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Hola y bienvenidos a los seminarios iBio. Mi nombre es Diane Newman y soy profesora en las Divisiones de Biología,
Geología y Ciencias Planetarias en el Instituto de Tecnología de California,
y también soy investigadora del Instituto Médico Howard Hughes.
Voy a dar una conferencia en tres partes hoy día,
y ésta es una parte, la que será una visión muy general de la diversidad microbiana y la evolución.
En la segunda parte, voy a contar una historia específica sobre un ejemplo moderno de un metabolismo microbiano
que es muy interesante y muy importante, el cual afecta la geoquímica del medio ambiente con
respecto a la geoquímica arsénica.
En la tercera parte, voy a hablar sobre el trabajo que hemos estado haciendo, que está más dirigido
a la comprensión de un metabolismo que se desarrolló en el pasado, a saber la fotosíntesis oxigénica.
Pero vamos a empezar con un resumen ahora
y vamos a considerar cuatro puntos importantes sobre
los microorganismos y su historia. Voy a explicar cada uno de estos cuatro puntos.
El mundo microbiano es realmente muy notable
y mi objetivo en esta primera visión general es dejarlos con una impresión
de su diversidad, su antigüedad y cuán abundante y ubicuo
es este mundo. Así que vamos a empezar con la antigüedad.
Cuando pensamos en la evolución de la vida, a menudo pensamos en términos de fósiles macroscópicos
como los que se ven aquí. Es muy claro cuando miramos
estas rocas que había algo vivo en la Tierra cuando se formaron.
En este panel por aquí se ve un fósil de un cierto tipo de alga. No está claro
exactamente de qué tipo, pero se infiere ser un alga.
Esta forma aquí se conoce como un trilobite.
Esta sección de la roca que estamos viendo es uno de los fósiles más famosos en el campo.
Se llama el Burgess Shale. Se encuentra en Canadá, y se remonta a lo que llamamos la explosión cámbrica,
que se produjo unos quinientos millones de años atrás, alrededor de
quinientos sesenta millones de años atrás.
Así que sin duda podemos sostener cuando vemos rocas de esta edad que la vida estaba presente.
Pero si queremos pensar en la historia evolutiva de la vida
en un lapso de tiempo mucho más grande, de miles de millones de años,
dado que la Tierra es de 4,6 millones de años,
debemos dar un paso atrás en el tiempo y ver rocas más antiguas.
Cuando hacemos esto, las formas cambian repentinamente y ya
no es tan evidente que estamos viendo versiones fosilizadas de la vida,
y sin embargo eso es lo que vemos. Tomen esta piedra como un ejemplo.
Aquí pueden ver estas estructuras en forma de cúpula: son los vestigios de un tipo de comunidad microbiana
que estaba formándose en un ambiente marino somero
que se ha litificado y dejó estas estructuras domales
que llamamos estromatolitos.
Ahora bien, esta roca en particular que Uds. están viendo
es de aproximadamente 3 mil millones de años y es de Sudáfrica.
Sin embargo, estas rocas se pueden encontrar en todo el mundo y recurren
durante toda la historia de la Tierra, remontándose hasta 3,4 millones de años.
Sin embargo, cuando vamos aún más atrás en el tiempo,
por ejemplo 3,8 millones de años,
Uds. pueden ver los depósitos de minerales; no intuimos inmediatamente que tuvieron algo que ver con
los microorganismos, y sin embargo fue así. De hecho, muestran la historia de la actividad microbiana, que era
tan profunda que literalmente transformó el planeta.
Este es un ejemplo hermoso. Estamos viendo aquí una cantera de 2,4 mil millones años de edad. Esto está
en Australia Occidental en la formación Hamersley y se conoce como una formación de hierro en bandas.
Son muy importantes hoy en día ya que constituyen la mayor fuente mundial del mineral de hierro.
Pero también registran una notable historia en la evolución del metabolismo. Ahora, ¿cómo puede ser esto?
¿Cómo nos dicen algo sobre la vida microbiana estas masivas canteras de piedra?
Pues bien, cuando se piensa en lo que las constituye,
se componen de minerales de hierro, así como otros minerales como
sílex, que es un tipo de óxido de silicio,
entremezclado con estas especies de hierro, pero por ahora vamos a concentrarnos en el hierro.
Entonces, ¿cómo entra este hierro en este gran depósito que ven aquí?
Bueno, comenzó hace mucho tiempo en los mares antiguos, en forma de hierro ferroso
que se llama Fe2+.
Luego algún proceso, al que voy a llegar en tan sólo un minuto, oxida este hierro ferroso a hierro férrico,
y en ese momento podía reaccionar con componentes en las aguas como especies de hidroxilo
para formar minerales de hierro, como éste: oxihidróxido férrico, el óxido.
Con el tiempo este mineral transformó y cambió
en diferentes tipos de minerales, se hizo compacto, se mezcló
con los demás y terminó en estas rocas que hoy conocemos como formaciones de hierro en bandas.
Pero este primer paso aquí es crítico en términos de que nos da una idea de la actividad microbiana
en la antigua Tierra. Y vamos a pensar en dos escenarios donde los microorganismos
podrían haber sido involucrados. El primer escenario
es uno donde un tipo muy primitivo del organismo fotosintético...
bueno, yo diría primitivo entre comillas, porque en realidad este metabolismo es muy sofisticado.
Sin embargo, esto es primitivo en el sentido de que es un tipo de fotosíntesis
que no genera oxígeno. Más bien se llama anoxigénico, lo que significa que hay
un donador de electrones, en este caso el hierro ferroso, que se oxida y se convierte en hierro férrico
y eso lleva a la reducción del carbono inorgánico, CO2, a la biomasa.
Uds. pueden ver que este es un metabolismo muy dramático
cuando ocurre porque todo lo que necesita es luz, los microorganismos, el hierro ferroso
y algunas otras cosas que le ayudan a ponerse en marcha, pero los tres más importantes están
en una botella aquí, como he dicho, con unos pocos nutrientes añadidos para que todo funcione.
Cuando la luz brilla en esta botella,
estos organismos pueden oxidar el hierro rápidamente.
Producen óxido y Uds. pueden ver el color oxidado en esta botella.
