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Extremófilo

Los colores brillantes de la fuente termal Grand Prismatic Spring en el Parque Nacional de Yellowstone son producidos por termófilos , un tipo de extremófilo. Un extremófilo ( d...

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Los colores brillantes de la fuente termal Grand Prismatic Spring en el Parque Nacional de Yellowstone son producidos por termófilos , un tipo de extremófilo.

Un extremófilo ( del latín extremus ' extremo ' y del griego antiguo φιλία ( philía ) ' amor ' ) es un organismo capaz de vivir o incluso prosperar en ambientes extremos , como temperaturas extremas (calor o frío), presión , radiación , salinidad o nivel de pH . [ 1 ] [ 2 ] Los extremófilos son principalmente especies de microorganismos : bacterias y sobre todo arqueas, pero también incluyen algunos eucariotas como algunos hongos y tardígrados . [ 3 ]  

Dado que la definición de un entorno extremo es relativa a un estándar definido arbitrariamente, a menudo antropocéntrico, estos organismos pueden considerarse ecológicamente dominantes en la historia evolutiva del planeta. Los extremófilos han seguido prosperando en las condiciones más extremas, convirtiéndose en una de las formas de vida más abundantes. [ 1 ] El estudio de los extremófilos ha ampliado el conocimiento humano sobre los límites de la vida y contribuye a la especulación sobre la vida extraterrestre . Los extremófilos también son de interés por su potencial para la biorremediación de entornos que se han vuelto peligrosos para los humanos debido a la contaminación. [ 4 ]

Características

Diversidad de entornos extremos en la Tierra [ 1 ]

En las décadas de 1980 y 1990, los biólogos descubrieron que la vida microbiana puede sobrevivir en ambientes extremos —nichos ácidos, extraordinariamente calientes o con presión atmosférica irregular, por ejemplo— que serían inhóspitos para organismos complejos . Algunos científicos incluso concluyeron que la vida pudo haber comenzado en la Tierra en fuentes hidrotermales muy por debajo de la superficie del océano. [ 5 ]

Según el astrofísico Steinn Sigurdsson, "Hay esporas bacterianas viables que se han encontrado en la Tierra que tienen 40 millones de años, y sabemos que son muy resistentes a la radiación ". [ 6 ] Algunas bacterias se encontraron viviendo en el frío y la oscuridad en un lago enterrado a media milla de profundidad bajo el hielo en la Antártida , [ 7 ] y en la Fosa de las Marianas , el lugar más profundo en los océanos de la Tierra. [ 8 ] [ 9 ] Las expediciones del Programa Internacional de Descubrimiento Oceánico encontraron microorganismos en sedimentos de 120 °C (248 °F) que están a 1,2 km (0,75 mi) por debajo del lecho marino en la zona de subducción de la Fosa de Nankai . [ 10 ] [ 11 ] Algunos microorganismos se han encontrado prosperando dentro de rocas hasta 1900 pies (580 m) por debajo del lecho marino bajo 8500 pies (2600 m) de océano frente a la costa del noroeste de los Estados Unidos. [ 8 ] [ 12 ] Según uno de los investigadores, "Se pueden encontrar microbios en todas partes; son extremadamente adaptables a las condiciones y sobreviven dondequiera que estén". [ 8 ] Una clave para la adaptación de los extremófilos es su composición de aminoácidos , que afecta su capacidad de plegamiento de proteínas bajo condiciones particulares. [ 13 ] Estudiar los entornos extremos en la Tierra puede ayudar a los investigadores a comprender los límites de habitabilidad en otros mundos. [ 14 ]      

Tom Gheysens de la Universidad de Gante en Bélgica y sus colegas demostraron que las endosporas de una especie de bacteria Bacillus eran viables después de ser calentadas a temperaturas de 420 °C (788 °F) . [ 15 ]  

Clasificación

Definiciones

Imagen microscópica del lago hipersalino Tyrrell (salinidad > 20 % p/v), en la que se puede identificar tentativamente la clorofita eucariota Dunaliella salina . Dunaliella salina se cultiva comercialmente por el carotenoide β-caroteno , ampliamente utilizado como colorante alimentario natural y precursor de la vitamina A. Junto a ella se encuentra la haloarquea Haloquadratum walsbyi , cuyas células planas y cuadradas poseen vesículas de gas que le permiten flotar hasta la superficie, probablemente para obtener oxígeno.

