Microorganismos Halofilos

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78 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, julio, 2007

SHILADITYA DASSARMA

VV isto desde el aire, el entra-mado irregular de estan-ques de evaporación quese extiende al sur de labahía de San Franciscoen California parece un

caleidoscopio de rojos y púrpuras.Esos colores se deben a la presenciade organismos unicelulares, extra-ños microorganismos que medranen soluciones salinas concentradas.Tales condiciones extremas matan acualquier forma de vida del planeta,salvo a las arqueas halófilas. Estaspertenecen a un antiguo reino que yaexistía antes de que la Tierra tuvie-ra una atmósfera aeróbica. Un grannúmero de arqueas se desarrollan encondiciones extremas (temperaturade ebullición, radiaciones letales, de-secación casi absoluta); de ahí quese las denomine “extremófilas”.

Nuestro concepto, humano, de lavida se halla condicionado por labiosfera “visible”: ambientes terres-

tres templados y acuáticos marinoso de agua dulce. Pero el repertoriode formas de vida microscópicas quealberga una sola gota de salmueradesafía esa noción. A diferencia delos extremófilos adaptados a una solacondición extrema, las haloarqueasdisfrutan de un metabolismo versátil.Crecen en aerobiosis (con oxígeno),anaerobiosis (en ausencia de oxígeno)o como fototrofos (mediante energíaluminosa); se adaptan a fluctuacionesde temperatura, pH y concentración

de iones metálicos. Se las encuen-tra en marismas anaeróbicas, fuenteshidrotermales, permafrost antártico,salmueras subterráneas o en el sub-suelo marino.

La principal dificultad técnica queentraña el estudio de la mayoría delas especies de arqueas estriba en larecreación, en el laboratorio, de lascondiciones extremas que requieren.Las arqueas halófilas, en cambio, sonfáciles de cultivar; los microbiólogoslas han utilizado en experimentos degenética, fisiología y biología mo-lecular. Las haloarqueas crecen me- jor en condiciones de hipersalinidad:desde un poco mayor que la del aguade mar hasta la de salmuera casi sa-turada. Esos atributos, asociados alos datos genómicos disponibles ya técnicas de manipulación molecu-lar, las han elevado al estatuto deorganismos “modelo” para el estudiode otros extremófilos (otras arqueasincluidas) y organismos superiores.

Diversidad y unidadHasta los años setenta del siglo pa-sado, los expertos creían que todoslos procariotas (microorganismosunicelulares sin núcleo) eran “bac-terias”. El trabajo pionero de CarlWoese y sus colaboradores, de laUniversidad de Illinois en Urbana-Champaign, demostró que no era así.En la actualidad, los procariotas sedividen en dos grupos: las bacterias“genuinas” y esas reliquias evoluti-

vas que llamamos arqueas. Aunqueambos presentan el mismo aspectoal microscopio, las arqueas guardanmayor semejanza, a escala molecular,con los organismos dotados de núcleodiferenciado o eucariotas (levaduras,plantas y animales). Ello demuestra

que las arqueas difieren de las bac-terias en un plano fundamental.

Pese a tal disparidad crucial, el es-tudio de las haloarqueas ha arrojadoluz sobre formas de vida microbianay pluricelular. La investigación so-bre haloarqueas disponible ayudó aH. Gobind Khorana (con quien empe-cé mi trabajo en este dominio) a es-tablecer el código genético: la piedraRosetta de la biología, que permitedescifrar los planos de construcciónde las proteínas a partir de la infor-

MICROORGANISMLa investigación sobre los microorganismosque medran en medios salinos

ahonda en los caracteres unificadores de la vida

y los secretos moleculares de la supervivencia

en condiciones extremas



INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, julio, 2007 79

mación que portan los genes. Esecódigo universal constituye una delas pruebas más sólidas de la unidadde la biosfera.

Otro descubrimiento de primerahora realizado en las haloarqueasfue la bacteriorrodopsina. Se trata deuna proteína, identificada por WaltherStoeckenius, que utiliza fotones de laluz solar para bombear iones de hi-drógeno (protones) fuera de la célula;el proceso causa la polarización de

la membrana celular. Otro complejoproteico aprovecha el flujo de proto-nes que intentan volver al interior dela célula para obtener energía, a lamanera en que un molino hidráulicoaprovecha la corriente del río paragenerar un trabajo útil.

