El laboratorio que revela los secretos de los microorganismos más extremos

Estudiar estos supervivientes extremófilos es la labor principal del laboratorio de Mecanismos Moleculares de la Adaptación Biológica del Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA), cariñosamente conocido como el invernadero.

“Intentamos averiguar qué estrategias moleculares tienen los microorganismos que viven en ambientes extremos para tolerar tales condiciones”, explica el investigador José Eduardo González Pastor, director del grupo.

El nombre extraoficial del laboratorio proviene del diseño histórico de la construcción. Se trata de un espacio separado del edificio principal, pero en el mismo emplazamiento -ambos en Torrejón de Ardoz (Madrid)-, con unas salas con cristaleras y sistemas de focos establecidas para albergar plantas, además de un laboratorio de microbiología y biología molecular. 

Los vegetales han quedado establecidos en una de las subdivisiones del edificio y en unas cámaras climáticas para su crecimiento controlado. “Son armarios con luces para reproducir los ciclos de día y noche”, simplifica el investigador. Quedan también numerosas plantas ornamentales que acompañan a González Pastor en el sitio reservado para su despacho. Algunas trepan hasta el techo como las habitantes de una jungla.

Con las plantas se busca generar transgénicos mediante el añadido de genes de resistencia provenientes de microorganismos. Una de las principales investigaciones, iniciada por Carolina González de Figueras, consistió en el diseño de plantas resistentes al pesticida lindano gracias a un gen bacteriano. La bacteria en concreto es Sphingobium japonicum. “Es una de las primeras bacterias que se encontraron en tierras contaminadas con lindano en Japón”, aclara la investigadora.

El lindano es un pesticida altamente tóxico, persistente y cancerígeno. Aunque ya se prohibió en España, su uso contaminó el suelo y los acuíferos de muchas zonas del país, especialmente en el norte. Lo mismo ocurre a nivel mundial. “Ha llegado hasta los océanos y los polos. Es un problema muy serio”, afirma González de Figueras.

Salmuera con precipitado de sales. El color rosa proviene de las bacterias que viven en el líquido. / CAB, CSIC-INTA

Pasaron cuatro años de experimentación hasta dar con plantas que no solo sobrevivían en presencia de lindano, sino que además lo degradaban. Es decir, los transgénicos eran capaces de limpiar el suelo. 

La investigación cristalizó en una tesis, la de la investigadora, y una patente nacional que fue dejada de lado por los problemas para su implementación. “La legislación para usar plantas transgénicas en Europa es muy dura”, explica la bióloga. 

Genes para vivir en condiciones extremas

El grueso del trabajo del equipo pasa por estudiar los genes de los microorganismos extremófilos. Para ello se sirven de la metagenómica, técnica que permite analizar toda la información genética en una muestra extraída de un lugar determinado.

“Gran parte de los microorganismos ambientales no se pueden cultivar en el laboratorio y, por tanto, es una información genética a la que no podemos acceder de otra forma”, explica el jefe del grupo.

Su aplicación implica extraer el ADN de todos los microorganismos de la muestra para pasar a secuenciarlo mediante técnicas de secuenciación masiva. La información obtenida se compara luego con bases de datos. De esta forma, se puede obtener una predicción de los genes y las especies de dicha muestra.

Los lugares elegidos por el grupo para los análisis metagenómicos no son nada azarosos.  Se trata de los emplazamientos más extremos y de mayor interés astrobiológico. El rey de la corona ha sido el río Tinto, un reguero de aguas sangrientas que recorre la provincia de Huelva a lo largo de 100 kilómetros. Los microorganismos que viven en él han generado un pH cercano al 2 por el ácido sulfúrico que producen. Nuestros jugos gástricos presentan una acidez similar.

La vista está ahora puesta en ambientes hipersalinos con perclorato por su presencia en Marte. Dicho compuesto, altamente oxidante, podría ser un obstáculo para la vida en el planeta rojo. Pero si los microorganismos pueden sobrevivir en su presencia en la Tierra, ¿por qué no habrían de hacerlo en Marte?

Aparentemente, el perclorato tiene también otro efecto que sería positivo para la supervivencia. Este se relaciona con las salmueras marcianas, altas concentraciones de sal en agua, donde podría mantener el agua en estado líquido. Esto último es esencial para la vida tal y como la conocemos en nuestro planeta.

El director del grupo, José Eduardo González Pastor, extrayendo un cultivo de una de las cámaras climáticas. / CAB, CSIC-INTA

El equipo ya ha logrado identificar genes resistentes al perclorato en diversos microorganismos presentes, por ejemplo, en el desierto de Atacama.  Ello ha sido posible gracias a una variación de la metagenómica que consiste en un análisis funcional del material genético. La técnica supone hacer fragmentos pequeños del ADN extraído de una muestra con microorganismos de un ambiente con perclorato y meter cada uno en una bacteria de laboratorio, incapaz de sobrevivir en presencia de este compuesto. Luego, se expone a las bacterias a perclorato. De aquellas capaces de crecer en esta condición se podrá inferir que el fragmento de ADN añadido porta un gen que le otorga resistencia al compuesto.

Jorge Díaz-Rullo Aroco, uno de los estudiantes doctorales del grupo, se encarga de profundizar en uno de los mecanismos de resistencia al perclorato. “Identificamos unos 20 genes que daban resistencia y, en concreto, nos centramos en uno por su función molecular”, explica.

Como la noche y el día

Estudiar genes también cuenta la historia de las funciones y de cómo sobreviven y se relacionan los microorganismos que los poseen. González Pastor recuerda un proyecto para analizar qué genes y en qué microorganismos se activaban en la transición del día a la noche en un ambiente hipersalino.

Los microorganismos que viven en ambientes salinos utilizan la luz para obtener energía que les ayude a mantenerse en ese ambiente con tanta sal. “Tienen unas proteínas que se activan con la luz y les sirven, por ejemplo, para mantener bombas de protones”, explica González Pastor. Estas bombas se encargan de mantener dentro de la célula una cantidad de sal similar a la del exterior y lograr así un equilibrio osmótico.

Así que él y la estudiante predoctoral Sara Gómez de Frutos se fueron a las salinas de Es Trenc, en Mallorca, a recoger muestras a lo largo de las 24 horas de una jornada. “Nos tuvimos que quedar durmiendo en el coche para tomar las muestras por la noche”, cuenta el investigador.

Pudieron observar cómo el día y la noche marcaba el ritmo de vida de los microorganismos. Unos eran más activos en una parte y otros en la otra. Los investigadores hipotetizan que podría deberse a una adaptación de los más débiles para ocupar los nichos que dejan los más robustos. El artículo científico que lo explique está camino de ser escrito. 

Leyre Flamarique / Contenido realizado dentro del Programa de Ayudas CSIC – Fundación BBVA de Comunicación Científica, Convocatoria 2021