Los límites de la vida. Microorganismos extremófilos.

Quizás te hayas preguntado alguna vez cuales son los límites de la vida, es decir, dónde pueden habitar los seres vivos. Estamos acostumbrados a pensar en seres macroscópicos (como los animales y las plantas) que se han adaptado a un entorno común.

De esta forma, sabemos que un cactus almacena agua en el tallo con el fin de soportar las altas temperaturas y la sequía del desierto; o que un oso polar desarrolla un denso pelaje para soportar las bajas temperaturas del medio polar. Sin embargo, ¿has pensado alguna vez si hay vida en ambientes extremos como una salina, donde la concentración de sal es superior a la del mar? ¿o una charca con un pH ácido como si de un zumo de limón se tratase? Si tu respuesta es sí, aquí conocerás cuáles son los límites de la vida y los microorganismos extremófilos, seres “amantes de lo extremo”, que colonizan dichos entornos.

¿Qué son los ambientes extremos?

La mayoría de los microorganismos conocidos están adaptados a condiciones que podríamos llamar “estándar o normales” y que son las más frecuentes en la biosfera:

  • Temperatura entre 10 y 40ºC,
  • pH neutro,
  • presión de 1 a varias atmósferas,
  • salinidad entre la del agua dulce y la del agua de mar,
  • radiación solar moderada
  • oxígeno abundante.

Sin embargo, hay seres vivos que están adaptados a ambientes extremos en los que no se cumple alguna de las condiciones citadas anteriormente: los extremófilos. La mayoría son microorganismos presentes en el dominio Bacteria y Archaea. Habitan en condiciones que retan a la supervivencia: con temperaturas muy altas o bajas, acidez y alcalinidad, altas concentraciones de sales, muy alta presión, radiación y concentraciones altas de gases como el dióxido de carbono, el azufre o el nitrógeno, que desplazan la del oxígeno.

La diversidad en los ambientes extremos suele ser baja, pero las pocas especies que los colonizan están altamente adaptadas gracias la enorme variedad de estrategias que poseen. Curiosamente, en la mayoría de los casos, son extremófilos obligados puesto que no tienen la capacidad de vivir en ambientes “normales”.

Tipos de ambientes extremos y características de los seres vivos que los habitan

Básicamente hay seis tipos de ambientes extremos y, aunque aquí se muestran de forma independiente, los microorganismos extremófilos se pueden adaptar a más de uno. Además, aquí se incluyen los organismos capaces de soportar alta radiación.

Temperatura

Dentro de este condicionante, existen cuatro ambientes extremos que, de menor a mayor temperatura, clasifican a los microorganismos extremófilos en 4 grupos:

Psicrófilos (0 – 10ºC), Mesófilos (10 – 50ºC, temperatura «normal»), Termófilos (50 – 70ºC), Hipertermófilos (70 – 122ºC).

Para soportar estas condiciones, los microorganismos se pueden adaptar de dos formas:

Los microorganismos extremofilos que viven en altas temperaturas (termófilos e hipertermófilos) generan proteínas termorresistentes que evitan una desnaturalización irreversible. ¿Qué quiere decir desnaturalización?

Es un proceso que ocurre cuando las proteínas se calientan en exceso, haciendo que pierdan su estructura y consecuentemente su función. Además, estos microorganismos poseen una membrana plasmática más estable.

La arquea hipertermófila Methanopyrus kandleri posee el récord de supervivencia, ¡soporta una temperatura de 122ºC! Se han encontrado en una chimenea marina presente en el Golfo de México. A continuación, se muestra una imagen de este hábitat, ¿os imagináis viviendo en semejante hervidero?

Chimenea marina, fuente hidrotermal o fumarola

Las proteínas de los microorganismos extremófilos que habitan a bajas temperaturas (psicrófilos) tienen una alta actividad enzimática y una mayor especificidad. También son capaces de moverse y cambiar de conformación debido a una estructura más flexible. Todo ello hace que las proteínas trabajen de forma más eficiente. También realizan cambios específicos en los lípidos de la membrana plasmática con el fin de soportar esas bajas temperaturas. Muchos ejemplares se han aislado en las gélidas costas de la Antártida.

Presión

La mayoría de los seres vivos conviven con una presión de 1 a unas pocas atmósferas (atm). 1 atm es la presión que encontramos a nivel del mar. Sin embargo, los piezófilos viven a presiones muy superiores, de unos 400 o más atm, según la profundidad a la que se encuentren. En la siguiente imagen que os adjunto se puede observar cómo la presión aumenta conforme lo hace la profundidad.