En las arqueas, las bacteriorrodop-sinas púrpuras se agrupan en unaregión especializada de la superficiecelular, la membrana púrpura; allí facilitan el aprovechamiento de la

energía luminosa, lo que permite eldesarrollo en condiciones anóxicas.En sus experimentos, hoy clásicos,Stoeckenius y otros demostraron quela luz impulsaba la síntesis de trifos-fato de adenosina o ATP (la mone-da de las transacciones energéticascelulares), en esferas reconstituidasque contenían bacteriorrodopsina yATP sintetasa. Esa última constituyela enzima de las mitocondrias, losorgánulos generadores de energía R

O N

G I L I N G / P E T E R

A R N O L D

, I N C

. / A m e r i c a n S c i e n t i s t

1. EN LAS SALINAS se evapora la salmuera para la obtenciónde los minerales disueltos. Los estanques de evaporación,como éstos del lago Rosa (Senegal), toman tonalidadesfantasmagóricas. Los colores (naranjas, rojos, rosas ypúrpuras) se deben a microorganismos halófilos, que medran encondiciones extremas. Como resultado de una historia evolutiva

llena de intercambios génicos con otros microorganismos, lashaloarqueas toleran no sólo salinidades elevadas, sino tambiénvalores extremos de temperatura, pH y radiación solar. Esaspeculiaridades las convierten en candidatas para llevar a caboviajes interplanetarios, encerradas en cápsulas salinas del interiorde meteoritos.

OS HALOFILOS




presentes en las células eucarióti-cas. El trabajo ofreció una pruebairrefutable de la asociación quimios-mótica, el mecanismo de generación

de energía que utilizan todos losseres vivos.

Genómica extrema Halobacterium NRC-1 fue la primerahaloarquea ⎯ y una de las primeras

arqueas de cualquier tipo ⎯ cuyo ge-noma se estudió. De los ensayos pio-neros nos ocupamos W. Ford Doolitt-le, de la Universidad de Dalhousie, y

mi grupo de investigación (entoncesen la Universidad de Massachusettsen Amherst). NRC-1 corresponde auna haloarquea típica. Se halla am-pliamente distribuida en el Great SaltLake y otros ambientes hipersalinos.

Su genoma se caracteriza por su ines-tabilidad espontánea, de suerte quemutan los sistemas fisiológicos ente-ros, verbigracia, la membrana púrpurafototrófica y las vesículas de gas quele confieren flotabilidad.

Semejante peculiaridad nos llevó a

la identificación de un múltiples ele-mentos génicos móviles, parecidos alos transposones descritos en el maízpor Barbara McClintock. Fueros losprimeros elementos que se descubrie-ron en las arqueas. Hallamos tambiénque NRC-1 contaba con un par demoléculas de ADN de menor tamañocabe su cromosoma.

La secuencia del genoma de NRC-1terminó el verano de 2000. Fue elprimer genoma secuenciado en sutotalidad con fondos de la estadouni-dense Fundación Nacional para laCiencia (NSF). El genoma constade un cromosoma circular extenso(2014 kilobases) y dos anillos chi-cos de ADN, los plásmidos, o repli-cones, pNRC100 (191 kilobases) ypNRC200 (365 kilobases). Los re-plicones pNRC contienen numerosasrepeticiones de ADN responsables delas reordenaciones genómicas: 69 delos 91 elementos móviles, de 33 a39 kilobases de las repeticiones in-vertidas (que intercambian o invier-ten las posiciones en los círculos) y

145 kilobases de secuencia idénticaen ambos plásmidos.

