VIVIENDO EN LOS EXTREMOS

Organismos Extremófilos:

“Los posibles precursores de la vida…”

FUNDAMENTACIÓN:

Hace unos 50 años, los científicos pensaban que la Vida, por definición, sólo podía existir en un número muy limitado de ambientes. Sin embargo, se a ido encontrado Vida en prácticamente todos los rincones que se han explorado y así, los científicos han reconocido que lugares que se habían asumido como estériles, están llenos de vida. Actualmente sabemos que todos los ambientes considerados "inhabitables" por el hombre son colonizados por determinados organismos que son perfectamente capaces de adaptarse a esos nichos ecológicos (escasez de agua, altas temperaturas, frío, etc). Estos organismos son los denominados “Extremófilos”.

Y, aunque parezca una cuestión de respuesta evidente, cabe preguntarse: ¿qué es "extremo"? Extremo es, en principio, un término relativo, ya que lo "extremo" ha de definirse en función de un punto de comparación y, en nuestro caso, la referencia está en lo que es "normal para el ser humano". En resumen, estamos ante un vocablo con el que pretendemos definir la aptitud de ciertos seres vivos para desarrollarse en condiciones físicas y químicas insoportables para el hombre (y, por comparación, para la mayor parte de los organismos vivientes).

A estos organismos podemos dividirlos en varias categorías: termófilos, psicrófilos, acidófilos, alcalófilos, halófilos, barófilos... de forma que ya se indica claramente la naturaleza de su hábitat predilecto (calor, frío, acidez, alcalinidad, salinidad, presión). Estos hábitats incluyen manantiales calientes, sistemas hidrotermales submarinos poco profundos o sistemas de aberturas termales abisales (donde pueden encontrarse microorganismos a temperaturas sobre 100ºC). También se encuentran organismos extremófilos en lagos salinos, a veces en condiciones de salinidad casi de saturación, y en ambientes con valores del pH extremos, sea ácido (zonas de solfataras), o alcalino (fuentes carbónicas, tierras alcalinas, lagos de Carbonato de Sodio). Los hábitats de los organismos psicrófilos incluyen los mares y tierras polares fríos y los glaciares Alpinos, así como sedimentos del fondo del mar.

Es bastante frecuente que estos organismos vivan en biotopos que combinan dos o más factores extremos, por ejemplo temperatura alta y condiciones ácidas, o baja temperatura y alta presión. Y, no de forma casual, como veremos más adelante, la mayoría de estos organismos extremófilos son microorganismos (fundamentalmente procariotas, pero también algunos eucariotas).

El interés general en este "original" grupo de organismos se ha multiplicado desde que se aislaron los primeros de ellos en ambientes que anteriormente habían sido

considerados imposibles para la vida. Como resultado de todo este "boom" la ciencia se ha visto obligada a revisar los anteriores conceptos acerca de la biodiversidad (sobre todo en el caso de los microorganismos) y se ha tenido también que replantear ciertos conceptos acerca del origen de la vida, su evolución y limitaciones en la Tierra.

Los extremófilos presentan un interés científico diversificado. De entrada, son frecuentemente taxones nuevos que en el momento de su descubrimiento vienen a completar el conocimiento filogenético de los seres vivos y también a enriquecer los debates relativos al origen y a los límites de la vida. Además, sus biomoléculas son necesariamente resistentes a las condiciones agresivas de su entorno, lo que desemboca en intensos trabajos para intentar comprender los mecanismos íntimos de resistencia, pero también para estudiarlos en la perspectiva del desarrollo de aplicaciones industriales (entre las que la PCR -Polymerase Chain Reaction- constituye el más bello ejemplo de la situación actual).

CLASIFICACIÓN

Un intento de clasificación exhaustiva de los distintos tipos de organismos extremófilos puede representar un trabajo complicado y lleno de matices que no es asunto prioritario en esta exposición. Tengamos en cuenta que, dentro del "saco" de los Extremófilos cabe cualquier tipo de ser vivo que se aparte en sus parámetros vitales de lo que, como ya hemos apuntado, consideramos "normal para el hombre". Esto abarcaría un buen número de datos a considerar, por lo que hemos decidido centrarnos en los organismos que, según la perspectiva actual, parecen más interesantes desde el aspecto puramente científico o industrial.

Para intentar esbozar una clasificación de los organismos extremófilos podemos adoptar dos enfoques básicos.

