Bacterias y arqueas se transfieren electrones a distancia

La buena comunicación es crucial para cualquier relación, especialmente cuando sus integrantes están separados por la distancia. También es así para los microbios de las profundidades del mar, que deben trabajar juntos para consumir grandes cantidades de metano liberado de los respiraderos en el suelo marino.

Trabajos recientes realizados en el Instituto de Tecnología de California (Caltech, EE.UU.) han demostrado que estos socios microbianos pueden realizar esta tarea incluso cuando no están en contacto directo con otros, mediante el uso de electrones para compartir la energía a través de largas distancias.

Esta es la primera vez que se documenta un transporte de electrones directo -movimiento de electrones de una célula, a través del entorno externo, a otro tipo de célula- en microorganismos de la naturaleza. Los resultados se han publicado en la revista Nature.

"Nuestro laboratorio está interesado en las comunidades microbianas del medio ambiente y, en concreto, en la simbiosis -o relación mutuamente beneficiosa- entre los microorganismos que les permite catalizar reacciones que no serían capaces de hacer por su cuenta", dice en la información de Caltech la profesora de Geobiología Victoria Orphan, que ha dirigido el estudio.

Durante las últimas dos décadas, el laboratorio de Orphan se ha centrado en la relación entre una especie de bacterias y una especie de arqueobacterias que viven en agregados simbióticos, consorcios, dentro de filtraciones de metano en aguas profundas. Los organismos trabajan juntos en sintrofía (que significa "alimentar juntos") para consumir hasta el 80 por ciento del metano emitido desde el suelo del océano, metano que de otra manera podría terminar contribuyendo al cambio climático como un gas de efecto invernadero en nuestra atmósfera.

Anteriormente, Orphan y sus colegas contribuyeron al descubrimiento de esta simbiosis microbiana, una asociación de cooperación entre arqueas llamadas metanótrofos metano-oxidantes anaerobios (o "comedores de metano") y una bacteria sulfato-reductora (organismos que pueden "respirar" sulfato en lugar de oxígeno) que permite que estos organismos consuman metano usando sulfato del agua de mar. Sin embargo, no estaba claro cómo comparten energía estas células e interactúan dentro de la simbiosis para realizar esta tarea.

Debido a que estos microorganismos crecen lentamente (se reproducen sólo cuatro veces al año) y viven en estrecho contacto entre sí, ha sido difícil para los investigadores aislarlos del entorno para que cultivarlos en el laboratorio. Así, el equipo de Caltech utilizó un sumergible de investigación, llamado Alvin, para recoger muestras que contenían consorcios microbianos metano-oxidantes de los sedimentos filtrados en las profundidades del océano, que los trajo de vuelta al laboratorio para su análisis.

Los investigadores utilizaron diferentes manchas de ADN fluorescente para marcar los dos tipos de microbios y ver su orientación espacial en los consorcios. En algunos consorcios, Orphan y sus colegas encontraron que las células bacterianas y las arquea se mezclaban bien, mientras que en otros consorcios, las células del mismo tipo se agrupaban en áreas separadas.

Orphan y su equipo se preguntaron si la variación en la organización espacial de las bacterias y arqueas dentro de estos consorcios influía en su actividad celular y en su capacidad para consumir metano de forma cooperativa. Para averiguarlo, aplicaron un isótopo estable "trazador" para evaluar la actividad metabólica.

Luego se midió la cantidad del isótopo absorbida por las células arqueas y bacterianas individuales dentro de sus "vecindades" microbianas, en cada uno de los consorcios, con un instrumento de alta resolución llamado espectrométro de masas de iones secundarios nanoescala (NanoSIMS). Esto permitió a los investigadores determinar cómo de activos eran los compañeros arqueas y bacterias en relación a su distancia entre sí.

Para su sorpresa, los investigadores encontraron que la disposición espacial de las células en los consorcios no tenía influencia en su actividad. "Como se trata de una relación sintrófica, habríamos pensado que las células de la interfaz- donde las bacterias están en contacto directo con el arqueas- serían más activas, pero en realidad no vemos una tendencia evidente. Lo que es realmente notable es que hay células que están a muchas longitudes celulares de distancia de su socio más cercano y que siguen activas", dice Orphan.

