… descende, audax viator, et terrestre centrum atinges
… desciende, viajero audaz, y llegarás al centro de la Tierra
Julio Verne. Viaje al centro de la Tierra

Los humanos necesitamos alimento para vivir y nuestra cultura ha llevado esta necesidad a complejidades de la talla del mole. Nos gusta cocer, freír, caramelizar, hervir, moler, asar, diluir, sofreír y hacerla de alquimista dentro del laboratorio de química que llamamos cocina, para disfrutar de una buena comida. ¿Qué pasaría si sólo tuvieras piedras y agua para hacer comida? A 2.8 km debajo de la superficie terrestre vive una bacteria que lleva varios miles de años aislada de cualquier otro tipo de vida y de la luz del Sol, solamente con rocas y agua en su ambiente. A pesar de ello este organismo se las ingenia para hacer comida, crecer y reproducirse. Y todas sus recetas están escritas en su genoma.

La vida como no la conocemos

Casi toda la vida en la Tierra depende de una u otra manera de la fotosíntesis. Las plantas y muchas bacterias la utilizan para constituir su alimento, para hacer nuevas moléculas que sean más que la suma de sus partes. Usan por ejemplo la energía del Sol para juntar diferentes moléculas de poco provecho energético como el dióxido de carbono (CO2) y el agua, y formar una que les rendirá energía posteriormente en otros procesos metabólicos. Además, estos paquetes de energía fluyen entre el resto de los organismos en relaciones de mutuo beneficio como la simbiosis, el parasitismo o comerse a alguien más entero o en cachitos.

Un grupo de geólogos pertenecientes a distintas universidades de Estados Unidos, Canadá y Taiwan, liderados por Tullis C. Onstott de la Universidad de Princeton, decidieron buscar cómo es la vida para las bacterias que no están expuestas a la luz desde hace millones de años, y por lo tanto deben de tener una forma de vida muy diferente a la del resto de los organismos.

Un buen lugar para buscar a un ser así de extraordinario sería una mina, pero la exigencia científica no se conformaría con cualquier mina, el Dr. Onstott decidió explorar la mina de oro más profunda del mundo, la mina de Mponeng, que en lenguaje Sotho significa “mírame”. Esta mina se encuentra en Sudáfrica y es un conglomerado de cuarzo, uranio y oro formado hace 2.7 miles de millones de años.

Las rocas y el sedimento de esta mina han alterado su profundidad, se han calentado y enfriado varias veces durante los últimos millones de años. Estos cambios suelen crear huecos o fracturas dentro de las diferentes capas de sedimento acumulado durante miles de millones de años, y le dan forma a la mina, pues movilizan las reservas de agua que pueden entrar, salir o quedarse atrapadas durante millones de años. Los geólogos que buscaban encontrar una extraña forma de vida lejos de la luz del Sol y la fotosíntesis, la buscaron dentro de una de estas fracturas.

Un descenso que es un viaje en el tiempo

Conforme los investigadores bajaban por los ascensores y los túneles de la mina de Mponeng, iban dejando atrás, desde los primeros metros, el descubrimiento de América, la peste negra, la segunda y la primera guerra mundial. Siguieron descendiendo hasta la migración de nuestros ancestros desde África, la aparición de grandes pastizales que fueron poblados por vez primera por caballos y antílopes, y el surgimiento del istmo de Panamá desde el fondo oceánico. Pasaron también de largo por la evolución de las ballenas y los primates, y la formación de los Himalaya, y después de una hora de recorrido se encontraron a 2.8 km por debajo de la superficie. Los mineros que trabajan en esta parte de la mina se enfrentan a un verdadero reto debido a un fenómeno llamado gradiente geotermal, la temperatura aumenta al mismo tiempo que la profundidad, al grado que es necesario bombear desde la superficie 6,000 toneladas de hielo y sal para mantener la temperatura de los túneles a 28 °C.