Este óxido es exactamente el tipo de hierro que es el predecesor de los minerales que constituyen estas
formaciones de hierro en bandas. Ahora, en el centro se pueden ver estos organismos que crecen en un donante
de electrones diferente; voy a explicar qué es un donador o un aceptador de electrones más adelante.
En este caso se utiliza hidrógeno como un donante de electrones y el color rosa que Uds. ven
se debe a los pigmentos fotosintéticos en sus membranas
que le permiten cosechar luz y crecer de esta manera.
Por lo tanto esta situación, como ya he dicho es catalizada por los
organismos que no generan oxígeno. Son fototrofas anoxigénicas
capaces de oxidar el hierro en un proceso fotosintéticamente mediado
en ambientes donde no hay oxígeno presente, y sin embargo, estos minerales férricos pueden formarse.
Ahora el escenario dos, que es totalmente diferente,
es uno donde los organismos que finalmente catalizan la precipitación
de estos minerales son productores de oxígeno molecular. Son las cianobacterias
que se pueden ver aquí. Fueron sumamente importantes en la evolución del metabolismo
y también en el cambio de la composición química global de la Tierra, incluyendo su atmósfera.
Evolucionaron la capacidad notable de usar el agua como un donador de electrones en la fotosíntesis,
oxidarlo y convertirlo en oxígeno molecular, y a través de este proceso pudieron reducir CO2 a la biomasa.
Ahora, una vez que producen este oxígeno, el oxígeno químicamente podría reaccionar
con el hierro ferroso, oxidándolo y convirtiéndolo en hierro férrico,
y esto a su vez podría ir avanzar en la vía para precipitar estos minerales oxidados que les mostré.
Así que aquí tenemos dos opciones: un escenario donde no hay oxígeno involucrado,
y un segundo escenario donde el oxígeno es obligatorio.
Y ambos son procesos biológicos.
Entonces, ¿cómo distinguir entre ellos si estamos interesados en comprender
los tipos de organismos que estaban presentes en la Tierra en el pasado remoto?
Bueno, esto es todo un reto, por cierto, y habrá muchos años de investigaciones en el futuro
con el fin de realmente precisar esto.
Es un gran campo en el cual entrar si eres un estudiante nuevo
e interesado en la bioquímica y la evolución.
Pero lo que voy a decir por ahora es que sabemos a partir de varios indicadores
que en algún momento entre 2 mil millones y 3 mil millones de años
es muy probable, de hecho, es casi seguro,
de que surgió el proceso de la fotosíntesis oxigénica.
Pero cuándo esto sucedió exactamente y cómo los eventos evolutivos se complementaron,
de modo que estas fototrofas anoxigénicas que pueden utilizar sustratos reducidos,
como hidrógeno, o especies de azufre, o hierro como donadores de electrones en la fotosíntesis,
éstos se transformaron en un tipo más sofisticado de fototrofo
que podría usar el agua como un donador de electrones,
las cianobacterias, que a su vez son lo que se convirtió en los plástidos,
los cloroplastos que encontramos en las algas marinas modernas
y también en plantas que son conocidas por su capacidad de realizar la fotosíntesis oxigénica...
No lo sé. No sabemos cuándo esto sucedió.
En mi tercera conferencia de esta serie, voy a describir maneras en que podemos abordar este problema.
Pero es una pregunta profunda y lo que me gustaría dejarles ahora
es el simple mensaje de que estas rocas muy antiguas, como las formaciones de hierro en bandas,
tienen pistas sobre un misterio que hay que desentrañar.
Y esperamos llegar a ello a través de herramientas biológicas modernas.
Muy bien, ahora, como dije, la historia de la vida microbiana
se extiende muy lejos en el tiempo, hasta 3,8 mil millones de años atrás según actualmente estimamos,
pero esto podría haber sido aún más temprano.
Cómo desciframos cuándo evolucionaron ciertos metabolismos microbianos y de qué tipo eran?
Bueno, esto en realidad es muy difícil.
Hay tres formas principales en que podemos conocer
la microbiología del pasado, usando
la morfológica, molecular o genómica, que es por supuesto una forma de firmas biológicas moleculares.
Estos son muy diferentes en lo que pueden decirnos.
Así que los dos primeros, el morfológico y el molecular,
son importantes porque pueden ser concretamente ligados a rocas, piedras antiguas, que podemos fechar.
Por eso, cuando vemos una forma particular,
esto se sostiene en la mano una muestra de estromatolitos.
Esto es en una escala muy diferente aquí. Estamos viendo una sección delgada de una roca,
y eso es cierto para estas imágenes a continuación,
donde la escala es de aproximadamente 1 milímetro en esta imagen y es incluso más pequeña aquí abajo.
Las estructuras que se observan han sido interpretadas como vestigios de vida antigua por varias razones.
Pero esta interpretación es a menudo ambigua y es un reto poder llegar a biofirmas
no ambiguas simplemente a base de su forma.
Así que los geobiólogos, los interesados en entender la vida en la antigüedad,
han recurrido recientemente a lo que llamamos firmas biológicas moleculares que vienen en dos formas:
biofirmas orgánicas o algún tipo de biofirma inorgánica,
a menudo se expresa como una proporción de isótopos diferentes en una muestra.
Ahora bien, esto es un reto a su vez,
pero puede ser la mejor manera en que podemos obtener una visión más específica de
diferentes tipos de metabolismos, al mirar la química de lo que queda en la roca
y al poder deducir a través de análisis de escala más fina si
esta química fue impartida únicamente por un proceso biológico o no.
Por último podemos pensar en los genes como fósiles y el registro genómico ha sido crucial
en establecer la diversidad de la vida en el planeta, como voy a explicar en esta conferencia.
Pero también nos ayuda a entender la relación de las diferentes funciones enzimáticas
y la forma en que evolucionaron una de otra.
Si bien esto no nos da una fecha concreta para la evolución
de estos metabolismos, sí nos proporciona la capacidad de mirar
la relación entre los diferentes metabolismos y llegar al orden en el que probablemente se inventaron.
Así que eso es todo lo que voy a decir ahora sobre la antigüedad de la vida microbiana,
y si Uds. están interesados, escuchen la tercera conferencia de esta serie, donde voy a hablar
con más detalle de cómo utilizamos un compuesto particular que se encuentra en los lípidos
en las células modernas como un indicador potencial para la fotosíntesis oxigénica
y si es o no es válido hacerlo.