Poliextremófilos

Hay muchas clases de extremófilos que se distribuyen por todo el mundo; cada una corresponde a la forma en que su nicho ambiental difiere de las condiciones mesófilas. Estas clasificaciones no son excluyentes. Muchos extremófilos se incluyen en múltiples categorías y se clasifican como poliextremófilos . Por ejemplo, los organismos que viven dentro de rocas calientes en las profundidades de la Tierra son termófilos y piezofílicos, como Thermococcus barophilus . [ 23 ] Un poliextremófilo que vive en la cima de una montaña en el desierto de Atacama podría ser un xerófilo radiorresistente , un psicrófilo y un oligótrofo . Los poliextremófilos son bien conocidos por su capacidad para tolerar niveles de pH tanto altos como bajos. [ 24 ] Cabe señalar que los organismos "tolerantes" o "resistentes" no son necesariamente extremófilos: los organismos tolerantes o resistentes pueden sobrevivir a pesar de las condiciones adversas en lugar de prosperar en ellas . Por ejemplo, el tardígrado ( Tardigrada spp.), a pesar de ser altamente resistente a muchos tipos de estrés, no es un extremófilo propiamente dicho. [ 25 ]

En astrobiología

La astrobiología es el campo multidisciplinario que investiga cómo surge, se distribuye y evoluciona la vida en el universo. La astrobiología utiliza la física , la química , la astronomía , la física solar , la biología , la biología molecular , la ecología , la ciencia planetaria , la geografía y la geología para investigar la posibilidad de vida en otros mundos y reconocer biosferas que podrían ser diferentes a la de la Tierra. [ 26 ] Los astrobiólogos están interesados ​​en los extremófilos, ya que les permite mapear lo que se sabe sobre los límites de la vida en la Tierra a posibles entornos extraterrestres [ 2 ] Por ejemplo, desiertos análogos de la Antártida están expuestos a radiación UV dañina , bajas temperaturas, alta concentración de sal y baja concentración de minerales. Estas condiciones son similares a las de Marte . Por lo tanto, encontrar microbios viables en el subsuelo de la Antártida sugiere que puede haber microbios sobreviviendo en comunidades endolíticas y viviendo bajo la superficie marciana. Las investigaciones indican que es improbable que existan microbios marcianos en la superficie o a poca profundidad, pero podrían encontrarse a profundidades subsuperficiales de alrededor de 100 metros. [ 27 ]

Una investigación reciente realizada en Japón sobre extremófilos involucró a diversas bacterias , incluyendo Escherichia coli y Paracoccus denitrificans, sometidas a condiciones de gravedad extrema. Las bacterias se cultivaron mientras giraban en una ultracentrífuga a altas velocidades, equivalentes a 403.627 g (es decir, 403.627 veces la gravedad terrestre). P.  denitrificans fue una de las bacterias que no solo sobrevivió, sino que también mostró un crecimiento celular robusto bajo estas condiciones de hiperaceleración, que generalmente solo se encuentran en entornos cósmicos, como en estrellas muy masivas o en las ondas de choque de supernovas . El análisis demostró que el pequeño tamaño de las células procariotas es esencial para un crecimiento exitoso bajo hipergravedad . Esta investigación tiene implicaciones en la viabilidad de la panspermia . [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]