Los túneles son un sauna, muy lejano del ambiente ideal para trabajar, y las reservas de agua que están dentro de la mina, con una temperatura promedio de 56 °C, tampoco se pueden describir como hospitalarias. A pesar de ello, este ambiente es el hogar de una especie singular de bacteria a la que le llaman Candidatus Desulforudis audaxviator. El nombre audax viator, que se traduce como “viajero audaz”, está precisamente inspirado en la novela de Julio Verne, Viaje al centro de la Tierra, pues esta bacteria atravesó por algo semejante a lo que les sucedió a los personajes de Julio Verne: junto con el agua en que habitaba, inició un largo e involuntario viaje para el que afortunadamente y sin saberlo, estaba preparada. Los geólogos calculan que el agua y el viajero audaz “viajaron” entre 40 y 100 millones de años atrás; más o menos hasta cuando un gran meteorito inició la extinción de los dinosaurios.

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Mineros rompiendo la roca en la mina de Mponeng. Graeme Williams/The New York Times/Redux

Una bacteria que no entra en el laboratorio

El principal problema para el estudio de las bacterias cuyo ecosistema es de los más complicados de imaginar para nosotros, es justo éste. Los microbiólogos se limitan a replicar las condiciones de vida de los diferentes organismos para poder estudiarlos y utilizan técnicas especializadas para cada tipo: para las bacterias que necesitan vivir sin oxígeno, un ambiente cerrado; para las bacterias que viven en los intestinos, medios de cultivo a base de sangre y corazón de res; para algunas bacterias patógenas hay hasta medios con publicidad engañosa como el agar chocolate, hecho a base de sangre coagulada, de ahí su nombre.

Pero no sólo a nuestro viajero audaz le gustan los extremos, hay bacterias que viven en minas de ácido, con un pH cercano a uno, eso es diez veces más ácido que la batería de un coche. Otras viven en las ventilas hidrotermales en el fondo del mar, donde las temperaturas van de los 80 a los 120 °C. Algunas otras pueden crecer mientras reciben radiación nuclear. Si los microbiólogos quisieran replicar todos estos medios, sus laboratorios serían una colección de trampas mortales bastante costosas. Se estima que cerca del 90% de las especies de bacterias que existen no se pueden cultivar en el laboratorio.

La mejor manera que tienen los científicos de estudiar estas bacterias es secuenciando todo su ADN; es decir, su genoma. No es que busquen el ADN de una bacteria en particular, muchas veces no tienen ni siquiera idea de cuáles o cuántas especies bacterianas hay, sino que intentan obtener las secuencias de todos los microorganismos del ecosistema donde habitan. Este proceso es llamado metagenómica.

En el caso específico del agua de la mina de Sudáfrica, extrajeron cerca de 5,600 litros. Toda esta agua la pasaron a través de un filtro lo suficientemente pequeño para no dejar pasar a las bacterias y otros microorganismos que pudieran vivir allí. Las células que recuperaron fueron sometidas a diferentes procesos para separar sus componentes. Les pusieron detergentes para romper las membranas, las centrifugaron para separar las proteínas, les agregaron diferentes solventes para quitar los lípidos, y siguieron varios pasos para después quedarse sólo con el ADN.

Al llegar a este punto, el ADN que se obtiene está partido en cachos. Esto no es un problema, ya que la secuenciación –el proceso de determinar el orden de los nucleótidos que son los componentes del ADN– se hace por pedazos muy pequeños. Los investigadores utilizaron dos técnicas diferentes: una llamada secuenciación tipo Sanger que logra leer la secuencia en tramos de mil nucleótidos en promedio, y otra llamada pirosecuenciación, que lee cachos de un poco más de cien nucleótidos.

Todos estos tramos se van comparando unos con otros utilizando software especializado. Lo que se busca hacer es encontrar tramos que se sobrepongan y así armar la secuencia de los replicones presentes; es decir, de cada molécula de ADN individual, de cada cromosoma y de cada plásmido, que son cromosomas pequeños casi siempre circulares que tienen las bacterias. En un ecosistema más diverso esta tarea sería prácticamente imposible. Cada genoma es un rompecabezas con miles de piezas e intentar obtener los genomas completos de un ecosistema como el intestino humano, por ejemplo, donde llegan a vivir hasta mil especies, sería como armar mil rompecabezas de miles de piezas cada uno al mismo tiempo. Es demasiada información para interpretar. Los investigadores ya habían averiguado por precaución que en esta agua había muy pocas especies de bacterias, aunque no se imaginaban que era sólo una. Gracias a la poca diversidad lograron conocer toda la secuencia de ADN de audax viator, o sea su genoma, cuyo tamaño es de 234 mil pares de bases nucleotídicas. En él se encuentra descrito todo un ecosistema.