El siguiente punto que ahora quiero abordar es cuán numerosos son los microbios.
Así que vamos a hacer una pregunta muy simple. ¿Cuántos microbios hay en la Tierra?
Y para llevar esto a un punto de referencia humano, vamos a empezar con el número de la población humana.
Yo soy de Los Angeles, que en el último censo
tenía alrededor de 10 millones de personas. En California, somos unos 35 millones de personas,
y en los Estados Unidos en general, hay casi 300 millones.
Estos son números grandes, pero en general en el mundo hemos subido tres órdenes de magnitud
hasta los 6 mil millones de personas. Y eso es un montón de gente.
Sin embargo, esto no es nada en comparación con la población microbiana
estimada en un paper maravilloso que estoy citando aquí en la parte inferior de la diapositiva,
llamado "Los procariotas, la mayoría invisible", que fue publicado en PNAS en 1998.
Estas son cifras muy aproximadas, pero agregando o restando un orden de magnitud
acá o allá, creo que Uds. se van a impresionar al ver el número que les voy a mostrar.
Así que las estimaciones de la población microbiana son enormes, 5 veces 1030 de células.
Es un número tan grande que es muy difícil imaginarlo.
Así que para hacer esto un poco más fácil,
hice un cálculo muy simple, donde supuse que la longitud de cierto microorganismo
era una micra y pregunté: "¿cuántas veces tenemos que ir y venir entre la Tierra
y el Sol si alineamos todos estos organismos de extremo a extremo para dar cuenta de este número?"
Y la respuesta, sorprendentemente, es que tendríamos que ir y venir 200 billones de veces.
Así que espero que les impresione cuántas de estas criaturas existen en el planeta.
Ahora, ¿dónde están, si hay tanta gente?
¿Cómo es que no pienso en eso todo el tiempo?
¿Por qué no estamos abrumados?
Bueno, una razón es que muchas veces somos terriblemente ignorantes
del hecho de que están a nuestro alrededor, que somos microorganismos ambulantes.
Uno de los primeros científicos que apreció este hecho profundo
fue el padre de la microscopía, Antony van Leeuwenhoek.
Esta es una imagen preciosa que dibujó según las observaciones que hizo por su primer microscopio
en 1684, y se puede ver que dibujó unas barras y unos cocos, e incluso imágenes de la motilidad, probablemente,
en estas líneas de puntos de C a D.
El pensó, mientras miraba por el microscopio, sobre sus propios dientes, y creo que esta cita es muy divertida.
Dijo: "Aunque mis dientes se mantienen por lo general muy limpios,
cuando los veo con lupa
encuentro que crece entre ellos una sustancia blanca tan espesa como una flor mojada.
El número de estos animales en la caspa de los dientes de un hombre,
es tanto que creo que supera el número de hombres en un reino".
Pues bien, esto es en realidad una subestimación.
Ese número no sólo supera el número de hombres y mujeres en un reino,
va mucho más allá. Así que si realmente miramos nuestros propios cuerpos...
veamos la muñeca, un centímetro cuadrado de la superficie de la muñeca.
Allí mismo, se estima que tenemos desde cinco hasta cincuenta mil células bacterianas.
Eso aumenta en densidad a medida que nos movemos a otras partes del cuerpo, como la ingle y las axilas,
los dientes, y donde más está en en nuestro cuerpo es en el colon.
El total por persona es 70 billones.
Eso es bastante.
Una cosa que creo que es importante que
sepan sobre la comunidad microbiana en sus propios cuerpos,
es que hay diez veces más células microbianas
en nuestro sistema que células humanas.
Y no sólo eso, cuando nos fijamos en el potencial genético del ADN
de estos organismos, el potencial genético de los que están en nuestras entrañas
es más de cien veces mayor que el potencial del genoma humano.
Uds. pueden preguntarse si los seres humanos no son más que depósitos ambulantes de microorganismos,
portadores que sirven para su existencia.
Es algo en que pensar y está surgiendo una gran cantidad de investigación
que empieza a iluminar lo crucial que son estos organismos
para la salud humana, no sólo por ayudarnos a digerir la comida,
sino también por la interconexión y el control de nuestro sistema inmunológico,
de manera que son fascinantes.
Ahora, a pesar de que este número, 1012, parece realmente grande, y de hecho lo es,
es nada cuando lo comparamos con otros dominios donde encontramos microorganismos.
Así que vamos a empezar con los menos abundantes, en el aire.
Es bastante sorprendente para mí que hayan sido detectados hasta los 34 y 46 kilómetros de altura
en el cielo. Sin embargo, estas concentraciones son pequeñas en relación con otros compartimientos.
Como les dije, en el cuerpo humano tenemos unos cuantos.
Cuando se suman todos los seres humanos y los animales domésticos, y luego las termitas,
a las que voy a volver dentro de poco,
el orden de magnitud salta a eso de 1023, 1024.
Esto es superado por las cantidades que se puede encontrar en los suelos,
bosques, praderas, desiertos, tundras y ambientes pantanosos.
Estos lugares son casas muy fértiles para microorganismos y allí sus actividades pueden transformar
la química de su entorno bastante profundamente.
Esto, por supuesto, también es cierto en dominios acuáticos, donde en órdenes de magnitud similares
encontramos microorganismos tanto en ambientes marinos como de agua dulce.
Pero todos estos números palidecen en comparación con las cifras que encontramos en el subsuelo,
tanto en ambientes terrestres como oceánicas, donde los microorganismos
se han detectado a una profundidad de tres kilómetros.
Ahora bien, esto es realmente una zona de frontera muy interesante en la microbiología. Es difícil bajar
a esas profundidades, y sin embargo en la actualidad, los investigadores están equipados
con las herramientas necesarias para poder acceder a estas comunidades remotas.
Lo que queda por aprender es qué exactamente están haciendo estos organismos in situ.
¿Están activos? Y si es así, ¿cuáles son sus actividades?
¿Están afectando estas actividades de manera significativa
las propiedades físicas y químicas de estos ambientes?
No lo sabemos, y esperamos que en las próximas décadas podamos encontrar
las respuestas a éstas y otras preguntas interesantes.
Así que ahora déjenme darles un ejemplo, un recorrido por las diversas partes
y los habitantes de ese mundo donde encontramos estos organismos.
Esto es para que entiendan lo ubicuos que son los microbios en el planeta.