El 26 de abril de 2012, los científicos informaron que los líquenes sobrevivieron y mostraron resultados notables en la capacidad de adaptación de la actividad fotosintética dentro del tiempo de simulación de 34 días bajo algunas condiciones similares a las de Marte en el Laboratorio de Simulación de Marte (MSL) mantenido por el Centro Aeroespacial Alemán (DLR). [ 31 ] [ 32 ]

El 29 de abril de 2013, científicos del Instituto Politécnico Rensselaer , financiados por la NASA , informaron que, durante los vuelos espaciales en la Estación Espacial Internacional , los microbios parecen adaptarse al entorno espacial de maneras "no observadas en la Tierra" y de maneras que "pueden conducir a aumentos en el crecimiento y la virulencia ". [ 33 ]

El 19 de mayo de 2014, los científicos anunciaron que algunos microbios , como Tersicoccus phoenicis , pueden ser resistentes a los métodos que se utilizan habitualmente en las salas blancas de ensamblaje de naves espaciales , lo que dio lugar a especulaciones de que dichos microbios podrían haber sobrevivido a los viajes espaciales y estar presentes en el rover Curiosity, que ahora se encuentra en el planeta Marte. [ 34 ]

El 20 de agosto de 2014, los científicos confirmaron la existencia de microorganismos que viven a media milla bajo el hielo de la Antártida . [ 35 ] [ 36 ]

En septiembre de 2015, científicos del CNR-Consejo Nacional de Investigación de Italia informaron que S.  soflataricus sobrevivió a la radiación marciana en una longitud de onda considerada letal para la mayoría de las bacterias. Este descubrimiento es significativo porque indica que no solo las esporas bacterianas, sino también las células en crecimiento pueden resistir una fuerte radiación UV. [ 37 ]

En junio de 2016, científicos de la Universidad Brigham Young informaron que las endosporas de Bacillus subtilis eran capaces de sobrevivir a impactos de alta velocidad de hasta 299 ± 28  m/s, choques extremos y desaceleraciones extremas. Señalaron que esta característica podría permitir que las endosporas sobrevivieran y se transfirieran entre planetas viajando dentro de meteoritos o experimentando una alteración atmosférica. Además, sugirieron que el aterrizaje de naves espaciales también podría resultar en la transferencia interplanetaria de esporas, dado que las esporas pueden sobrevivir a impactos de alta velocidad al ser expulsadas de la nave espacial hacia la superficie del planeta. Este es el primer estudio que informa que las bacterias pueden sobrevivir a un impacto de tan alta velocidad. Sin embargo, se desconoce la velocidad de impacto letal y se deberían realizar más experimentos introduciendo impactos de mayor velocidad en las endosporas bacterianas. [ 38 ]

En agosto de 2020, los científicos informaron que las bacterias que se alimentan de aire, descubiertas en 2017 en la Antártida, probablemente no se limitan a la Antártida, tras descubrir los dos genes previamente vinculados a su "quimiosíntesis atmosférica" ​​en el suelo de otros dos sitios desérticos fríos similares. Esto proporciona más información sobre este sumidero de carbono y refuerza aún más la evidencia de extremófilos que respalda la posible existencia de vida microbiana en planetas extraterrestres. [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]

Ese mismo mes, los científicos informaron que se descubrió que bacterias de la Tierra, en particular Deinococcus radiodurans , sobrevivían durante tres años en el espacio exterior , según estudios realizados en la Estación Espacial Internacional . Estos hallazgos respaldan la noción de panspermia . [ 42 ] [ 43 ]

Biorremediación

Los extremófilos también pueden ser útiles en la biorremediación de sitios contaminados, ya que algunas especies son capaces de biodegradar en condiciones demasiado extremas para las especies clásicas candidatas a la biorremediación. La actividad antropogénica provoca la liberación de contaminantes que pueden depositarse en ambientes extremos, como es el caso de los relaves y sedimentos liberados por la actividad minera en aguas profundas. [ 44 ] Si bien la mayoría de las bacterias serían aplastadas por la presión en estos ambientes, los piezófilos pueden tolerar estas profundidades y pueden metabolizar contaminantes de interés si poseen potencial de biorremediación.