Podríamos hablar de Extremófilos Eucariotas y de Extremófilos Procariotas, y dentro de estos últimos, de Extremófilos en el Dominio Archaea y de Extremófilos en el Dominio Bacteria.

Pero, como ya hemos visto, la extremofilia puede estar referida a diversos parámetros (temperatura, presión, pH, etc) que, permitiendo referencias comparativas por oposición, tal vez puedan representar una clasificación más "práctica" y comprensible a la hora de catalogar los distintos grupos de estos organismos.

Clasificándolos así según:

Temperatura-PH-Oxigeno-salinidad-presión (donde desarrollaremos solo dos de las clasificaciones debido a que estas son las mas relacionadas con los temas de la cursada)

Temperatura

A medida que la temperatura ambiente aumenta, la velocidad a que se desarrollan las reacciones enzimáticas aumenta de forma proporcional, lo que implica un desarrollo más rápido del organismo. Esto sucede hasta llegar a una temperatura máxima, por encima de la cual ciertos componentes de la célula comienzan a degradarse de forma irreversible (desnaturalización de proteínas y ácidos nucleicos, colapso de la membrana citoplasmática, etc), el crecimiento cesa y sobreviene la muerte celular.

En sentido contrario, a medida que la temperatura disminuye, la velocidad de las reacciones enzimáticas disminuye y, por lo tanto, el crecimiento celular se hace cada vez más lento hasta que al llegar a una temperatura mínima, cesa completamente. En este punto nos encontraremos con un descenso excesivo en la fluidez de la membrana que provoca una pérdida del gradiente de protones y un bloqueo en el transporte de nutrientes.

Entre estos dos extremos nos encontramos con una temperatura óptima que es aquella en la que, para cada microorganismo, las reacciones enzimáticas tienen lugar a la mayor velocidad posible y el crecimiento celular tiene lugar de la forma más rápida. En este punto, si el resto de las condiciones ambientales son las adecuadas, se encuentra el punto ideal de desarrollo del organismo

Tasa de crecimiento en función de la temperatura, E. coli

Los microorganismos Termófilos (T máx 55-80ºC) e Hipertermófilos (T máx 80-110ºC) conocidos en este momento son casi todos procariotas que pertenecen a los dominios Archaea (Archaeabacteria) y Bacteria (Eubacteria).

En relación con la temperatura óptima podemos distinguir cuatro grupos de organismos :

Psicrófilos, con temperaturas óptimas bajas. Un ejemplo sería Flavobacterium sp, cuya temperatura óptima es 13ºC

Mesófilos, con temperaturas óptimas medianas. Sería el caso de Escherichia coli con una temperatura óptima de 39ºC

Termófilos, con temperaturas óptimas altas. Un ejemplo puede ser Bacillus stearothermophilus con una temperatura óptima de 60ºC

Hipertermófilos, con temperaturas óptimas muy altas. Como ejemplo tenemos Pyrodictium brockii con una temperatura óptima de 105ºC

Psicrófilos (-10°C a 20°C)

Los océanos, que ocupan gran cantidad de la superficie terrestre, mantienen una temperatura media de 5ºC, y en sus profundidades se han medido temperaturas constantes de 1º-3ºC. Las grandes extensiones polares permanecen congeladas de forma prácticamente continua. En estos ambientes "extremadamente" fríos se pueden encontrar organismos en casi cualquier lugar en el que haya agua líquida. Existen también zonas de climas continentales que, aunque en verano marquen temperaturas de 40ºC, pueden llegar en invierno a -20ºC. Dada su alta variabilidad, estos ambientes son menos adecuados para los organismos psicrófilos que las zonas polares o las profundidades del océano.

Chlamydomonas nivalis es un alga microscópica que aparece frecuentemente en grandes cantidades en zonas de nieve dándole a ésta un intenso color verde o rojo. Se supone que esto es debido a que vive en el interior de las capas de nieve en estado vegetativo, o sea, verde, y cuando las condiciones se vuelven intolerables, esporula en grandes cantidades y sus esporas son de color rojo. Este tipo de algas, las podemos encontrar en los picos de las montañas, en las cuales las bajas temperaturas constantes les hacen posible la vida permanentemente a este organismo, y siempre en modo de alga.