Para empezar con lo que podría ser una imagen más familiar, aquí lo que están viendo es alga de estanque.
Uds. están viendo un conjunto maravilloso de fototrofas
y otros microorganismos en este estanque. Por supuesto, mis favoritos son estas fototrofas moradas.
Estas son las que mencioné anteriormente, las que llamamos fototrofas anoxigénicas,
que no utilizan el agua como un sustrato en la fotosíntesis,
sino que utilizan otros compuestos más reducidos, como diferentes tipos de azufre, hidrógeno o hierro.
Estos organismos que vemos en los estanques de hoy en día, como les dije al principio cuando ilustraba
la antigüedad de la vida microbiana con el ejemplo de las formaciones de hierro en bandas,
estos organismos son absolutamente históricamente importantes para su metabolismo,
para la diversidad de su metabolismo y para cómo ha cambiado la geoquímica de la Tierra.
La evolución de la fotosíntesis no sólo ha contribuido a que nuestra atmósfera
contenga oxígeno en el transcurso del tiempo,
sino también, como les mostré con las formaciones de hierro en bandas,
estos tipos de organismos probablemente también han influido en la formación mineral.
Muchos otros procesos importantes han podido surgir
gracias a estos organismos. Hay que señalar
que este tipo de actividad metabólica, la fotosíntesis, es la que hoy nos interesa mucho
debido a nuestra necesidad de dar con las fuentes de energía alternativas.
Ciertamente, si los químicos pudieran imitar lo que hacen estos microbios maravillosos en este estanque,
no tendríamos que preocuparnos tanto por nuestra dependencia del petróleo extranjero y por el hecho
de que nuestros suministros de combustibles fósiles se queman, pero esa historia es para otro día.
El punto es que su diversidad metabólica es antigua. Lo vemos a nuestro alrededor y la bioquímica es realmente fascinante.
Para continuar con la química y el metabolismo de estos organismos,
no sólo hacen cosas importantes cuando están creciendo,
sino que también hacen cosas importantes cuando llegan a lo que llamamos la fase estacionaria.
Este es un punto en su desarrollo donde no están necesariamente en crecimiento activo,
pero están en una densidad más alta y metabólicamente están sólo pasando el rato.
Cuando esto ocurre en su ciclo de vida,
a veces comienzan a ser excretados unos metabolitos y pigmentos.
Estos pigmentos, que se llaman metabolitos secundarios,
aunque ese nombre en sí puede ser un poco engañoso, ya que son secundarios sólo en un sentido temporal,
en el sentido de que se hacen después de una fase de crecimiento activo,
pero de ninguna manera son secundarios en términos de la fisiología de los organismos que los producen.
No obstante, estos metabolitos a menudo se utilizan hoy en día por las compañías farmacéuticas
como productos naturales que confieren actividad antibiótica.
Un excelente ejemplo de ello son los organismos de la familia Streptomycetes que Uds. ven aquí
en esta placa de Petri, que están produciendo una gran cantidad de maravillosos compuestos antibióticos.
Ahora, en el medio ambiente de la tierra, por supuesto, hay raíces de plantas.
En esta parte del suelo conocida como la rizosfera también podemos encontrar
microorganismos que están colonizando de un modo muy beneficioso las raíces de las plantas.
Aquí hay una raíz de plántulas de tomate. Esta es una imagen tomada por *** Bloemberg.
El demostró en experimentos en el laboratorio que cuando tomó las plántulas de tomate de raíz
y las mezcló con un organismo llamado Pseudomonas,
esta bacteria era capaz de colonizar la planta y formar lo que llamamos biopelículas en la superficie de la raíz.
Esto es sólo un ejemplo de organismos que interactúan con las plantas.
Hay muchos que entran en esta categoría, con nombres diferentes.
La conclusión es que tienen una relación muy beneficiosa con estas plantas,
donde a veces hacen productos naturales que defienden a la planta de depredadores fúngicos
y por lo que sirven como agentes de biocontrol.
En otras ocasiones, estos organismos son capaces de fijar el nitrógeno molecular
en una forma utilizable y esencialmente actúa como un fertilizante natural.
Ahora, arrastrándose en ambientes de suelos,
aunque por supuesto también en nuestras casas, están las termitas.
Son una excelente fuente de diversidad microbiana
y un micro-entorno cada vez más importante
para investigar a causa de nuestro deseo de entender los procesos microbianos
que podrían ser aprovechados para la degradación de la lignocelulosa.
Una vez más, por la necesidad de desarrollar fuentes alternativas de energía.
Ahora, un colega mío, el profesor Jared Leadbetter en Caltech,
estudia estas termitas y le gusta llamarlas "un ecosistema en un microlitro".
Creo que esta descripción es realmente fantástica, ya que en su intestino grueso se encuentra un zoológico
de microorganismos y protozoos que están nadando alrededor,
haciendo todo tipo de actividades importantes que hacen posible que las termitas
digieran la madera. En el proceso, emiten metano,
y una fracción significativa de este metano termina
en la atmósfera y contribuye a la química en general en el planeta.
Así que hablando de metanógenos, aquí Uds. ven
una dramática ilustración de cómo funcionan.
Esta imagen fue tomada de Cedar Swamp en Woods Hole, Massachusetts.
Es una imagen de un grupo de estudiantes del curso de diversidad microbiana.
Es un curso fantástico para una veintena de alumnos, la mitad de los EE.UU. y la otra del extranjero,
que se reúnen cada verano a entender cómo
los microorganismos son capaces de realizar estas actividades metabólicas diferentes
que he estado describiendo en estas conferencias.
Lo que se ve aquí es que los estudiantes se han sumergido hasta la cintura en el pantano.
Han pisado fuerte y han recogido las burbujas que suben
mientras pisan el sedimento y las han recogido en estos embudos invertidos.
Entonces algún individuo valiente sostiene ese embudo
y quita su mano justo cuando un amigo viene con una llama,
y se inflama, y aquí se ve un ejemplo precioso de cómo funciona el metano.
Así que la metanogénesis condujo a la creación del gas metano, que fue encendido aquí.
Ahora, en el pasado, la actividad de estos organismos, que generan este metano
y se llaman metanógenos, podría haber sido importante en formar la química del medio ambiente de la Tierra.