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El viajero audaz visto desde un microscopio electrónico de barrido. Esta bacteria tiene una forma cilíndrica, claramente distinguible. Fotografía de Chivian et al. Science 2008

Viviendo sin luz y sin oxígeno

Todos recordamos alguna escena de películas o dibujos animados donde un científico loco utiliza la energía de un rayo en plena tormenta para darle vida a una creación monstruosa de su autoría. Como bien sabía Mary Wollstonecraft Shelley, la autora de Frankenstein o el moderno Prometeo, la electricidad forma una parte indispensable de la vida, tanto de la humana como la de las bacterias o los insectos. Cualquier tipo de vida utiliza electricidad, claro que a diferentes escalas, pero probablemente no hay ningún organismo que se beneficie de la descarga directa de un relámpago.

La electricidad es simplemente un flujo de electrones, un flujo de cargas eléctricas, y es necesaria para la vida. Las plantas utilizan este flujo de electrones junto con la luz solar para echar a andar una maquinaria molecular que convierte el CO2 en azúcares que le sirven de alimento. ¿Cómo obtiene su alimento el viajero audaz sin tener una fuente de energía tan grande como el Sol?: utiliza la radioactividad. Pero esto no significa que esta bacteria sea un reactor nuclear, simplemente se beneficia de fuerzas radioactivas para obtener su comida. Las plantas utilizan normalmente el oxígeno como receptor de electrones para iniciar la corriente eléctrica, pero encerrado en las profundidades, el viajero audaz no tiene oxígeno disponible, sólo sulfito, una mezcla de dos moléculas de hidrógeno y una de azufre (H2S). Esta molécula tampoco es muy útil, pues su carga es neutra y por lo tanto no puede tomar parte en una corriente eléctrica. Pero en su hábitat también hay uranio, que es ligeramente radioactivo y libera energía constantemente. Esta energía en forma de electrones (moléculas con carga negativa) suele interaccionar con el agua atrapada en la mina haciendo que pierda un hidrógeno, cambiando el agua, H2O, a peróxido de hidrógeno, HO. Esta molécula interacciona con el sulfito y forma sulfato SO4 -2, el -2 que se encuentra en la fórmula de la molécula significa que tiene una carga negativa muy fuerte. El viajero audaz puede entonces utilizar esta diferencia de cargas del sulfato con el hidrógeno liberado de la molécula de agua para iniciar una corriente eléctrica y echar a andar toda su maquinaria molecular.

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El inicio eléctrico del metabolismo del viajero audaz. Adaptado de microbewiki.

Pero la vida es más que electricidad. Los organismos vivos, incluso los que viven encerrados durante millones de años a varios kilómetros de profundidad, necesitan carbono y nitrógeno para sobrevivir. Si bien hay carbono disponible en el medio, el análisis del genoma del viajero audaz muestra todos los componentes necesarios para incorporar el carbono, otros elementos y moléculas necesarias, como los nucleótidos que forman el ADN, de sus compañeros muertos. Como muchos otros viajeros audaces, esta bacteria es canibal.

Si bien en los nucleótidos de sus congéneres hay bastante nitrógeno, el viajero audaz que necesita más para formar más nucleótidos y aminoácidos, lo toma del ambiente, N2, y lo incorpora a nuevos aminoácidos; y por cierto, tiene también la capacidad de sintetizarlos todos.

Los geólogos que llevaron a cabo este estudio no se quedaron durante meses a estudiar a Desulforudis audaxviator y cómo interaccionaba con su ambiente. Simplemente tomaron una muestra del medio, analizaron el ADN que contenía y pudieron decir con todo detalle cómo era la vida en un lugar que nadie había estudiado jamás.

Bibliografía
1. Dylan Chivian et al., “Environmental Genomics Reveals a Single-Species Ecosystem Deep Within Earth”, Science, vol. 322, 10 de octubre de 2008.
2. Li-Hung Lin et al, “Long-Term Sustainability of a High-Energy, Low-Diversity Crustal Biome”. Science, vol. 314, 20 de octubre de 2006.
3. Clark, D. P, Dunlap, P. V., Madigan, M. T., Martinko, J. M., Brock Biology of Microorganisms, Pearson, San Francisco, 2010.
4. http://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Desulforudis_audaxviator


 

Originalmente publicado en Cienciorama.

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