hidrocarburos

Existen múltiples destinos potenciales para los hidrocarburos después de que un derrame de petróleo se haya asentado, y las corrientes los depositan habitualmente en entornos extremos. Se encontraron burbujas de metano resultantes del derrame de petróleo de Deepwater Horizon a 1,1 kilómetros por debajo del nivel de la superficie del agua y en concentraciones tan altas como 183 μmol por kilogramo. [ 45 ] La combinación de bajas temperaturas y altas presiones en este entorno resulta en una baja actividad microbiana. Sin embargo, se encontró que las bacterias presentes, incluidas especies de Pseudomonas , Aeromonas y Vibrio, eran capaces de biorremediación, aunque a una décima parte de la velocidad que lo harían a la presión del nivel del mar. [ 46 ] Los hidrocarburos aromáticos policíclicos aumentan su solubilidad y biodisponibilidad con el aumento de la temperatura. Las especies termófilas de Thermus y Bacillus han demostrado una mayor expresión génica para la alcano monooxigenasa alkB a temperaturas superiores a 60 °C (140 °F) . La expresión de este gen es un precursor crucial para el proceso de biorremediación. Se ha demostrado que los hongos que han sido modificados genéticamente con enzimas adaptadas al frío para tolerar diferentes niveles de pH y temperaturas son eficaces para remediar la contaminación por hidrocarburos en condiciones de congelación en la Antártida. [ 47 ]  

Rieles

Se ha demostrado que Acidithiobacillus ferrooxidans es eficaz en la remediación de mercurio en suelos ácidos debido a sugen merA que lo hace resistente al mercurio. [ 48 ] Los efluentes industriales contienen altos niveles de metales que pueden ser perjudiciales tanto para la salud humana como para la de los ecosistemas. [ 49 ] [ 50 ] En ambientes de calor extremo,se ha demostrado que el extremófilo Geobacillus thermodenitrificans gestiona eficazmente la concentración de estos metales dentro de las doce horas posteriores a su introducción. [ 51 ] Algunos microorganismos acidófilos son eficaces en la remediación de metales en ambientes ácidos debido a las proteínas que se encuentran en su periplasma, ausentes en cualquier organismo mesófilo, lo que les permite protegerse de las altas concentraciones de protones. [ 52 ] Los arrozales son ambientes altamente oxidativos que pueden producir altos niveles de plomo o cadmio. Deinococcus radiodurans es resistente a las duras condiciones del ambiente y, por lo tanto, es una especie candidata para limitar el alcance de la contaminación por estos metales. [ 53 ]

Se sabe que algunas bacterias también utilizan elementos de tierras raras en sus procesos biológicos. Por ejemplo, se sabe que Methylacidiphilum fumariolicum , Methylorubrum extorquens y Methylobacterium radiotolerans pueden utilizar lantánidos como cofactores para aumentar su actividad de metanol deshidrogenasa . [ 54 ] [ 55 ]

Drenaje ácido de minas

Antes (izquierda) y después (derecha) de un proyecto de limpieza del río Little Conemaugh [ 56 ]

El drenaje ácido de minas es una importante preocupación ambiental asociada a muchas minas de metales. Esto se debe a que esta agua altamente ácida puede mezclarse con aguas subterráneas, arroyos y lagos. El drenaje reduce el pH de estas fuentes de agua, pasando de un pH más neutro a un pH inferior a 4, similar a la acidez del ácido de batería o del ácido estomacal. La exposición a estas aguas contaminadas puede afectar gravemente la salud de plantas, humanos y animales. Sin embargo, un método de remediación eficaz consiste en introducir el extremófilo Thiobacillus ferrooxidans . Este extremófilo es útil por su capacidad de biolixiviación, ya que ayuda a descomponer los minerales presentes en las aguas residuales de la mina. Al descomponer los minerales, Thiobacillus ferrooxidans ayuda a neutralizar la acidez de las aguas residuales. Esta es una forma de reducir el impacto ambiental y contribuir a la remediación de los daños causados ​​por las fugas de drenaje ácido de minas. [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]

Contaminantes peligrosos derivados del petróleo en las regiones árticas.