Relación directa entre la profundidad y la presión atmosférica en el océano

Estas altas presiones están presentes en el lecho marino, como consecuencia de la enorme masa de agua que hay por encima. Un claro ejemplo se puede ver en la fosa de las Marianas situada a unos 11.000 metros de profundidad. Allí la presión supera las 1000 atm, sin duda, una olla a presión extrema.

Los microorganismos piezófilos también suelen estar adaptados a temperaturas altas o bajas. Por eso, la adaptación a la presión no difiere mucho de la adaptación a las temperaturas extremas. Una adaptación particular es que los piezófilos compactan más el ADN y fabrican proteínas de menor tamaño.

Dado la posibilidad de adaptación a dos tipos de ambientes extremos, se pueden encontrar piezófilos arqueas que son también termófilos o hipertermófilos. Estas arqueas suelen estar presentes en las fuentes hidrotermales de los fondos marinos. En cambio, los piezófilos psicrófilos suelen ser bacterias situadas en las profundidades de los fríos océanos.

El pH, el parámetro de la vida.

El pH normal suele rondar el 7, es decir el neutro. Sin embargo, los microorganismos extremófilos van a ser capaces de crecer en los extremos inferiores (ácido) y superiores (básico o alcalino) del pH. Estos microorganismos extremófilos se suelen denominar microorganismos acidófilos y alcalófilos, respectivamente.

Para ambos ambientes, tanto los microorganismos acidófilos como los alcalófilos se adaptan con mecanismos que mantienen el pH más neutro en el citoplasma con respecto al exterior. Es decir, estos microorganismos extremófilos mantienen un pH neutro dentro de ellos. De forma más específica, los acidófilos presentan sistemas de transporte únicos, y los alcalófilos generan una envoltura celular compleja que aísla el interior celular del exterior alcalino.

Dos claros ejemplares de acidófilos, quizá sus nombres den una pista sobre ello, son la arquea Ferroplasma acidarmanus y la bacteria Acidithiobacillus ferrooxidans. Ambas se pueden localizar en un lugar emblemático en lo que se refiere a estudios de ambientes extremos: la cuenca del río Tinto, en Huelva. Este entorno se ha comparado muchas veces como análogo a Marte. Os adjunto una imagen del curioso río abajo. Por parte de los alcalófilos, hay que comentar que su adaptación también se ve presente en el siguiente hábitat que os expongo. Estos microorganismos extremofilos en concreto son microorganismos haloalcalófilos.

Transcurso del río Tinto (Huelva)

Altas concentraciones de sal

Los microorganismos halófilos son aquellos que sobreviven, y precisan, de altas concentraciones de sal para vivir. Crecen en porcentajes de sal muy superiores a las del agua de mar (3%), en concreto entre el 6 y 36%.

Puesto que la sal tiene efectos significativos sobre la estabilidad y conformación de la célula, así como la solubilidad de las proteínas, los microorganismos halófilos poseen dos estrategias de supervivencia. O bien acumulan sales inorgánicas, o bien captan o sintetizan pequeñas moléculas orgánicas. El fin cualquiera de estas estrategias que empleen es equilibrar las presiones osmóticas generadas por la sal exterior. La presión osmótica, por lo general, se supera mediante el proceso de ósmosis. De tal forma que la célula, al detectar una concentración de sal exterior superior a la interior, libera agua para tratar de igualarlas. Sin embargo, las estrategias de los halófilos evitan desecarse reteniendo el agua en su interior, que es la base para el correcto funcionamiento celular.

Un organismo ejemplar para el estudio del medio ambiente salino es la arquea Haloferax mediterranei que fue inicialmente aislada en una salina en Santa Pola, Alicante (imagen). Como representante bacteriano se puede destacar la bacteria Salinibacter ruber. Si prestáis atención a los nombres, ambos hacen referencia a la sal. La ciencia no es tan complicada y muchas veces se da nombre científico a las especies con pistas sobre el ambiente en el que viven.

Salinas de Santa Pola (Alicante)

Radiación. ¿Quién puede sobrevivir a eso?

Los microorganismos capaces de sobrevivir a gran cantidad de radiación son los microorganismos radiófilos. A diferencia del resto de microorganismos extremófilos, éstos no precisan de estas condiciones para el desarrollo óptimo de su ciclo de vida. Es decir, son simplemente microorganismos que serían capaces de soportar las altas radiaciones que resultan nocivas para el resto de los seres vivos. Mientras que una persona no puede superar los 0.002 Gy de radiación (Greys, unidad de medida) por año (por el riesgo que esto conlleva), los microorganismos radiófilos son capaces de soportar miles y miles de Gy.