Todas esas repeticiones desconcer-taban a los programas informáticosencargados de ordenar en un genomasin fisura los fragmentos génicos su-perpuestos. Para resolver el problemaaplicamos el conocimiento que enlos años ochenta y noventa había-mos adquirido sobre la estructura depNRC100, conocimiento obtenidomerced a una técnica basada en elcorte del genoma en lugares especí- B

A R B A R A

A U L I C I N O

( g r á f i c a y d i b u j o i n f e r i o r ) ;

S H I L

D A S S A R M A

U n i v e r s i d a d d e M a r i l a n d ( m i c r o g r a f í a ) / A m e r i c a n S

c i e n t i s t

A g u

a d e m a r

Cianobacteriasmarinas Halobacterium NRC-1

100

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0 1 2 3 4 5

T a s a d e c r e c i m i e n t o ( p o r c i e n t o )

Cloruro sódico (moles por litro)

s a t u r a c i ó n

ADP

Fosfato

P

ATP

Bacteriorrodopsina

LuzProtones

ATP sintetasa

3. LA BACTERIORRODOPSINA, con su coloración púrpura, utiliza la energía lumínicapara la obtención de combustible celular. Los fotones de luz producen cambios en laforma de esa proteína mediante el bombeo de protones (iones de hidrógeno) haciafuera de la célula. Otra proteína, la ATP sintetasa, aprovecha el flujo de protones quetiende a volver al interior para convertir el difosfato de adenosina (ADP) en trifosfatode adenosina (ATP). A su vez, el ATP aporta la energía para que otras máquinasmoleculares realicen un trabajo útil.

2. EL AGUA DE MAR contiene unos30 gramos de cloruro sódico (0,5 moles)por litro ( izquierda). En ese medio medranlas cianobacterias o algas verde-azuladas.

Halobacterium NRC-1, en cambio,prefiere soluciones 8 veces más salinas,una concentración próxima al punto desaturación (punto en que la sal empieza

a precipitar). Vesículas de gas confierenflotabilidad a las células de NRC-1para mantener su acceso a la luz solar(derecha, microscopía electrónica detransmisión).




ficos y el análisis de los fragmentos.En el año 2000, convocaríamos enAmherst una reunión internacional de12 laboratorios, aprovechando las va-caciones de invierno, para identificarelementos familiares del genoma.

Semejante análisis constituía unatarea hercúlea en aquellos días. Lasherramientas informáticas para ana-lizar genomas se hallaban en paña-les. Tuvimos que desarrollar nues-tros propios programas informáticosy examinar a mano la mayoría delos datos.

De los descubrimientos logradosen esa secuenciación brillaba unosobremanera: las 2630 proteínaspredichas eran, en conjunto, muchomás ácidas que las de otros organis-mos. El punto isoléctrico medio delas proteínas de Halobacterium erade sólo 4,9. (Ese parámetro mide la

acidez.) En cambio, el valor equiva-lente en casi todas las especies queno son haloarqueas se aproxima ala neutralidad, un 7 en esta escala.Las proteínas ácidas están dotadasde una intensa carga negativa querepele otras moléculas ácidas (concarga negativa) como el ADN y elARN. Sin embargo, resultó que eranácidas las proteínas encargadas deunirse al ADN, incluidas las piezasdel complejo aparato de transcripcióndel ADN en ARN.

De acuerdo con nuestra experimen-tación reciente, los factores de tras-cripción ácidos se unen al ADN sindificultad en el interior hipersalino delas células de haloarqueas o en tubosde ensayo con solución salina. Talatracción resulta notoria, pues ambasmoléculas están dotadas de carga ne-gativa y, por tanto, deberían repelerseentre sí. Una explicación pudiera serque las proteínas y el ADN formanuna suerte de emparedado con ionespositivos que neutralizan los residuoscon carga negativa (ácidos). La re-

pulsión mutua entre grupos ácidosfacilita la solubilización de las pro-teínas halófilas en medios donde lasproteínas no halófilas precipitaríanpor efecto salino (“salting out”). Portanto, las haloarqueas requieren pro-teínas extremadamente ácidas paramantener las funciones celulares enun medio sobresaturado.