La razón por la que sospechamos esto es que en la historia temprana de la Tierra, el medio ambiente
contenía bastante más metano de lo que contiene en la actualidad.
Ahora, un ejemplo diferente de un hábitat donde los microorganismos son muy importantes
se encuentra en Chile y en otros lugares de la Tierra,
pero este ejemplo aquí se toma de la mina de cobre Andina, en los Andes en Chile,
donde los microorganismos son explotados por su habilidad de ayudar
con la biolixiviación. Lo que pasa es que en estas minas hay pilas
que se construyen y son fertilizadas esencialmente con las poblaciones microbianas indígenas
que pueden vivir en niveles de pH escandalosamente bajos,
hasta un pH tan bajo como 1 y a veces incluso inferior.
Estos organismos esencialmente comen los minerales en este montón de mina
y lo metabolizan, cambiando la mineralogía, de tal manera
que el cobre se disuelve y lixivia. Así que aquí hay otro ejemplo de un entorno que es bastante extraordinario
y sin embargo los microorganismos han podido adaptarse e incluso a prosperar en estas condiciones extremas.
En nuestro tur de los pH extremos, acabamos de ver un pH bajo, así que vamos a ir a un ambiente de pH alto.
Esto que les estoy mostrando es el lago Mono que se encuentra en el norte de California.
Es un gran lugar extraordinario. Parece casi como si fuera de otro planeta.
Se ven estas hermosas torres de toba que son minerales de carbonato de calcio en formación y eso se debe
a que el pH es tan alto y la alcalinidad es tan alta que ellos naturalmente precipitan de estas aguas.
Además de tener estos minerales de carbonato, dentro de este ambiente del lago
hay mucho arsénico y voy a llegar a esto en la segunda parte de mi conferencia de hoy.
Lo que quiero señalar en este momento es que en este ambiente de pH muy alto y que
está repleto de arsénico, no obstante encontramos organismos llamados alcalófilos que se desarrollan aquí,
que pueden hacer una vida utilizando arsénico como un receptor terminal de electrones en la respiración.
Este es el tema de mi segunda conferencia. Al hacer eso representan el 14% del reemplazo de carbono en este sistema.
Ahora vamos a pasar a otro ejemplo de un ambiente extremo.
Aquí estamos viendo un extremo de la sal.
Y no hay mejor ejemplo de esto que el Mar Muerto en Israel, pero
se puede encontrar organismos como los que habitan en el Mar Muerto también en el Gran Lago Salado,
y en otros lugares de la Tierra, como los salares, donde hay un contenido de sal muy alto.
Los organismos que viven aquí son capaces de crecer a pesar de la alta concentración de sal
y han adaptado determinadas estrategias moleculares para hacerle frente.
Un ejemplo muy elegante de esto es su capacidad de utilizar fotopigmentos especiales llamados rodopsinas,
que son moradas.
Estas rodopsinas, que tienen en sus membranas, les permiten generar energía
en condiciones donde necesitan usar estrategias un poco diferentes
de las que usan los organismos que están creciendo bajo
condiciones que se consideran más normales.
Acercándonos al final de nuestro recorrido por la diversidad microbiana y la ubicuidad, quiero terminar
con algunos otros extremos que se basan en la temperatura y la presión.
Si pensamos en los extremos de frío no hay mejor lugar para ir que la Antártida.
Quizás les sorprendería que incluso en este ambiente hay microorganismos que prosperan en la corteza.
Estos organismos son psicrófilos, y su capacidad de crecimiento depende de polvo
de los vientos, que transportan nutrientes recogidos de: América del Sur, Australia y África.
Llegan a la Antártida, depositan su polvo y fertilizan estas cortezas superiores del hielo
donde tenemos intrépidos organismos pioneros que pueden utilizar estos nutrientes
y crecer, incluso en estos regímenes muy fríos.
Así que otro extremo es el de la temperatura y la presión, y no hay mejor entorno donde se observa
que el fondo del océano, en entornos donde tenemos chimeneas hidrotermales
que liberan nutrientes en las profundidades. Aquí hay un ejemplo de una de estas rejillas de ventilación.
Se llama un fumador *** debido a que los nutrientes que libera, incluyendo el manganeso y el hierro,
a menudo precipitan en las condiciones de los océanos en estos sitios,
de tal manera que quedan negros.
Ahora, alrededor de estos respiraderos hay vida abundante,
vida realmente extraordinaria, vida no sólo microbiana,
sino también gusanos de tubo gigantes y peces y otros organismos macroscópicos.
Por lo tanto, la capacidad de toda esta vida abundante de estar en este ambiente
depende crucialmente de las actividades de microorganismos quimiosintéticos.
Son capaces de crecer por la oxidación del azufre y otros compuestos que están
presentes en este entorno, y enlazan la oxidación de estos sustratos reducidos con
la fijación de CO2 en biomasa.
Esto está en la base de la cadena alimentaria y luego sostiene el crecimiento de otros organismos marinos,
tales como los gusanos de tubo. Aquí pueden ver un ejemplo de eso
en estos gusanos de tubo hermosos. Si los abrimos y vemos uno de sus órganos,
llamado la trofosoma, adentro hay simbiontes bacterianos
que están realizando el proceso que acabo de mencionar.
Así que mi último ejemplo, con el que voy a terminar,
podría ser el más conocido para Uds.
si alguna vez han hecho un PCR en biología molecular.
La mayoría de Uds. han oído hablar de la enzima Taq polimerasa,
y esta polimerasa es lo que permite hacer una reacción de amplificación cuando estamos haciendo PCR.
Ahora, esta enzima, Taq, se deriva de una bacteria denominada Thermus aquaticus,
que es de donde viene la Taq. La "T" es de Thermus y el "aq" de aquaticus.
Este es un termófilo que se aisló en Yellowstone
en una fuente termal, muchas décadas atrás.
Kary Mullis y otros se dieron cuenta proféticamente
de que las enzimas allí contenidas podrían ser útiles para diversas aplicaciones biotecnológicas
porque no se desnaturalizarían a las temperaturas que matan otros tipos de células.
Así que estos termófilos son un grupo de organismos muy interesante,
cuyas adaptaciones moleculares no sólo incluyen las ADN polimerasas,
sino también una amplia variedad de otras enzimas que pueden ser de uso industrial.
