Pequeños puentes, conocidos como nanotubos bacterianos, conectan los espacios internos de las bacterias fotosintéticas en todos los océanos, formando redes celulares de comercio y comunicación poco conocidas.
Nash Weerasekera para la revista Quanta
Introducción
Las bacterias Prochlorococcus son tan pequeñas que habría que alinear unas mil para que tuvieran el grosor de la uña de un pulgar humano. El océano está repleto de ellas: los microbios son probablemente los más abundantes(abre una nueva pestaña)El organismo fotosintético del planeta crea una parte importante (entre el 10% y el 20%) del oxígeno de la atmósfera. Esto significa que la vida en la Tierra depende de los aproximadamente 3 octillones (o 3 × 10 27 ) de células individuales diminutas que trabajan arduamente.
Los biólogos pensaban que estos organismos eran vagabundos aislados, a la deriva en una inmensidad insondable. Pero la población de Prochlorococcus puede estar más conectada de lo que nadie hubiera imaginado. Puede que mantengan conversaciones a grandes distancias, no solo llenando el océano con sobres de información y nutrientes, sino también conectando lo que pensábamos que eran sus espacios internos privados con los interiores de otras células.
Hace poco, en la Universidad de Córdoba, en España, unos biólogos que tomaban fotografías de las cianobacterias bajo un microscopio vieron una célula que había desarrollado un tubo largo y delgado y se había agarrado a su vecina. La imagen los hizo sentarse y se dieron cuenta de que no se trataba de una casualidad.
“Nos dimos cuenta de que las cianobacterias estaban conectadas entre sí”, dijo María del Carmen Muñoz-Marín(abre una nueva pestaña), un microbiólogo de allí. Se encontraron vínculos entre las células de Prochlorococcus y también con otra bacteria, llamada Synechococcus, que a menudo vive cerca. En las imágenes, puentes plateados unían tres, cuatro y, a veces, diez o más células.
Muñoz-Marín tenía una corazonada sobre la identidad de estas misteriosas estructuras. Después de una serie de pruebas, ella y sus colegas informaron recientemente(abre una nueva pestaña)que estos puentes son nanotubos bacterianos. Observados por primera vez en una bacteria común de laboratorio hace apenas 14 años, los nanotubos bacterianos son estructuras hechas de membrana celular que permiten que los nutrientes y los recursos fluyan entre dos o más células.
Las estructuras han sido fuente de fascinación y controversia.(abre una nueva pestaña)Durante la última década, los microbiólogos han trabajado para comprender qué causa su formación y qué es exactamente lo que viaja entre estas células interconectadas. Las imágenes del laboratorio de Muñoz-Marín marcaron la primera vez que se observaron estas estructuras en las cianobacterias responsables de gran parte de la fotosíntesis de la Tierra.
Ponen en tela de juicio ideas fundamentales sobre las bacterias y plantean preguntas como: ¿cuánto comparte Prochlorococcus con las células que lo rodean? ¿Tiene realmente sentido pensar en él y en otras bacterias como unicelulares?
Totalmente tubular
Muchas bacterias tienen una vida social activa . Algunas producen pili, crecimientos de proteínas similares a pelos que unen dos células para permitirles intercambiar ADN. Algunas forman placas densas entre sí, conocidas como biopelículas . Y muchas emiten pequeñas burbujas conocidas como vesículas que contienen ADN, ARN u otras sustancias químicas, como mensajes en una botella para cualquier célula que las intercepte.
Fueron vesículas las que Muñoz-Marín y sus colegas, incluido José Manuel García-Fernández, microbiólogo de la Universidad de Córdoba, y la estudiante de posgrado Elisa Angulo-Cánovas(abre una nueva pestaña), buscaban mientras observaban de cerca a Prochlorococcus y Synechococcus en una placa. Cuando vieron lo que sospechaban que eran nanotubos, se llevaron una sorpresa.
Entre estas bacterias (izquierda: Prochlorococcus ; derecha: Bacillus subtilis ) crecen puentes de nanotubos a través de los cuales las células transportan sustancias como aminoácidos y enzimas. Aunque estos nanotubos se observaron por primera vez en 2011, los biólogos ahora creen que las bacterias han estado construyendo estas estructuras desde siempre sin que nadie se diera cuenta.
Los nanotubos son una incorporación reciente a la comprensión científica de la comunicación bacteriana. En 2011, Sigal Ben-Yehuda y su investigador posdoctoral Gyanendra Dubey en la Universidad Hebrea de Jerusalén publicaron por primera vez imágenes(abre una nueva pestaña)Los investigadores descubrieron que las células de la red estaban formadas por pequeños puentes de membrana que unían las bacterias Bacillus subtilis . Estos tubos transportaban material de forma activa: las proteínas fluorescentes verdes producidas en una célula de la red se filtraban rápidamente a través de las demás. El mismo resultado se encontró con la calceína, una pequeña molécula que no es capaz de atravesar las membranas bacterianas por sí sola. Estas células no coexistían plácidamente unas con otras, sino que sus espacios internos estaban conectados, más como habitaciones de una casa que como viviendas independientes.