A la secuencia genética completade NRC-1 ha seguido, en los últimosaños, la publicación del genoma deotras cinco haloarqueas: Haloarcu-

la marismortui, una especie del marMuerto que presenta un metabolismoversátil; Natronomonas pharaonis,una especie asociada al pH elevado(básico) de los lagos alcalinos del

Sinaí (muestran una concentraciónelevada de hidróxido sódico); Halo-

ferax volcanii, una especie halofíli-ca más moderada, del lodo del marMuerto; Haloquadratum walsbyi,

B A R B A R A

A U L I C I N O / A m e r i c a n S c i e n t i s t

A b s o r b a n c i a

Longitud de onda (nanómetros)

400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700

R e t i

n a l

C l o r

o f i l a C a r o t enoides

4. EL PIGMENTO RETINAL de la bacteriorrodopsina absorbe la luz verde; en cambio,refleja el rojo y, en menor medida, el final violeta del espectro. Ese patrón de absorciónconfiere una apariencia púrpura ( línea púrpura). Los pigmentos clorofílicos absorben el

índigo y el rojo, pero reflejan el verde ( línea verde). Esa relación especular sugiere quela clorofila evolucionó para explotar partes del espectro que no utilizaba el pigmentopúrpura. Los carotenoides ( línea naranja) absorben la luz violeta y ultravioleta (con elloprotegen a las haloarqueas de las ondas de alta energía) pero reflejan los colores rojo-anaranjados (de baja energía); ello da lugar a las tonalidades escarlatas que se ven ennumerosas salinas. (Para facilitar la comparación, los espectros no se han representadoa escala.)

10

9

8

7

6

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4

3

2

1

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3 , 5

4 , 0

4 , 5

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1 0 , 0 1 0

, 5 1 1

, 0 1 1

, 5 1 2

, 0 1 2

, 5 1 3

, 0

Punto isoeléctrico predicho

Bsu Eco Mja Mth SceHal

R e g i o n e s c o d i f i c a n t e s d e p r o t e í n a s

( p o r c i e n t o )

5. NRC-1 Y OTRAS HALOARQUEAS contienen proteínas muy ácidas; así lo indican losvalores bajos del punto isoeléctrico ( pI). Según las secuencias genómicas predichas,el perfil isoeléctrico de las proteínas de NRC-1 ( línea roja) presenta mayor acidez queel de Bacillus subtilis (Bsu), Escherichia coli (Eco), Methanococcus janaschii (Mja),

Methanothermobacter thermoautotrophicus (Mth), Saccharomyces cerevisiae (Sce) y otrosorganismos unicelulares. Las cadenas laterales ácidas de esas proteínas facilitan queNRC-1 permanezca en solución en salmueras concentradas.




cuadriforme y común en las salinas;y Halorubrum lacusprofundii, unaespecie adaptada al frío de un lagoantártico. Los seis genomas dan fe dela diversidad de las haloarqueas.

Reliquias de la evoluciónLa decodificación del genoma deNRC-1 planteaba nuevas cuestionesal tiempo que daba respuesta a otrasabiertas relacionadas con la historiaevolutiva, o filogenia, de las haloar-queas. Aunque los datos confirmaban

que NRC-1 correspondía a una ar-quea genuina, el gen que suele uti-lizarse como cronómetro evolutivo,

el ARN ribosómico 16S, presentabauna secuencia única que dificultabala clasificación de la especie. Esacontradicción desafiaba a cuantostrabajan en taxonomía.

En fecha reciente, se redenomina-ron numerosas especies de Halobac-terium sobre la base de la secuenciagenética, una opción que no resul-taba factible para NRC-1, dada suambigüedad en este aspecto. Existeahora una controversia sobre el nom-bre “ Halobacterium especie NRC-1”,que aviva el fuego de un debateacerca del sentido y significado deltérmino “especie” en los procariotas.En la opinión de algunos expertos, elconcepto de especie resulta inapro-piado para los procariotas; deberíasustituirse por “cepa” o “filotipo”.

Con el propósito de resolver eserompecabezas filogenético, mis co-

laboradores y yo comparamos elgenoma de NRC-1 con los esca-sos genomas entonces disponibles.El análisis preliminar detectó unasemejanza interesante entre Halo-bacterium NRC-1 y dos bacteriasauténticas: el grampositivo forma-dor de esporas Bacillus subtilis yel radiorresistente Deinococcus ra-diodurans. Sin embargo, conformelas bases de datos genómicas hanido creciendo en número de especies,la posición de Halobacterium en elárbol de la vida parece haberse des-plazado: hacia la base de la rama delas arqueas o, para mayor sorpresa,hacia la rama de las bacterias.