Estos microorganismos evitan los efectos oxidativos provocados por la radiación generando pigmentos fotoprotectores encargados de transformar los agentes tóxicos en compuestos derivados que no lo sean. También poseen sistemas de reparación de ADN muy eficaces y rápidos. Además, las bacterias radiófilas son capaces de generar endosporas que protegen del exterior radiactivo. Para los que no sepáis esto último, una endospora es una forma de resistencia que adopta la célula para protegerse de tensiones externas. Así, la célula «duerme» y se vuelve a activar cuando las condiciones son más idóneas.

Como ejemplos, se puede nombrar la bacteria Deinococcus radiodurans y la arquea Thermococcus gammatolerans que soportan radiaciones de cinco mil y treinta mil Gy, respectivamente. De nuevo, si te fijas en el nombre de ambas especies, las dos tienen algo relacionado con la radiación. Incluso el nombre de la arquea nos indica a que tipo de radiación es resistente (radiación gamma). Para que te hagas una idea, esto equivaldría a entre 1.25 y 7.5 millones de mamografías seguidas (cada una supone 0.004 Gy).

Importancia del estudio de los microorganismos extremófilos. Las aplicaciones biotecnológicas

Para el estudio de estos microorganismos extremófilos, los cuales espero que ya os sean más conocidos y tengáis en cuenta los distintos entornos, se siguen dos vertientes principales.

La primera vertiente está relacionada con los procesos de origen, evolución y diversificación de la vida en la Tierra. Existen estudios que indican que antepasados de microorganismos extremófilos podrían estar habitando la Tierra pocos milenios después de que se formara (hace 4.600 millones de años). Esto es debido a que las condiciones para albergar vida en la Tierra hace cientos de miles de años eran muy diferentes a las de ahora.

Paralelamente, hay diversos estudios que han planteado la hipótesis sobre la posible presencia de estos seres en otros planetas. También se ha planteado la posibilidad de mandar microorganismos radiófilos al espacio y estudiar qué compuestos generan para sobrevivir. Esto último se planteó a raíz de la investigación con el microorganismo radiófilo Deinococcus radiodurans, cuyo resultado demuestra las posibilidades que éste tiene para sobrevivir en el espacio exterior (Abrevaya et al., 2011).

Galaxia vista desde la superficie de la Tierra

La segunda vertiente se centra en una investigación básica y en una aplicación directa de ésta en la industria biotecnológica. Así pues, existen gran cantidad de sustancias con interés comercial en materia de genética, ecología, industria alimentaria, industria química, etc. Se puede destacar la utilidad de la enzima polimerasa resistente al calor, la ADN Taq polimerasa extraída del microorganismo Thermus aquaticus (de ahí el acrónimo Taq). Gracias a esta enzima se ha desarrollado la técnica de la Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR, por sus siglas en inglés), aplicada tanto a nivel de investigación básica como a nivel clínico.

Red Nacional de Microorganismos Extremófilos (RedEx)

En España se construyó la RedEx con el fin de englobar a los grupos cuyas investigaciones se centran en:

  • El análisis de la biodiversidad microbiana en hábitats extremos,
  • el estudio de los aspectos fisiológicos, metabólicos y genéticos que estos seres tienen,
  • su clasificación en los grupos de la vida y,
  • sus aplicaciones biotecnológicas.

Así pues, estudian microorganismos extremófilos de todo tipo y a distintas escalas, desde la parte molecular hasta las comunidades naturales complejas. Os dejo el link a los distintos grupos dentro de esta red con el fin de observar qué estudios se hacen a nivel nacional sobre microorganismos extremófilos: https://web.ua.es/es/rnme/grupos-investigacion/

Conclusión

¿Conocías los microorganismos extremófilos? Ahora ya conoces cuales son los límites donde se encuentra la vida y algunas de las adaptaciones que hay en estos entornos tan hostiles. Acabas de descubrir que no todos los seres vivos habitan en condiciones normales, y por último, has aprendido algunas de las aplicaciones que estos seres han aportado a la ciencia. Interesante, ¿no te parece?

Bibliografía

Abrevaya X.C., Paulino-Lima I.G., Galante D., Rodrigues F., Mauas P.J., Cortón E., and Lage C.D.A.A. (2011). Astrobiology. Comparative survival analysis of Deinococcus radiodurans and the Haloarchaea Natrialba magadii and Haloferax volcanii exposed to vacuum ultraviolet irradiation. Astrobiology, 11(10), 1034-1040. http://doi.org/10.1089/ast.2011.0607

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Juan Cebollada Galisteo

¡Hola! soy Juan, graduado en Biología, especializado en el itinerario de biotecnología y biomedicina. Me gusta hacer llegar la ciencia a todo el mundo y es por ello por lo que aquí estoy. Espero que te guste el contenido y que disfrutes tanto como yo lo hago escribiendo. ¡Nos vemos en los siguientes blogs!