Ahora vamos a terminar con la diversidad, que es realmente mi parte favorita
del mundo microbiano. Quisiera describir varias áreas de él.
La primera es la diversidad filogenética.
Ahora, una de las lecciones más importantes que hay que aprender en la teoría evolutiva
se conoció hace varias décadas del trabajo de Carl Woese y sus colegas,
incluyendo a Norman Pace, quien tomó los conocimientos fundamentales de Carl Woese
sobre la diversidad de la vida y los aplicó al mundo natural.
Estas personas, junto a otras, pudieron demostrar claramente
que cuando pensamos acerca de la diversidad de la vida que hay en el planeta,
en realidad estamos hablando de un mundo microbiano, aunque los organismos se llamen
bacterias, archaeas o incluso eucariotas.
Lo que quiero que Uds. entiendan es que cuando vemos el árbol de la vida,
eso es lo que es. Es un árbol que se dibuja al comparar las secuencias de una molécula muy particular
que tiene todo organismo vivo: el ARN ribosómico, que es necesario para el proceso de traducir
el ARN mensajero en proteína.
Debido a que ésta es una molécula muy universal y altamente conservada,
Carl Woese y sus colegas pudieron deducir que se trataba de un hermoso cronómetro molecular
que podemos emplear para mirar la relación evolutiva entre diferentes organismos.
Cuando él y sus colegas hicieron esto, reconocieron que
había tres dominios principales en la vida: las bacterias, la archaea y la eucaria.
Por otra parte, lo que quiero subrayar ahora es que todo nuestro universo de *** sapiens
y los seres humanos, las plantas y los animales, el mundo macroscópico eucariote,
sólo ocupa este espacio en el árbol,
que se conoce como un árbol filogenético, es decir, un árbol de distancias evolutivas
entre las diferentes formas de vida, allí ocupa una rama muy pequeña.
Todo lo que estoy mostrando aquí es microbiano.
Así que espero que eso les impresione, pero antes de dejar este árbol, permítanme señalar dos hechos más
que son muy importantes.
Todo el metabolismo en el planeta fue inventado por los microorganismos,
incluyendo el metabolismo que llevamos a cabo en nuestros cuerpos hoy en nuestra mitocondria.
La mitocondria es nada más que una célula bacteriana antigua
que inventó la capacidad de hacer la fosforilación oxidativa, la cual voy a describirles dentro de poco.
Fue tragada o puesta en simbiosis con algún otro tipo de célula
y en el transcurso del tiempo fue involucrada en el orgánulo que llamamos la mitocondria.
Pero primero era un microorganismo y es allí donde se genera el hermoso metabolismo por el cual pasa.
La misma historia se aplica a los cloroplastos. Estos no son más
que cianobacterias que con el tiempo se convirtieron en plastidios y se incorporaron en otras células.
Ahora, el siguiente punto importante que quiero señalar es que la diversidad microbiana también se manifiesta morfológicamente.
Esto es algo que empezamos a apreciar en toda su gloria hace poco. En los días de Leeuwenhoek,
cuando él tenía un microscopio simple, lo único que realmente podía ver eran formas diferentes de microbios.
Para ser sincero, eso no es muy espectacular e incluye barras, espirales y algunos cocos.
Sin embargo de vez en cuando se ven estructuras más altas que se forman en comunidades
y Leeuwenhouk no necesariamente sabía acerca de ellas,
pero aquí hay un ejemplo. Este es un bello ejemplo
de cuerpos fructíferos que comienzan a formar a partir del organismo del suelo mixobacteria,
que hace todo tipo de cosas interesantes cuando se reúne en un grupo
que no haría como célula individual.
Este es un comportamiento social. Este es un ejemplo de las bacterias que actúan de forma multicelular.
Los microorganismos, sin embargo, pueden llegar a ser muy grandes. Ellos no están sólo en la escala de micras.
Aquí hay un buen ejemplo de esto.
Este es, a mi entender, una de las células microbianas más grandes
que se conoce hasta la fecha. Se llama Thiomargarita namibiensis,
lo que significa la perla de azufre de Namibia.
Está en la misma escala que el ojo de una mosca de la fruta.
Cuando se mira con más detalle, la razón por la que es tan importante es que contiene esta gran vacuola
lleno de nitrato, que es uno de los sustratos que utiliza para alimentar su metabolismo.
Acopla la reducción del nitrato a una forma más reducida de nitrógeno
para la oxidación de azufre y de esta manera crea energía para el crecimiento.
Pero dejemos a un lado el metabolismo y centrémonos ahora sólo en la forma.
Aquí hay un ejemplo de uno de mis organismos favoritos, Rhodopseudonomas palustris,
y la razón por la que estoy mostrando esto es simplemente para ilustrar
que tiene una estructura membrana bastante sorprendente,
una que recuerda incluso el Golgi en los organismos superiores.
De hecho, podría haber sido el progenitor del Golgi al nivel biológico celular.
¿Cómo se forman estas estructuras diferentes? Se trata de lo que llamamos
membranas citoplasmáticas interiores, donde se aloja, en este caso, la maquinaria fotosintética.
Los detalles de lo que crea su forma es una pregunta abierta y emocionante
que los futuros biólogos celulares microbianos sin duda resolverán.
Pero el último ejemplo, que es probablemente mi favorito, es de un organismo llamado bacteria
magnetotáctica. Aquí se ve, si lo miramos en un microscopio de luz,
aunque esto es en realidad una imagen de fluorescencia, donde hemos puesto un poco de GFP en el insecto,
pero se ve como una espiral común.
Si se toma un microscopio más elegante, una micrografía electrónica de transmisión, y se abre
y se hace una sección delgada, se puede ver que tiene esta hermosa cadena de partículas magnéticas en su interior.
Ahora lo que voy a mostrar es, creo, la mejor publicidad para la belleza de la biología de la célula bacteriana
que yo sepa, y es una tomografía crio-electrónica de una célula.
Este fue el trabajo realizado por Arash Komeili, que ahora es profesor en la Universidad de California
en Berkeley, y por su colaborador Zhuo Li en el laboratorio de Grant Jensen en Caltech. Juntos
hicieron esta película que muestra la estructura interna de estos organismos.
Así que lo que vamos a ver ahora son secciones diferentes de bacterias
y aquí se ven los magnetosomas próximos a la vista. Esas son las membranas que contienen la magnetita.