Fue una revelación sorprendente. La noticia obligó a otros biólogos a reexaminar sus propias imágenes de las células. Pronto quedó claro que B. subtilis no era la única especie que producía nanotubos. En poblaciones de Escherichia coli y de muchas otras bacterias, se detectaron fracciones pequeñas pero consistentes de células con nanotubos. En experimentos, los científicos observaron cómo las células hacían brotar los tubos y luego investigaron lo que transportaban. A través de estos puentes de célula a célula se desplazaban sustancias como los aminoácidos.(abre una nueva pestaña), los componentes básicos de las proteínas, así como las enzimas y las toxinas.(abre una nueva pestaña)Los biólogos creen ahora que las bacterias probablemente han estado creando estas estructuras desde siempre, pero que los científicos simplemente no las habían notado ni se habían dado cuenta de su importancia.
No todo el mundo ha encontrado fácil conseguir que las bacterias fabriquen nanotubos. Cabe destacar que un grupo de la Academia Checa de Ciencias sólo pudo ver nanotubos cuando las células estaban muriendo.(abre una nueva pestaña)Su sugerencia de que los tubos son una “manifestación de la muerte celular” puso en duda si las estructuras eran realmente una parte importante de la biología normal de las células. Sin embargo, desde entonces, trabajos adicionales han documentado cuidadosamente que las células sanas sí desarrollan las estructuras. Todo esto sugiere que deben cumplirse ciertas condiciones para que las bacterias den este paso. Aun así, “creo que están en todas partes”, dijo Ben-Yehuda.
Los últimos hallazgos son particularmente esclarecedores porque Prochlorococcus y Synechococcus no son bacterias comunes que viven en platos. Viven en un entorno singularmente turbulento: el océano abierto, donde se podría esperar razonablemente que el movimiento del agua rompiera los frágiles tubos. Además, son fotosintéticos, lo que significa que obtienen la mayor parte de lo que necesitan para sobrevivir del sol. ¿Qué necesidad podrían tener de comerciar a través de redes de tubos? Ha habido otro avistamiento(abre una nueva pestaña)de nanotubos en bacterias marinas, pero esos microbios no son fotosintéticos: absorben nutrientes de su entorno inmediato, un estilo de vida en el que el intercambio de sustancias con los vecinos podría tener un beneficio más obvio.
Así que, cuando Muñoz-Marín y Angulo-Cánovas vieron sus nanotubos, al principio se mostraron escépticos. Querían asegurarse de que no estaban confundiendo algún accidente en la preparación de las células o en la forma en que se habían tomado las imágenes con una estructura natural.
“Hemos dedicado mucho tiempo a asegurarnos de que lo que encontrábamos en las imágenes era realmente algo fisiológico y no un artefacto de ningún tipo”, afirma García-Fernández. “Los resultados fueron tan impactantes en el campo de las cianobacterias marinas que, por un lado, estábamos sorprendidos y, por otro, queríamos estar completamente seguros”.
Los científicos sometieron las células a cuatro tipos de aparatos de obtención de imágenes radicalmente diferentes: no sólo un microscopio electrónico de transmisión, que ya habían utilizado cuando detectaron las estructuras por primera vez, sino también un microscopio de fluorescencia, un microscopio electrónico de barrido y un citómetro de flujo de imágenes, que capta imágenes de células vivas a medida que pasan rápidamente. Observaron Prochlorococcus y Synechococcus por separado y en cultivos en los que vivían juntos. Observaron células muertas y vivas. Incluso analizaron muestras frescas de agua de mar extraída de la bahía de Cádiz. En todas las muestras detectaron puentes, que conectaban alrededor del 5% de las células. Los nanotubos no parecían ser artefactos.
De izquierda a derecha: José Antonio González-Reyes, Jesús Díez, María del Carmen Muñoz-Marín, Elisa Angulo-Cánovas y José Manuel García-Fernández, todos basados en la Universidad de Córdoba. Los investigadores formaron parte de un grupo interdisciplinario que descubrió y estudió los nanotubos bacterianos que crecen entre las bacterias fotosintéticas del océano.
Universidad de Córdoba
A continuación, para comprobar si los enlaces eran en realidad nanotubos, realizaron versiones de los experimentos, ahora canónicos, con proteína fluorescente verde y calceína descritos por Ben-Yehuda y Dubey. Las células interconectadas se iluminaron. El equipo también confirmó que los enlaces estaban hechos de lípidos de membrana y no de proteína, lo que sugeriría que se trataba de pili. Finalmente, se convencieron de que estaban viendo nanotubos bacterianos.
Se dieron cuenta de que estos tubos conectan algunos de los organismos más abundantes del planeta, y eso les dejó muy claro algo que los investigadores aún siguen dándole vueltas en la cabeza.
“A principios de este siglo, cuando se hablaba del fitoplancton en el océano, se pensaba en células independientes que estaban aisladas”, dijo García-Fernández. “Pero ahora, y no solo a partir de estos resultados, sino también de los resultados de otras personas, creo que tenemos que considerar que estos tipos no están trabajando solos”.