Tal reubicación discrepaba deanálisis precedentes que colocabana Halobacterium entre las arqueas.La discrepancia podría deberse a que,en el curso del tiempo, las arqueashalófilas habrían adquirido numero-sos genes de especies bacterianas, sinparentesco, a través de un procesode transferencia génica lateral. Dehecho, algunos estudios llegaron a

la conclusión de que NRC-1 con-tenía casi tantos genes bacterianoscomo de arqueas, lo que planteabala posibilidad de que estos peculiaresmicroorganismos empezaran siendouna mezcolanza procariota.

Pese a las lagunas de la historia dela evolución procariótica, las pruebasque apoyan la transferencia lateralde genes en las haloarqueas se re-velan sólidas. Así, los genes que po-sibilitan el metabolismo aeróbico de

Halobacterium presentan la misma S H I L

D A S S A R M A

U n i v e r s i d a d d e M a r i l a n d / A m e r i c a n S c

i e n t i s t

a b

c d

6. LA FORMA DE UN COMPLEJO PROTEICO de unión al ADN en Halobacterium NRC-1(a y b) es similar a la de Homo sapiens (c y d ), luego de cientos de millones de añosde evolución independiente. En cambio, difieren radicalmente las cargas eléctricas de lasuperficie. En esta imagen, el rojo corresponde a las cargas negativas (zonas ácidas); elazul, a las positivas (zonas básicas). En el centro del complejo proteico (constituido pordos proteínas, TBP y TFB) se halla la molécula de ADN (en verde el gen activo, en rosay naranja zonas no codificantes). Las cargas negativas dificultan la atracción y la uniónal ADN, puesto que éste, al ser ácido, también presenta una carga neta negativa. Lasolución quizás estribe en una capa de iones positivos emparedados entre las moléculasácidas que se repelen entre sí. Las vistas en a y c ilustran el complejo proteicoengarzado en la cadena de ADN que penetraría en la página; b y d muestran el mismocomplejo saliendo de la página.

7. EL GENOMA DE HALOBACTERIUM

NRC-1 consta de tres piezas circularesde ADN: un cromosoma grande de unosdos millones de bases y dos plásmidos de191.000 y 365.000 bases. Los plásmidospueden haber vehiculado la transferenciade ADN entre microorganismos durante laevolución de las haloarqueas.




organización que los de la bacteria Escherichia coli. También las secuen-cias génicas son parecidas a las de lasbacterias. La combinación de genes

ribosómicos que guardan semejanzacon los de arqueas anaerobias y losgenes metabólicos parecidos a losde bacterias aerobias sugieren quelas haloarqueas se han adaptado aloxígeno mediante la apropiación, portransferencia génica lateral, de piezasde la maquinaria respiratoria bacte-riana. Se supone que esos procesosocurrieron en una fase temprana dela historia de la Tierra, cuando lascianobacterias fotosintéticas empe-zaron a oxigenar la atmósfera. Sinembargo, no se puede descartar la po-sibilidad de transferencias múltiples,incluidas algunas más recientes.

En Halobacterium NRC-1 hallamosun ejemplo moderno de transferenciagénica lateral en el gen que codifi-ca la arginil-ARNt sintetasa (ArgS),enzima esencial para la síntesis deproteínas. Los parientes más próxi-mos de la proteína ArgS de NRC-1se encuentran entre las ArgS de bac-terias, no en las de otras arqueas ohaloarqueas. Lo que no deja de sor-prender si sabemos que las arqueas

que precedieron a NRC-1 son anterio-res a las bacterias. De acuerdo con elescenario más plausible, tras la cap-tura de un gen bacteriano para ArgS,se perdió en Halobacterium NRC-1la versión arqueana del mismo.

ArgS no constituye el único ejem-plo de ese tipo. Según las prediccio-nes de la secuencia genómica, cercade 40 genes en los dos repliconespNRC codifican proteínas esenciales,incluidas algunas implicadas en lasíntesis del ADN y el ARN, así como

las que utilizan oxígeno para la res-piración celular. Dado que la célulano puede vivir sin esos genes, losreplicones pNRC que los contienendeberán denominarse minicromoso-mas, y no plásmidos.