Si no los vieron, miren ahora.
Aquí están en rojo, las membranas de los magnetosomas, y luego está este filamento amarillo alrededor.
Lo que hemos llegado a apreciar es que este filamento es una proteína muy similar a la actina.
Y es necesario para estos magnetosomas, para estas cosas parecidas a orgánulos,
aunque nunca se separan de la membrana, por lo que no son verdaderos orgánulos.
Aquí se ve que están unidos a esta membrana interna por un cuello que es sólo 5 nanómetros en diámetro,
lo cual es bastante sorprendente. Ellos invaginan y forman estas vesículas dentro de las cuales se puede
formar un hermoso dominio cristal de magnetita. Este orden, el hecho de que están lineales en una cadena,
es propiciado por un filamento del citoesqueleto, una proteína parecida a actina.
Bueno, el penúltimo punto que quiero indicar sobre la diversidad
es la diversidad de comportamiento. Hay otra conferencia en esta serie iBio
de la profesora de Princeton Bonnie Bassler que les puede dar más información si esto les interesa.
Pero lo que yo quería señalar aquí en nuestro recorrido por la diversidad
es simplemente que los microorganismos pueden actuar en formas bastante extraordinarias
cuando actúan como grupo.
Eso se ilustra en las actividades de la bacteria Vibrio fischeri dentro del órgano de luz de un calamar.
Aquí hay una imagen de la hermosa labor pionera de Margaret Mefal-Ngai
y Ned Ruby en la Universidad de Wisconsin en Madison. Han estado estudiando durante décadas
las interacciones entre los microorganismos del órgano de luz del calamar y el pulpo,
y la capacidad de estos organismos de colonizar este entorno
y, cuando se apagan las luces por la noche, emitir una hermosa luminiscencia. Aquí se pueden ver fotos
de estos organismos que acaban de ser frotados en una placa en la oscuridad.
Están brillando. Bueno, también brillan aquí en la noche en el vientre del calamar.
Esto protege a los calamares de los depredadores que están abajo
porque la luz de la luna que baja de la parte superior
es más o menos de la misma luminosidad que la luz que emiten ellos.
Eso les permite tener una función de sigilo, deslizarse en los océanos
y ser invisibles a los depredadores que están debajo de ellos.
Ahora, esto no es sólo un fenómeno que afecta a los calamares. Este fenómeno puede llegar a ser enorme
en su alcance. El mejor ejemplo para ilustrar esto es esta imagen de satélite, tomada en la costa de Somalia,
donde se ve una imagen que literalmente es de aguas lechosas, como describen los antiguos navegantes,
pero que hoy entendemos como las bacterias que brillan intensamente.
En este caso, hay un organismo, probablemente llamado Vibrio harveyi, en asociación con micro-algas
que por algún motivo que no se entendía plenamente cuando
esta imagen fue tomada florecieron y comenzaron a brillar como locos, y llenaron un volumen del tamaño
de Connecticut. Entonces, para terminar quiero mencionar sólo unas cuantas reglas de la diversidad microbiana
porque casi todo lo que he dicho hasta ahora en esta conferencia
se basa en la capacidad de los organismos de generar energía de maneras bastante increíbles.
Estipulo que los microbios son, con mucho, los mejores químicos del planeta.
Por lo que si eres un químico, presta atención, porque se pueden aprender muchas lecciones de estos muchachos.
Ahora, cuando hablamos de la fase de crecimiento activo,
lo esencial para los microbios es que simplemente quieren dividirse.
Y para eso necesitan dos cosas. Necesitan energía y necesitan carbono.
Más allá de eso, están prácticamente sin restricciones, aunque existen algunas limitaciones,
y vamos a volver a eso en un momento.
Necesitan sustratos y estos sustratos pueden ser compuestos orgánicos o inorgánicos.
Esto es ahora para la parte donde van a generar energía.
Estos sustratos se convierten en productos a través de reacciones catabólicas, o la generación de energía.
Muchas veces pensamos en la generación de energía en forma de ATP,
la más importante molécula portadora de energía en la célula.
Ahora bien, esta parte del metabolismo, llamado catabolismo, está acoplado al anabolismo,
que es la parte del metabolismo que tiene que ver con el consumo de energía o la biosíntesis.
Estamos hablando de la conversión
de carbono, a menudo en su forma monomérica, a biomoléculas mucho más complejas: proteína, ADN y lípidos
por ejemplo. Ahora, si pensamos sólo en los sustratos, como ya dije pueden provenir de varias fuentes.
Siempre son químicos, aunque la luz puede ayudar a que las células
utilicen esos productos químicos en formas que de otra manera no podrían hacer.
Pero cuando hablamos del crecimiento de organismos a base de sólo productos químicos, sin necesitar
la ayuda de la luz, el nombre que le damos a este metabolismo es quimiotrofía.
Eso a su vez se clasifica en dos tipos diferentes, inorgánico y orgánico.
Cuando hablamos de fuentes inorgánicas de energía, como el hidrógeno, el azufre y minerales de hierro,
esto se llama quimiolitotrofía. Cuando hablamos de crecimiento a base de sustratos orgánicos como
la glucosa, la glicerina o el acetato, esto se llama quimioorganotrofía.
Por supuesto, como dije, mientras que la química está siempre en la base de cualquier tipo de metabolismo,
existe un impulso fotoquímico que a menudo es necesario,
cuando se activa un compuesto que de otro modo podría no ser biológicamente utilizable
para la energía, y es entonces cuando lo llamamos un proceso fototrófico.
Así que la parte final de esto que quiero simplemente mencionar es que la fuente de carbono,
que es distinta o puede ser distinta de la fuente de energía...
a veces son la misma cosa, pero no tienen por qué ser lo mismo...
procede de carbono inorgánico, CO2, o carbono orgánico.
Cuando proviene de carbono inorgánico, se llama autotrofía,
y cuando proviene de carbono orgánico, se llama heterotrofía.
Nosotros somos heterótrofos, tenemos que comer algún tipo de carbono orgánico, seamos vegetarianos
o carnívoros, pero los microorganismos son mucho más sofisticados.
Pueden comer los minerales. Pueden simplemente tomar el CO2 del aire y están listos.
Así que, finalmente, la última parte de la diversidad metabólica que quiero subrayar
es que se puede generar ATP a través de dos maneras diferentes.
