [4].

Hacia una nueva microbiología

A pesar del desarrollo de las técnicas de ingeniería genética y biología molecular, cultivar microorganismos sigue siendo fundamental. Muchas aplicaciones en biotecnología, como la fabricación de productos de interés (antibióticos, proteínas terapéuticas, pigmentos, etc.) o su uso directo (probióticos), dependen de que los microorganismos sean cultivables. Por eso, la microbiología moderna se centra en mejorar las técnicas de cultivo mediante diseños que imiten las condiciones de vida de estos minúsculos seres.

Proceso de producción de microorganismos a pequeña-media escala. A) Cultivo de microorganismos en placa Petri. B) Cultivo de microorganismos en medio líquido. La turbidez del medio indica el grado de crecimiento del mismo. C) Envasado de microorganismos liofilizados en polvo.

En los últimos años se han hecho grandes avances en este área. Incluso se ha descubierto que la manera en la que se preparan los medios de cultivo condiciona la variedad de bacterias que puede crecer. De esta manera, utilizando diferentes combinaciones de medios podríamos aumentar la variedad de microorganismos aislados [5]. Otros investigadores han desarrollado chips que permiten cultivar las muestras en el propio ambiente, por ejemplo introduciéndolo en la tierra [6]. Esto evita lidiar con las diferencias entre el medio natural y el medio de cultivo.

Chip para estudiar la materia oscura microbiana.
Chip usado para cultivar microorganismos in situ. Imagen de Christopher Leaman tomada de [7].

Algunos autores calculan que conocemos alrededor de un 1 % de los microorganismos presentes en el planeta, otros no están de acuerdo con esas cifras. No obstante, en lo que sí hay consenso es que todavía estamos muy lejos de poder cultivar toda la diversidad microbiana existente [8, 9]. Las aplicaciones de los pocos microorganismos que conocemos han mejorado considerablemente nuestro día a día (productos fermentados, medicamentos, combustibles más sostenibles, detergentes…). ¿Qué podríamos llegar a hacer con toda esa materia oscura microbiana desconocida?

Referencias

1. List of Prokaryotic names with Standing Nomenclature. https://lpsn.dsmz.de

2. Bernard, G., Pathmanathan, J. S., Lannes, R., Lopez, P., and Bapteste, E. (2018). Microbial dark matter investigations: how microbial studies transform biological knowledge and empirically sketch a logic of scientific discovery. Genome Biol. Evol. 10, 707–715. doi: 10.1093/gbe/ evy031

3. Rappé, M. S., and Giovannoni, S. J. (2003). The uncultured microbial majority. Annu. Rev. Microbiol. 57, 369–394. doi: 10.1146/annurev.micro.57.030502. 090759

4. Stewart, E. J. (2012). Growing unculturable bacteria. J. Bacteriol. 194, 4151–4160. doi: 10.1128/jb.00345-12

5. Molina-Menor, E., Gimeno-Valero, H., Pascual, J., Pereto, J., Porcar, M. (2021). High culturable bacterial diversity from a European Desert: the Tabernas Desert. Front. Microbiol. 11:583120. doi: 10.3389/fmicb.2020.583120

6. Berdi, B., Spoering, A. L., Ling, L. L., and Epstein, S. S. (2017). In situ cultivationof previously uncultivable microorganisms using the ichip. Nat. Protoc. 12,2232–2242. doi: 10.1038/nprot.2017.074

7. Dance A. (2020). The search for microbial dark matter. Nature. Jun 1;582(7811):301–3. doi: https://doi.org/10.1038/d41586-020-01684-z

8. Martiny, A. C. (2019). High proportions of bacteria are culturable across major biomes. ISME J. 13, 2125–2128. doi: 10.1038/s41396-019-0410-3

9. Steen, A. D., Crits-Christoph, A., Carini, P., DeAngelis, K. M., Fierer, N., Lloyd, K. G., et al. (2019). High proportions of bacteria and archaea across most biomes remain uncultured. ISME J. 13, 3126–3130. doi: 10.1038/s41396-019-0484-y

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Esther Molina

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