Los microbios psicrófilos metabolizan hidrocarburos, lo que contribuye a la remediación de contaminantes peligrosos derivados del petróleo en las regiones ártica y antártica. Estos microbios específicos se utilizan en esta región debido a su capacidad para desempeñar sus funciones a temperaturas extremadamente bajas. [ 60 ] [ 61 ]

Materiales radioactivos

Cualquier bacteria capaz de habitar medios radiactivos puede clasificarse como extremófila. Por lo tanto, los organismos radiorresistentes son fundamentales en la biorremediación de radionúclidos. El uranio es particularmente difícil de contener cuando se libera en un medio ambiente y es muy dañino tanto para la salud humana como para la de los ecosistemas. [ 62 ] [ 63 ] El proyecto NANOBINDERS está equipando bacterias que pueden sobrevivir en ambientes ricos en uranio con secuencias genéticas que permiten que las proteínas se unan al uranio en los efluentes mineros, lo que facilita su recolección y eliminación. [ 64 ] Algunos ejemplos son Shewanella putrefaciens , Geobacter metallireducens y algunas cepas de Burkholderia fungorum . [ 65 ]

Se han encontrado hongos radiotróficos , que utilizan la radiación como fuente de energía, dentro y alrededor de la central nuclear de Chernóbil . [ 66 ]

También se ha observado radiorresistencia en ciertas especies de organismos macroscópicos. La dosis letal necesaria para matar hasta el 50 % de una población de tortugas es de 40 000 roentgens , en comparación con los 800 roentgens necesarios para matar al 50 % de una población humana. [ 67 ] En experimentos que expusieron insectos lepidópteros a radiación gamma , se detectó daño significativo en el ADN solo a 20 Gy y dosis superiores, en contraste con las células humanas que mostraron un daño similar a solo 2 Gy. [ 68 ]  

Ejemplos y hallazgos recientes

Se identifican con frecuencia nuevos subtipos de extremófilos y la lista de subcategorías para extremófilos está en constante crecimiento. Por ejemplo, la vida microbiana vive en el lago de asfalto líquido, Pitch Lake . Las investigaciones indican que los extremófilos habitan el lago de asfalto en poblaciones que oscilan entre 10⁶ y 10⁷ células /gramo. [ 69 ] [ 70 ] Asimismo, hasta hace poco, se desconocía la tolerancia al boro , pero se descubrió un borófilo fuerte en bacterias. Con el reciente aislamiento de Bacillus boroniphilus , los borófilos se convirtieron en tema de debate. [ 71 ] El estudio de estos borófilos puede ayudar a esclarecer los mecanismos tanto de la toxicidad como de la deficiencia de boro.

En julio de 2019, un estudio científico realizado en la mina Kidd de Canadá descubrió organismos que respiran azufre y que viven a 2400 metros (7900 pies) de profundidad. Estos organismos también son notables porque se alimentan de rocas como la pirita. [ 72 ] [ 73 ] [ 74 ] 

Biotecnología

La catalasa termoalcalófila , que inicia la descomposición del peróxido de hidrógeno en oxígeno y agua, fue aislada de un organismo, Thermus brockianus , hallado en el Parque Nacional de Yellowstone por investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho . La catalasa opera en un rango de temperatura de 30  °C a más de 94  °C y un rango de pH de 6 a 10. Esta catalasa es extremadamente estable en comparación con otras catalasas a altas temperaturas y pH. En un estudio comparativo, la catalasa de T. brockianus mostró una vida media de 15 días a 80  °C y pH 10, mientras que una catalasa derivada de Aspergillus niger tuvo una vida media de 15 segundos en las mismas condiciones. La catalasa tendrá aplicaciones para la eliminación de peróxido de hidrógeno en procesos industriales como el blanqueo de pulpa y papel, el blanqueo de textiles, la pasteurización de alimentos y la descontaminación de superficies de envases de alimentos. [ 75 ]