Los plásmidos, que se caracterizanpor su dispensabilidad, desempeñanen NRC-1 dos funciones importantesal menos: operan como reservorios de

genes capturados y como vehículospara la transferencia lateral de esosgenes. Y cuando tales genes devie-nen críticos para la supervivencia,su transferencia puede suponer queun replicón procariótico evolucionede plásmido en cromosoma.

Entre las cuestiones evolutivas demayor interés sobre los halófilos so-bresale la del origen de la bacteriorro- B

A R B A R A

A U L I C I N O / A m e r i c a n S c i e n t i s t

S y n e c

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8. LA CLASIFICACION FILOGENETICAde Halobacterium NRC-1 entraña ciertasdificultades. Según qué partes del genomase estudien, NRC-1 muestra un parentescomás estrecho con las arqueas ( rojo),según se indica en a, o con las bacterias( negro), según se ofrece en b. Aunqueresulte sorprendente, algunas regiones

del genoma de NRC-1 guardan mayorsemejanza con los genes de eucariotas(plantas, animales y levaduras, azul ). Esagavilla de semejanzas sugiere que NRC-1incorporó ADN de otros organismos ennumerosas ocasiones durante su evolución,mediante transferencia génica lateral.



dopsina, la proteína componente dela membrana púrpura. La bacteriorro-dopsina guarda una estrecha relacióncon las rodopsinas de mamíferos;igual que éstas, porta retinal, unasustancia esencial para la percepciónde la luz a través de la retina. Halo-bacterium NRC-1 y otras haloarqueascuentan también con otras proteínascon retinal: la halorrodopsina, quebombea iones cloruro a través de lamembrana, y las rodopsinas fotosensi-bles, que discriminan entre fuentes deluz útiles y fuentes peligrosas, aménde controlar el comportamiento nata-torio de la célula.

Los científicos debaten todavía lalarga trayectoria evolutiva de esasproteínas con retinal. Aunque su ha-llazgo en las haloarqueas hizo supo-ner que tales proteínas eran exclusi-vas de este grupo, se han descubierto

proteínas similares en otras bacterias

y en eucariotas. Pudieron, pues, ha-berse originado antes que divergieranbacterias, arqueas y eucariotas, hacemiles de millones de años tal vez.Como posibilidad alternativa cabríaque las proteínas con retinal pasaran,por transferencia génica lateral, a lasbacterias planctónicas, ciertos hongosy haloarqueas.

Aunque seguimos sin conocer lafilogenia de los pigmentos basadosen el retinal, resulta atractiva la hi-pótesis de una coevolución con lospigmentos clorofílicos. Si se com-paran los patrones de absorción deambos tipos de pigmento, se observaque el retinal y la clorofila presen-tan espectros complementarios, nosuperpuestos.

En el marco de esa hipótesis, evo-lucionaron primero los pigmentos ba-sados en el retinal, más sencillos.

A ellos recurrieron los microorganis-

mos que dominaron la fase anaeró-bica, “púrpura”, de la existencia delplaneta, para obtener energía a partirde la luz solar. Aparecieron luego pig-mentos clorofílicos, de mayor com-plejidad; facilitaban la absorción dela luz de regiones del espectro solarque no absorbían las especies preexis-tentes. El éxito de esa estrategia llevóa la fase “verde” de la evolución dela Tierra; también a la consecuen-te oxidación de la atmósfera por lafotosíntesis. Los cambios operadosdesplazaron a la mayoría de los mi-croorganismos basados en el retinal.Aunque se mueve en el terreno de laespeculación, ese relato de los hechosnos sugiere que la nutrición basadaen el aprovechamiento de la luz solarmediante el retinal constituye unade las formas de metabolismo másantiguas del planeta.

Medios de supervivenciaLas haloarqueas soportan condicio-nes estresantes que matarían a otrosmicroorganismos. Por ejemplo, Halo-bacterium NRC-1 tolera la radiaciónsolar intensa y la radiación ionizante,que en la mayoría de los organismoscausan daños generales al ADN. Estaproeza le resulta posible merced a laproducción de carotenoides rojos yanaranjados y un abultado número deotros pigmentos que protegen el ge-noma. NRC-1 contiene también dobledosis (una versión bacteriana y otraeucariótica) de las enzimas emplea-das en la reparación del ADN.