La primera forma es lo que se denomina fosforilación a nivel de sustrato.
Esto también se denomina fermentación y esencialmente es el proceso
donde diferentes tipos de reacciones entre los productos químicos de una célula
permiten la transferencia de un fosfato inorgánico a ADP para producir ATP.
Este proceso se activa por reordenamientos químicos dentro de la célula
y reacciones en pareja entre los compuestos.
La siguiente manera importante en que el ATP se puede formar en una célula es por el notable proceso de la
fosforilación oxidativa. Básicamente se trata de cadenas de transporte de electrones en las membranas
que están acopladas a generar una batería alrededor de una membrana
al extrudir protones a un lado y crear una polarización, de modo que hay un potencial gradiente electroquímico
en esta membrana que se puede utilizar para hacer ATP.
Ahora, algo que no estoy mostrando en este diagrama,
pero que quiero presentar como términos, son un donador de electrones y un receptor de electrones.
En el metabolismo siempre hay un sustrato que se utiliza como el donante de electrones primario
que puede ser metabolizado por diversas vías
y reducido a un compuesto que puede donar electrones
a la cadena de transporte de electrones en la membrana.
Luego, siempre hay algo que sirve como aceptor de los electrones en el extremo de la cadena,
y eso se llama el receptor terminal de electrones.
Lo que utiliza la membrana para funcionar es esta vía de la transferencia de electrones
y la translocación de protones entre este donante de electrones y este aceptor terminal de electrones.
Eso es lo que se ve representado aquí muy genéricamente y sin muchos detalles
en el sentido de que es este proceso de transporte de electrones,
que se acopla como dije a la translocación de protones,
y eso se logra por cosas diferentes dentro de esta membrana.
Pueden ser proteínas o pequeñas moléculas que pueden de forma simultánea
pasar electrones por la membrana a otra cosa
en la cadena de transporte de electrones, y empujar o trasladar protones
por la membrana, de modo que surge este gradiente cuando hay más carga positiva en el exterior
que en el interior. Ahora, una vez que esto sucede, este gradiente se puede utilizar para conducir la síntesis
de ATP. Esto sucede a través de una máquina molecular realmente asombrosa llamada ATP sintasa.
Esta permite que un protón atraviese la membrana
y simultáneamente da la energía para fosforilar ADP, agregando ese fosfato inorgánico y haciendo ATP.
A medida que esto sucede, el gradiente electroquímico potencial disminuye.
Eso es lo que estoy mostrando aquí: la membrana energizada
por el transporte de protones acoplado a la transferencia de electrones a través de la membrana,
y luego cómo esto se gasta y se utiliza para conducir la síntesis de ATP.
Ahora bien, aunque se puede imaginar varias cosas que podrían ser donantes de electrones
y aceptores de electrones en el metabolismo microbiano,
la diversidad metabólica tiene que cumplir con ciertas reglas.
Hay tres que quisiera señalar y que creo que son especialmente importantes.
La primera regla es que la cantidad de energía tiene que estar a un nivel muy mínimo,
al menos para sostener la célula, en relación con el crecimiento activo, donde se necesita un alto nivel
de energía, alguna cantidad mínima para la duplicación, pero también en el nivel donde se genera la energía
suficiente simplemente para mantener procesos celulares básicos, incluso si no se acoplan directamente
al crecimiento. Ahora, ¿qué es este número y cómo lo restringimos?
Termodinámicamente, esto puede ser expresado en esta ecuación muy directa:
dice que la energía libre estándar que se puede obtener
a partir de un proceso donde no hay transferencia de electrones entre el donante de electrones y el aceptor
es una función del número de electrones transferidos,
multiplicada por la constante de Faraday, y esto a su vez multiplicado por
la diferencia en el potencial redox entre el donante de electrones y el aceptor.
Por ejemplo, un reductor intracelular común es NADH,
y en su estado oxidado es *** +.
El potencial redox de este par redox es muy bajo.
Está muy negativo en la escala potencial de electrones que normalmente se expresa en milivoltios.
En el otro lado de esta escala están los aceptores con muy alto potencial redox, como el oxígeno.
Por eso, cuando se acopla a través de la membrana
un proceso de transferencia de electrones del NADH al oxígeno, termodinámicamente eso tiene el potencial
de generar una gran cantidad de energía, y esto es capturado a través de una hermosa secuencia de
portadores de protones y biomoléculas de la transferencia de electrones que están en estas membranas.
Pero estas cadenas de transporte de electrones no tienen necesariamente que ser entre el NADH y el oxígeno,
hay todo un conjunto de cosas que se pueden interrelacionar, así que la cantidad mínima de energía
necesaria ha sido calculada. Esta es una estimación muy burda,
pero es un estudio interesante y abajo se puede ver la referencia.
Para los organismos que operan en un régimen de muy baja energía,
se infirió que el mínimo de energía libre necesaria para sostenerlos y su crecimiento
era más o menos -4 kilojulios por mol, y eso es lo más bajo posible, al menos experimentalmente.
Por último, a pesar del potencial termodinámico hay otros dos factores muy importantes para tener en cuenta.
El segundo punto es que los sustratos mismos deben ser biodisponibles. Este es un problema más cinético
donde tenemos que tener en cuenta la accesibilidad y el transporte de sustratos
por la membrana hacia el sitio en la célula donde se utilizan.
O la capacidad de la célula de encontrar una forma de acceder a ellos, incluso si no pueden transportarlos en su interior.
El punto final es que estos sustratos o los productos que se dan cuando el metabolismo se ha llevado a cabo
no deben ser tóxicos. Así que en el próximo par de secciones de esta conferencia,
voy a dar ejemplos de diferentes metabolismos microbianos para ilustrar
estos puntos generales que he hecho, pero espero
que lo que recuerden de este seminario son los cuatro puntos importantes sobre la diversidad microbiana.
Uno, que es muy antigua y durante este largo periodo de la historia de la Tierra
numerosos microorganismos en ambientes ubicuos
han desarrollado diversos metabolismos que les permiten
catalizar reacciones químicas fascinantes y que estas reacciones
han afectado no sólo la capacidad de las células de crecer y dividirse,
sino que también en muchos casos han afectado profundamente su entorno,
sea ese entorno un océano antiguo
u hoy en día en el interior del cuerpo humano.
Gracias.