Varias empresas de biotecnología producen comercialmente enzimas modificadoras de ADN como la ADN polimerasa Taq y algunas enzimas de Bacillus utilizadas en diagnósticos clínicos y licuefacción de almidón. [ 76 ]

transferencia de ADN

Se sabe que más de 65 especies procariotas poseen la capacidad natural de transformar genéticamente el ADN, es decir, la capacidad de transferirlo de una célula a otra e integrarlo en el cromosoma de la célula receptora. [ 77 ] Varios extremófilos pueden realizar transferencias de ADN específicas de cada especie, como se describe a continuación. Sin embargo, aún no está claro cuán común es esta capacidad entre los extremófilos.

La bacteria Deinococcus radiodurans es uno de los organismos más radiorresistentes conocidos. Esta bacteria también puede sobrevivir al frío, la deshidratación, el vacío y el ácido, por lo que se la conoce como poliextremófila. D.  radiodurans es capaz de realizar la transformación genética . [ 78 ] Las células receptoras pueden reparar el daño del ADN en el ADN donante que ha sido irradiado con rayos UV con la misma eficacia con la que reparan el ADN celular cuando las propias células son irradiadas. La bacteria termófila extrema Thermus thermophilus y otras especies relacionadas de Thermus también son capaces de realizar la transformación genética. [ 79 ]

Halobacterium volcanii , una arquea extremadamente halófila ( tolerante a la salinidad ), es capaz de transformación genética natural. Se forman puentes citoplasmáticos entre las células que parecen utilizarse para la transferencia de ADN de una célula a otra en ambas direcciones. [ 80 ]

Sulfolobus solfataricus y Sulfolobus acidocaldarius son arqueas hipertermófilas. La exposición de estos organismos a los agentes dañinos del ADN, como la irradiación UV, la bleomicina o la mitomicina C, induce la agregación celular específica de la especie. [ 81 ] [ 82 ] La agregación celular inducida por UV de S. acidocaldarius media el intercambio de marcadores cromosómicos con alta frecuencia. [ 82 ] Las tasas de recombinación superan las de los cultivos no inducidos hasta en tres órdenes de magnitud. Frols et al. [ 81 ] y Ajon et al. [ 82 ] plantearon la hipótesis de que la agregación celular mejora la transferencia de ADN específica de la especie entre células de Sulfolobus para reparar el ADN dañado mediante recombinación homóloga. Van Wolferen et al. [ 83 ] observaron que este proceso de intercambio de ADN puede ser crucial en condiciones que dañan el ADN, como las altas temperaturas. También se ha sugerido que la transferencia de ADN en Sulfolobus puede ser una forma temprana de interacción sexual similar a los sistemas de transformación bacteriana mejor estudiados que implican la transferencia de ADN específica de la especie que conduce a la reparación recombinacional homóloga del daño del ADN (y véase Transformación (genética) ).

Las vesículas de membrana extracelulares (VM) podrían estar implicadas en la transferencia de ADN entre diferentes especies de arqueas hipertermófilas. [ 84 ] Se ha demostrado que tanto los plásmidos [ 85 ] como los genomas virales [ 84 ] pueden transferirse a través de las VM. Cabe destacar que se ha documentado una transferencia horizontal de plásmidos entre las especies hipertermófilas Thermococcus y Methanocaldococcus , pertenecientes respectivamente a los órdenes Thermococcales y Methanococcales . [ 86 ]

Véase también

Referencias

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