Una red celular
Puede haber una buena razón por la que las cianobacterias, que flotan en la vasta extensión del océano, quieran unir fuerzas. Tienen genomas curiosamente pequeños, dijo Christian Kost(abre una nueva pestaña), un ecólogo microbiano de la Universidad de Osnabrück en Alemania que no participó en este estudio. Prochlorococcus tiene el genoma más pequeño(abre una nueva pestaña)de todas las células fotosintéticas de vida libre conocidas, con sólo unos 1.700 genes. Synechococcus no se queda atrás.
En el caso de las bacterias, los genomas pequeños liberan a los organismos de la presión de mantener un ADN voluminoso, pero este estado también les exige extraer muchos nutrientes y metabolitos básicos de sus vecinos. Las bacterias con genomas simplificados a veces forman comunidades interdependientes con organismos que producen lo que necesitan y necesitan lo que producen.
“Esto puede ser mucho más eficiente que una bacteria que intenta producir todos los metabolitos al mismo tiempo”, dijo Kost. “Ahora bien, el problema, cuando uno vive en un líquido, es: ¿cómo intercambia estos metabolitos con otras bacterias?”
Los nanotubos pueden ser una solución. Los nutrientes transferidos de esta manera no serán arrastrados por las corrientes, diluidos o consumidos por un parásito. En simulaciones por computadora, Kost y sus colegas han descubierto que los nanotubos pueden apoyar el desarrollo de la cooperación entre grupos de bacterias.
Además, “este [nuevo] artículo muestra que esta transferencia se produce tanto dentro de las especies como entre ellas”, dijo. “Esto es muy interesante”. En un artículo anterior(abre una nueva pestaña)Él y sus colegas también observaron diferentes especies de bacterias conectadas por nanotubos.
Este tipo de cooperación es probablemente más común de lo que la gente cree, dijo Conrad Mullineaux.(abre una nueva pestaña), microbiólogo de la Universidad Queen Mary de Londres, incluso en entornos como el océano abierto, donde las bacterias no siempre están lo suficientemente cerca para formar nanotubos.
A menudo hablamos de las bacterias como si fueran simples y unicelulares, pero las colonias bacterianas, las biopelículas y los consorcios de diferentes microorganismos pueden realizar juntos complicadas hazañas de ingeniería y comportamiento, a veces rivalizando con lo que la vida multicelular puede lograr. “A veces, cuando me siento audaz, me gusta intentar persuadir a la gente: tú eres una biopelícula y yo soy una biopelícula”, dijo Mullineaux. Si el mar está lleno de cianobacterias que se comunican mediante nanotubos y vesículas, entonces tal vez este intercambio de recursos podría afectar algo tan fundamental como la cantidad de oxígeno en la atmósfera o la cantidad de carbono secuestrado en el océano.
Kost, Ben-Yehuda y Mullineaux coinciden en que los hallazgos del nuevo estudio son intrigantes. Los autores han realizado todas las pruebas necesarias para asegurarse de que las estructuras que están viendo son, de hecho, nanotubos, afirman. Pero es necesario realizar más investigaciones para explicar la importancia del hallazgo. En particular, una gran pregunta abierta es qué comparten exactamente Prochlorococcus y Synechococcus entre sí en la naturaleza. La fotosíntesis permite a estas bacterias extraer energía del sol, pero deben recoger nutrientes como nitrógeno y fósforo del entorno. Los investigadores están embarcados en una serie de experimentos con Rachel Ann Foster.(abre una nueva pestaña)de la Universidad de Estocolmo, especialista en el flujo de nutrientes en el océano, para rastrear estas sustancias en células en red.
Otra pregunta es cómo forman las bacterias estos tubos y en qué condiciones. Los tubos no son mucho más largos que una célula individual, y se cree que Prochlorococcus, en particular, se extiende por la columna de agua. Muñoz-Marín y su equipo sienten curiosidad por las concentraciones de bacterias necesarias para que se forme una red. “¿Con qué frecuencia sería posible que estas células independientes se acercaran lo suficiente entre sí para desarrollar estos nanotubos?”, se preguntó García-Fernandez. El estudio actual muestra que los nanotubos se forman entre células capturadas en la naturaleza, pero los requisitos precisos no están claros.
Al reflexionar sobre lo que se pensaba sobre la comunicación bacteriana cuando empezó a estudiar las cianobacterias marinas hace 25 años, García-Fernandez es consciente de que el campo ha experimentado un cambio radical. En su día, los científicos creían ver una miríada de individuos flotando unos junto a otros en un espacio inmenso, compitiendo con especies vecinas en una carrera por los recursos. “El hecho de que pueda haber comunicación física entre diferentes tipos de organismos… creo que eso cambia muchas, muchas ideas previas sobre cómo funcionan las células en el océano”, afirmó. Es un mundo mucho más interconectado de lo que nadie se imaginaba.