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Las bacterias en ambientes ricos en nutrientes reducen sus genes (y por qué saber eso ayuda en biomedicina y bioaplicaciones)

Saber cómo se adaptan las bacterias a su entorno abre líneas prometedoras en campos biotecnología, biomedicina o medioambiente. Un estudio del CEAB muestra que un ambiente rico en nutrientes favorece a las bacterias que han perdido genes implicados en procesos como la autoproducción de aminoácidos. Prescindir de genes les supone un ahorro energético y les da ventaja en esos contextos.  

Bacterias al microscopio. Imagen: CEAB-CSIC.Un estudio del Centro de Estudios Avanzados de Blanes (CEAB) del CSIC revela que la mayoría de bacterias (un 80%) puede fabricarse ellas mismas los aminoácidos necesarios para su supervivencia. El 20% restante no puede hacerlo y depende de la interacción con otros seres vivos o con el entorno para obtenerlos. Son los llamados organismos “auxótrofos”, que necesitan obtener compuestos esenciales para la supervivencia a través de la dieta (como los humanos).

La investigación revela que las bacterias auxótrofas proliferan en ambientes ricos en aminoácidos como, por ejemplo, el intestino humano o alimentos lácteos (quesos, yogures…). Estos entornos, en los que no faltan los nutrientes, favorecen la evolución de las bacterias hacia la pérdida de los genes responsables de producir los aminoácidos (que son la base de su ‘dieta’).

Josep Ramoneda, investigador del Centro de Estudios Avanzados de Blanes (CEAB-CSIC) y autor principal del artículo, explica que la razón es simple: “¿por qué esforzarse cuando lo tienes todo al alcance? Tener acceso permanente a un “buffet libre” hace que autoproducirse los aminoácidos deje de ser una ventaja”. Esos entornos, añade Ramoneda, “han favorecido una estrategia de optimización del genoma en la que las bacterias eliminan genes que no necesitan. Esto les sirve para minimizar costes energéticos y les ayuda a prosperar. Un ejemplo son los micoplasmas - bacterias que causan infecciones en el aparato respiratorio y las vías urinarias y genitales-, implicados en numerosas enfermedades, que obtienen aminoácidos de las células de los humanos a los que parasitan”.

“¿Por qué esforzarse cuando lo tienes todo al alcance? Tener acceso permanente a un “buffet libre” hace que autoproducirse los aminoácidos deje de ser una ventaja” 

Tal como revela el estudio, las bacterias que obtienen sus recursos del entorno tienen genomas más pequeños que las que son autosuficientes, y carecen de genes para otros procesos metabólicos, como los asociados a los azúcares o los lípidos. Esto sugiere que podría tratarse de una estrategia más amplia de racionalización del genoma, dicen los científicos, una estrategia que supone un gran ahorro energético para las bacterias y es la predominante en ecosistemas ricos en nutrientes. Al contrario, en la mayoría de entornos (y especialmente en los más extremos, carentes de nutrientes), la autosuficiencia sigue siendo la mejor opción.

Así, tal como señala Emilio O. Casamayor, investigador del CEAB-CSIC y coautor del estudio, “hemos descubierto que en ambientes acuáticos, como lagos de alta montaña o el océano, donde la disponibilidad de encontrar alimento es más difícil o intermitente, la estrategia de racionalizar el genoma no tiene éxito. Estos entornos favorecen a las bacterias que son autosuficientes”.

Casamayor añade: "nuestro trabajo ha sido posible gracias a la combinación de técnicas de secuenciación y computación masivas, que nos permiten abordar estudios de ecología predictiva en el mundo microbiano a grandes escalas, aproximaciones que teníamos vedadas hasta hace muy poco".

Los científicos analizaron más de 26.000 genomas bacterianos y 3.800 metagenomas de ambientes naturales como suelos, océanos, lagos, plantas de tratamiento de aguas, microbiota humana y vegetal, y alimentos como la masa madre o el queso. El objetivo era relacionar genes, estrategias de supervivencia y entorno.

Una investigadora del CEAB-CSIC trabajando en el laboratorio de ADN del centro.

Aplicaciones biotecnológicas, agrícolas, ambientales…

Los modelos resultantes “mejoran la comprensión de las condiciones que necesitan muchos microorganismos que todavía no se han conseguido cultivar en laboratorio”, explican los científicos. Esto tiene un gran potencial biológico, genético y químico. Entre ellos, hay ejemplos de nuevos fármacos, como es el caso de la rapamycina, que proviene de una bacteria Streptomyces de la isla de Rapa Nui, descubierto en la década de los 70.

También hay aplicaciones en el ámbito de los microbiomas y de los inoculantes microbianos para agricultura. “Muchos inoculantes de cócteles microbianos en agricultura no están a la altura de las expectativas porque se adaptan mal y tienen mala supervivencia en el campo”, dicen los científicos. “Nuestras predicciones pueden ayudar al desarrollo más eficiente de inoculantes. Esto también tiene interés para el diseño efectivo de probióticos humanos.”

Por otro lado, “hay muchísimas especies microbianas de las que no tenemos información; nuestros modelos, la descripción de los rasgos funcionales de las especies microbianas, podrían abrir la puerta a descubrir nuevos organismos o metabolismos de interés biotecnológico”

Desde el punto de vista medioambiental, la investigación puede servir para la predicción y el control de invasiones, algo que está “bien establecido en animales y plantas, pero totalmente retrasado en microbios”. Si se conocen las preferencias ambientales de los microorganismos, se pueden establecer modelos de distribución de especies concretas, o predecir invasiones ecológicas, como las mareas rojas, o patógenos de plantas. “Tenemos mucha conciencia sobre las especies invasoras macro, pero nada a escala micro”, apunta Josep Ramoneda.

Además del CEAB-CSIC, el artículo científico, publicado en Nature Communications, cuenta con participación de investigadores de las Universidades de Colorado (EEUU), Aalborg (Dinamarca) y el Lawrence Berkeley Lab (EEUU).

 

Comunicación CSIC Cataluña / Comunicación CEAB-CSIC