De cualquier manera, no hay que olvidar que hay un límite por debajo del cual no es posible el crecimiento de ningún organismo: el punto de congelación del agua, que está en 0ºC (aunque el agua de mar, por la presencia de sales, se congela a -2.5ºC).

Mesófilos (10°C a 50°C)

En este rango estaríamos hablando de la "normalidad". Aquí por lo tanto se incluyen la mayoría de los seres vivos y, por descontado, las bacterias, incluidos todos los patógenos de los mamíferos. Su T. opt se sitúa entre 20°C y 45°C. Algunos muestran un crecimiento lento a más bajas temperaturas, sobre todo microbios del suelo que muy a menudo deben sobrevivir en temperaturas extremas para su estándar.

Termófilos (40°C a 70°C) e Hipertermófilos (60°C a 110°C)

Llamamos termófilos a los organismos cuya temperatura óptima de crecimiento está por encima de 45ºC e hipertermófilos (estenotermófilos) a aquellos cuya temperatura óptima está por encima de 80ºC.

Aunque hay zonas en la naturaleza en las que se puede alcanzar fácilmente estas altas temperaturas (suelos con alta exposición al sol, pilas de abono, etc), las temperaturas extremas suelen estar asociadas a fenómenos volcánicos. No es difícil que un arroyo caliente llegue a 90ºC, una fumarola volcánica a 200ºC o una fumarola hidrotermal del fondo del océano a 300ºC.

Por esta y otras razones, el parque nacional de Yellowstone en Wyoming (USA) ha sido desde hace bastantes años lugar predilecto de muchos investigadores para desarrollar sus trabajos sobre los organismos termófilos. Allí, un manantial caliente cuya agua brote a 90ºC, se va enfriando a medida que corre, creando un gradiente de temperatura a lo largo del cual crecen diferentes especies de organismos distribuidos en función de su tolerancia a las diferentes temperaturas.

Los investigadores encontraron, para su asombro, que incluso los manantiales más calientes mantenían vida. A finales de los 1960 identificaron el primer extremófilo capaz de crecimiento a temperaturas mayor que 70ºC. era una bacteria, Thermus aquaticus, que haría posible después el uso extendido de una tecnología revolucionaria (polymerase chain reaction = PCR). Aproximadamente en esa misma época, el equipo encontró los primeros hipertermófilos en un arroyo sumamente caliente y ácido. Este organismo, el archaea Sulfolobus acidocaldarius, crece prolíficamente a temperaturas tan altas como 85ºC.

Brock defendió tras sus estudios que las bacterias pueden funcionar a temperaturas más altas que los eucariotas y predijo que probablemente se encontrarían microorganismos dondequiera que existiese el agua líquida. Otros trabajos, incluidas las investigaciones que desde finales de los 1970 ha realizado los científicos en manantiales más calientes y en los ambientes alrededor de las aberturas hidrotérmicas del fondo del mar, han prestado fuerte apoyo a estas ideas. Las aberturas hidrotérmicas, a veces llamadas fumadores, son esencialmente chimeneas

rocosas submarinas naturales a través de las que hace erupción el hirviente fluido rico en mineral tan caliente como 350ºC.

Evidentemente, las enzimas y otras proteínas de termófilos e hipertermófilos son mucho más estables que las de los organismos normales y funcionan perfectamente a elevadas temperaturas. Parece ser que las diferencias en las secuencias de sus aminoácidos no son demasiado grandes, pero algún pequeño cambio en ciertos puntos clave, consigue diferencias en los plegamientos de las cadenas de polipéptidos que son fundamentales en la resistencia al calor. Los ribosomas y otros orgánulos encargados de las síntesis de proteínas son mucho más estables a altas temperaturas, al igual que su membrana citoplasmática, que en el caso de los termófilos, es rica en ácidos grasos saturados que las hacen mucho más funcionales y estables al calor. En el caso de los hipertermófilos, Archaea en su mayoría, sus membranas no están formadas por ácidos grasos sino por fitanoles (hidrocarburos de cadena larga formados por encadenamientos de fitano).

El más resistente al calor de estos microbios, Pyrolobus fumarii, crece en las paredes de las fumarolas hidrotermales submarinas. Se reproduce mejor en un ambiente de aproximadamente 105ºC y puede multiplicar en temperaturas de hasta 113ºC. Curiosamente, deja de crecer a temperaturas por debajo de 90ºC.