Estadística

Para averiguar cómo se asociaban las bacterias y las arqueas, los co-autores Grayson Chadwick, estudiante de posgrado en geobiología en Caltech y ex investigador en laboratorio de Orphan, y Shawn McGlynn, un ex investigador postdoc, emplearon estadísticas espaciales para buscar patrones en la actividad celular de varios consorcios con diferentes estructuras de células.

Encontraron que las poblaciones de arqueas y bacterias sintróficas de los consorcios tenían niveles similares de actividad metabólica: cuando una población tenía una alta actividad, los microorganismos compañeros asociados también eran igualmente activos, algo consistente con una simbiosis beneficiosa.

Sin embargo, una mirada cercana a la organización espacial de las células reveló que ninguna disposición particular de los dos tipos de organismos, ya fuera dispersión uniforme, o en grupos separados, estaba correlacionada con la actividad de las células.

Para determinar cómo estaban teniendo lugar estas interacciones metabólicas incluso a través de distancias relativamente largas, el coautor Chris Kempes, modeló la relación predicha entre la actividad celular y la distancia entre los socios sintróficos que dependen de la difusión molecular de un sustrato.

Encontró que los metabolitos convencionales -moléculas de las que antes se pensaba que participaban en este consumo sintrófico de metano, como el hidrógeno- eran inconsistentes con los patrones de actividad espacial observados en los datos. Sin embargo, los modelos revisados ​​indicaron que los electrones podían probablemente hacer viajes de célula a célula a través de grandes distancias.

"Chris desarrolló un modelo generalizado para la sintrofía metano-oxidante basado en la transferencia directa de electrones, y los resultados del modelo encajaban mejor con nuestros datos empíricos", dice Orphan. "Apuntó la posibilidad de que estas arqueas estuvieran transfiriendo directamente electrones derivados del metano al exterior de la célula, y los electrones se estuvieran pasando a las bacterias directamente."

Guiados por esta información, Chadwick y McGlynn buscaron evidencia independiente para apoyar la posibilidad de la transferencia de electrones directa entre especies. Bacterias cultivadas, como las del género Geobacter, son organismos modelo del proceso de transferencia directa de electrones. Estas bacterias utilizan en su superficie exterior grandes proteínas, llamadas citocromos multi-hemo, que actúan como "cables" conductores para el transporte de electrones.

Usando análisis del genoma, junto con microscopía electrónica de transmisión y una mancha que reacciona con estos citocromos multi-hemo, los investigadores mostraron que estas proteínas conductoras también estaban presentes en la superficie exterior de las arqueas que estaban estudiando. Y ese hallazgo, dice Orphan, puede explicar por qué la disposición espacial de los socios sintróficos no parece afectar a su relación o actividad.

"Realmente es uno de los primeros ejemplos de transferencia de electrones directa entre especies que se produce entre microorganismos no cultivados, del medio ambiente. Nuestra impresión es que esto es más común de lo que se cree", dice.

Orphan considera que lo que han aprendido acerca de esta relación ayudará a avanzar en el conocimiento de las interacciones entre especies microbianas en la naturaleza.

Comunidades lejanas

Hace unos meses, investigadores de la Universidad de Hawái en Manoa (EE.UU) y colegas de otras instituciones descubrieron que las comunidades microbianas de diferentes regiones del Océano Pacífico muestran ritmos diarios sorprendentemente similares en su metabolismo a pesar de habitar hábitats extremadamente diferentes: las aguas ricas en nutrientes de California y las aguas pobres en nutrientes al norte de Hawái.

Además, en ambos lugares, los fotoautótrofos dominantes -bacterias amantes-de-la-luz que necesitan energía solar para ayudarles a producir alimentos mediante la fotosíntesis, a partir de sustancias inorgánicas- parecen iniciar un efecto de cascada en el que los otros grupos principales de microbios realizan sus actividades metabólicas de forma coordinada y predecible.

Referencia bibliográfica:

Shawn E. McGlynn, Grayson L. Chadwick, Christopher P. Kempes, Victoria J. Orphan. Single cell activity reveals direct electron transfer in methanotrophic consortia. Nature (2015). DOI: 10.1038/nature15512.