La fotoliasa revierte el daño cau-sado por la radiación ultravioleta du-rante el día. La exposición a la luzultravioleta desencadena la produc-ción de una recombinasa, que ayudaa la reparación del ADN mediantela promoción de la recombinaciónhomóloga (con el uso de una copiabuena del gen para arreglar la co-pia dañada). Una tercera enzima, la

exonucleasa, poda los fragmentos deADN dañado. La recombinasa y laexonucleasa resultan clave para la re-paración que se lleva a cabo por lanoche, cuando las células gastan suenergía en remendar los genomasdañados por el sol. La radiación dealta energía y la desecación producenotro tipo de daño: provocan la roturade las dos hebras de la doble hélicedel ADN. Las células así irradiadasfabrican copias de la proteína replica-tiva A, que se unen a los fragmentos S

H I L

D A S S A R M A

U n i v e r s i d a d d e M a r y l a n d / A m e r i c a n S c i e n t i s t

APLICACIONES DIDACTICAS DE LAS HALOARQUEASEl halófilo Halobacterium NRC-1 resulta un modelo ideal para la enseñanza dela microbiología básica. La elevada salinidad de los medios necesarios para sucultivo evita la contaminación por otros tipos de bacterias u hongos. (El mis-mo principio gobierna la conservación de los alimentos en la sal, al evitar elcrecimiento de microorganismos que los estropeen.) Los experimentos a realizaren clase no requieren, pues, protocolos de esterilidad. (Estos protocolos ponen aveces en auténtico aprieto a los investigadores profesionales.) Además de ayudara mantener los resultados claros, las condiciones de hipersalinidad evitan eldesarrollo de cepas de microorganismos patógenos.

Cuando crecen en el laboratorio, los cultivos líquidos de NRC-1 presentan un

color rosado llamativo (abajo, derecha ); también lapresencia de colonias con sectores rosas, rojo-ana-ranjados (abajo, izquierda ) les resulta intrigante. Losalumnos pueden observar y estudiar el nexo entregenotipo y fenotipo a través de la presencia/ausenciade orgánulos que confieren a las células flotabilidad.Esos orgánulos llenos de gas resultan fáciles de ais-lar en un laboratorio rudimentario; pueden ensayarsesus propiedades funcionales mediante una serie deexperimentos rápidos.

La investigación escolar de NRC-1 no resultaonerosa: se desarrolla en medios de cultivo baratosy de fácil obtención y manipulación. Su velocidadde crecimiento (de tres a siete días de cultivo) seadapta a unas prácticas semanales. Los estudiantesmás avanzados usan NRC-1 para el aprendizaje detécnicas básicas de biología molecular y manipula-

ción genética. Al finalizar los experimentos, NRC-1 se guarda en cristales de sal(arriba, izquierda ) a temperatura ambiente durante largos períodos de tiempo. (Sifuera necesario, hasta miles de años.)

—Priya DasSarma, Universidad de Maryland





de ADN de hebra sencilla expuestos; junto con la recombinasa, ayudan aevitar daños genéticos.

Por su parte, los metales tóxicosy las concentraciones variables deiones inducen cambios en la ex-presión génica que contribuyen ala supervivencia de HalobacteriumNRC-1. Así, las células resisten losefectos tóxicos del arsénico mediantela activación de un conjunto de genesque codifica enzimas que cambian elestado de oxidación del metal y lopreparan para su transporte activofuera de la célula. La identidad dela bomba propiamente dicha sigueenvuelta en el misterio. Podría haberun mecanismo novedoso de las ar-queas. Otro gen cerca del grupo delarsénico parece formar parte de unsegundo sistema de detoxificación,que transforma el arsenito en trime-

tilarsina, una forma volátil.NRC-1 responde de varias maneras

a la falta de oxígeno. Por ejemplo,mediante la producción de vesículasrellenas de gas que confieren flota-bilidad y desplazan las células haciazonas oxigenadas de la columna deagua. Si las condiciones son absoluta-mente anóxicas, las células cambian aun modo alternativo de obtención deenergía: utilizan el dilmetil sulfóxido,producido por otros microorganis-mos, y el N-óxido de trimetilamina,producido por los peces, para llevara cabo la respiración anaeróbica.