Otro hipertermófilo que vive en chimeneas del fondo del mar, el archaea productor de metano Methanopyrus spp, está atrayendo ahora mucha atención porque está muy cercano a la raíz del árbol de la vida; se espera que el análisis de sus genes y su actividad ayuden a clarificar cómo las células más tempranas del mundo sobrevivían.

Adaptaciones moleculares a la termofilia

La idea básica es poseer proteínas más estables a temperaturas elevadas y enzimas termorresistentes.

En el caso de los organismos termófilos e hipertermófilos, las proteínas se condensan para excluir el agua de su interior, tienen un grado más alto de hidrofobicidad, tienen las cadenas de ácidos grasos más saturadas y más largas (en los archaea están unidas por éter, y son cadenas de ácidos grasos ramificadas que todavía son más hidrófobas).

Cuando se cambia la temperatura de crecimiento en un rango normal, las células no exhiben cambios de composición significativos. Sin embargo, cambios en los rangos extremos se acompañan típicamente por algunas alteraciones. Los cambios a temperatura alta induce la producción de unas 24 proteínas, incluyendo muchas proteasas, chaperones, etc. Los cambios para bajas temperaturas también inducen un

juego especial de proteínas que difieren de las proteínas resistentes al calor. La temperatura baja causa un cambio en los ácidos grasos con más enlaces dobles (poli-insaturados); algunas especies también disminuyen la longitud de las cadenas ácidas grasas. Estos cambios ayudan a mantener la fluidez de los lípidos a temperatura baja lo que a su vez ayuda a mantener la funcionalidad de las proteínas de membrana.

También la maquinaria encargada de sintetizar las proteínas (ribosomas, etc) es en conjunto mucho más estable en estos organismos, al igual que la membrana citoplasmática.

Aunque el conocimiento actual sugiere que el límite de la vida es de 150º c, como es propio de las ciencias naturales, no se puede asegurar que esto sea asi, “es verdad hasta que se demuestre lo contrario”. Sobre esta temperatura, probablemente ninguna forma de vida podría prevenir la disolución de los enlaces químicos que mantienen la integridad del ADN y otras moléculas esenciales.

Los investigadores interesados en cómo la estructura de una molécula influye en su actividad está intentando entender cómo las moléculas en los organismos extremófilos permanecen funcionales bajo condiciones que destruyen moléculas equivalentes en organismos adaptados a condiciones menos extremas. Ese trabajo todavía está en marcha, aunque parece que las diferencias estructurales no necesitan ser dramáticas. Por ejemplo, varias extremozimas adaptadas al calor se parecen a sus similares "normales" en estructura aunque parece que contienen más enlaces iónicos y otras fuerzas interiores que ayudan estabilizar todas las enzimas.

Cuando Mullis inventó la técnica, las polimerasas procedían de microorganismos no termófilos y por eso dejaban de funcionar correctamente en las fases de alta temperatura. Los técnicos tenían que rellenar las enzimas a mano después de cada ciclo. Para intentar resolver el problema, a finales de los años 80, científicos de Cetus probaron a utilizar T. aquaticus (descubierto por Brock unos 20 años antes) y aislaron la ADN polimerasa del microbio (Taq polimerasa). Su alta tolerancia al calor llevó al desarrollo de una tecnología de la actual PCR totalmente automatizada.

Organismos extremófilos: el pH

Recordemos que el pH es una función logarítmica que define la cantidad de iones H presentes en una solución y se mide sobre una escala en la que, considerando que el pH neutro es 7, llamamos pH ácido a los valores inferiores a 7 y pH alcalino a los superiores a 7.

Como punto de partida hay que recordar que, independientemente del valor de pH del entorno en que viva un organismo (pH extracelular), el pH del interior de las células (pH intracelular) ha de estar siempre cerca de la neutralidad para que no se produzca la destrucción de macromoléculas lábiles (sólo en el caso de algunos organismos que viven en ambientes de pH extremo se dan variaciones de 1-1.5 unidades sobre el pH neutro en su pH intracelular).

De forma muy similar a lo que ya vimos en el caso de la temperatura, cada organismo tiene un rango muy definido de pH en el que puede desarrollarse (pH óptimo); en la gran mayoría de los casos este pH está cercano a 6. Pocas especies pueden vivir alejadas de ese valor y muy pocas pueden hacerlo en pH inferiores a 2 ó superiores a 10.