NRC-1 responde a la escasez deoxígeno con un incremento de la pro-ducción de bacterioopsina, la parteproteica de la bacteriorrodopsina quese usa para el crecimiento fototrópi-co. La síntesis de la bacterioopsinadepende de la concentración de re-tinal; las dos moléculas reaccionanpara formar un complejo. De hecho,los genes que codifican la primera yúltima etapa de la síntesis del retinaly el gen sensor-activador localizado

cerca se inducen de forma coordinadaen condiciones de baja concentraciónde oxígeno.

Los expertos no han logrado desen-trañar el modo en que NRC-1 regulalos distintos conjuntos de genes enrespuesta al estrés ambiental. Conmis colaboradores he propuesto unmecanismo que explica parte de esacomplejidad. Según nuestra hipótesis,dos factores de trascripción genera-les, TBP y TFB, que en ocasionesresultan ignorados (se les conside-

ra aburridos y monótonos frente aotros procesos más dinámicos), ope-ran como reguladores. Aunque lasproteínas TBP y TFB suelen estarcodificadas por un solo gen en ar-queas y eucariotas, Halobacterium NRC-1 lleva seis genes para TBP ysiete para TFB; cabe, pues, la posibi-lidad de que se produzcan numerosascombinaciones distintas de TBP yTFB durante la trascripción. Ciertasparejas quizás activan conjuntos degenes que operan en coordinación,por medio de secuencias regulado-ras situadas cerca de los genes encuestión.

Otros científicos han propuesto unmecanismo similar para la coreogra-fía génica que regula el desarrollo deorganismos superiores. En fecha re-ciente hemos hallado pruebas de queen las haloarqueas podría intervenir

un mecanismo regulador novedosocomo éste, que habría evolucionadopara enfrentarse a la dinámica y elestrés del medio hipersalino.

Fuera de este mundoDado que las haloarqueas tolerantantas formas de estrés ambiental,he defendido, con otros, su posiblesupervivencia en Marte. Y no sóloallí. Se trataría, pues, de organismos“exófilos”. La misma durabilidad fa-cilitaría la supervivencia durante elviaje interplanetario, quizás envueltasen cristales de sal, que las protege-rían de las radiaciones dañinas. LaAgencia Europea del Espacio descu-brió en fecha reciente que una cepade Haloarcula sobrevivió varias se-manas en el espacio profundo, más

que cualquier otro organismo queretuviera la capacidad de dividirse.Ese hallazgo concuerda con la tole-rancia a la desecación y la radiaciónobservadas en Halobacterium NRC-1en experimentos de laboratorio. Yrespalda los descubrimientos de geó-logos que han aislado ADN de haloar-queas similares a NRC-1 de depósitosde halita (sal) de más de 10 millonesde años de antigüedad.

Algunos de los fragmentos deroca marciana que han llegado ala Tierra, incluido el meteorito quecayó en Shergotty (India) y el deNakhla (Egipto), contenían cristalesde sal. Por tanto, quizá los meteoritosoperen como vehículos de transpor-te interplanetario de haloarqueas. Enese contexto, resulta comprensible elinterés que han despertado algunaspublicaciones sobre la existencia de

microorganismos halófilos que per-viven tras permanecer atrapados endepósitos de salmuera durante cien-tos de millones de años. (Aunqueesos estudios no se han sometidotodavía a los rigurosos criterios dela validación científica.)

Con todo, el rango de adaptaciónde las haloarqueas a condiciones ex-tremas sugiere que resulta prematurodescartar la idea de vida marciana.No hay datos suficientes que confir-men o refuten la hipótesis de que laTierra ha intercambiado formas devida microbiana con otros cuerposplanetarios en algún momento de suhistoria. Por ahora, la mera posibili-dad de que existan formas de vidaterrestre en otros planetas ya es ensí misma toda una proeza.

Shiladitya DasSarma enseña en el Centro de Biotecnología Marina de la Universidadde Maryland.©American Scient ist Magazine.

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Bibliografía complementaria

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Microorganismos Halofilos