Las células mantienen un pH interior constante sin importar el pH externo, y la mayoría de los neutrófilos tiene valores de pH intracelulares (pHi) que están cerca de la neutralidad (E. coli tiene pHi = 7.6). Sin embargo, este pH interior es inconstante, con acidófilos que tiene algo más bajo su pHi (sobre 6.5) y alcalófilos que tienen el pHi sobre 8.0

Intercambiando H+ y K+ por la membrana puede establecerse un diferencial de pH adecuado. La entrada de K+ reduce el potencial de carga de la membrana, e intercambiando H+ por K+ a través de la membrana se consigue el del pH del citoplasma.

Los Acidófilos deben mantener un DpH muy grande a través de la membrana celular, dado que el pH interior es aproximadamente 6.5 y el pH externo óptimo está sobre pH 2. La entrada de K+ a costa de ATP (K+ ATPase) se usa probablemente para mantener invertido el potencial químico.

Los Alcalófilos viven en ambientes ricos en carbonato sódico y se encuentran en situación opuesta, dado que constantemente deben bombear H+ en la célula para mantener el pH bajo en relación al pH externo alto. La síntesis de ATP en los alcalófilos es un problema particular, y la respuesta a este dilema no está completamente clara, pero puede ser que el flujo de H+ local sea más importante que los efectos de los H+ global; la respiración podría acoplar directamente a la ATP sintetasa para entregar protones para la síntesis de ATP.

Los alcalófilos usan probablemente un sistema antiportador de Na+/H+ para mantener el pH interior bajo. Se usan los protones generados por las actividades respiratorias para bombear Na+ fuera de la célula. A cambio, se usa el gradiente de Na+ para bombear solutos, etc. en la célula vía transporte de Na+, completando el circuito.

Las bacterias, y otros organismos no procariotas, tienen capacidades notables de adaptación y, bioquímica y fisiológicamente, admiten condiciones de crecimiento que van de pH 1 a pH 11.

En función de ésto podemos distinguir tres grupos de organismos:

Acidófilos crecen a pH 1-5 Neutrófilos crecen a pH 6-8 Alcalófilos crecen a pH 9-11

Acidófilos

Los organismos que pueden crecer a pH bajos se denominan acidófilos.

En líneas generales, los hongos toleran mucho mejor que las bacterias los pH ácidos. Muchos tienen su punto óptimo en pH 5 pero, sin embargo, muy pocos crecen a pH Hay también algunas bacterias y Archaeas acidófilas e incluso las hay acidófilas obligadas, incapaces de desarrollarse a pH neutro. De estas últimas tenemos ejemplos como algunas bacterias del género Thiobacillus o Archaeas del género Sulfolobus o Thermoplasma.

Los ambientes muy ácidos pueden ser el resultado natural de actividades geoquímicas (como la producción de gases sulfurosos en las aberturas hidrotermales y en algunas fuentes termales) y de las propias actividades metabólicas de cierto acidófilos. También se encuentran acidófilos en los residuos extraídos de las minas de carbón. Las moléculas defensivas que proporcionan esta protección, así como otras que entran en contacto con el entorno, deben poder operar en acidez extrema. De hecho, las extremozimas que puede trabajar a un pH por debajo de uno (más ácido que el vinagre o los fluidos del estómago) se han aislado de la pared celular y de la membrana subyacente de algunos acidófilos.

Las aplicaciones potenciales de las extremozimas ácido-tolerantes van desde los catalizadores para la síntesis de compuestos en soluciones ácidas a los aditivos para alimentos de animales ya que se piensa que funcionan perfectamente en sus estómagos. Cuando se agregan a ciertos alimentos, las enzimas mejoran su digestibilidad y evitan la necesidad de comida más cara.

Alcalófilos

Son los organismos que tienen su pH óptimo entre 10 y 11.

Los Alcalófilos viven en suelos sobrecargados con bicarbonato y en los llamados lagos de sosa, como los que se encuentran en Egipto, el Rift Valley en Africa y en los EE.UU. occidentales. Con un pH 8 o superior, ciertas moléculas se degradan, por consiguiente, los Alcalófilos, igual pero en caso inverso que los acidófilos, mantienen la neutralidad en su interior, y sus extremozimas se localizan en o cerca de la superficie de la célula y en secreciones externas. La mayoría de ellos pertenecen al género Bacillus.