El origen de las especies que Darwin nunca vió

Las bacterias fuerón las primeras que aprendieron a “reciclar” el polvo de estrellas del que estamos hechos: CHONPS, y gracias a esto cambiaron el destino del planeta

?

¿Qué sabemos del proceso de especiación de la mayor parte de la vida?

Darwin

Aislamiento geográfico

Adaptaciones locales

Aislamiento reproductivo

La nueva síntesis evolutiva (1936-1947) afina la teoría de Darwin e incluye la genética

Fisher, Haldane y Wrigth si que eran

listos

Fisher, Haldane y Wrigth si que eran

listos

Para entender la microevolución bacteriana requerimos, igual que

Darwin:

• Continuidad en el tiempo • Un sitio aislado• Adaptaciones locales

• En el caso de las bacterias y archaeas además se requiere de la inhibición de la transferencia horizontal de genes: aislamiento reproductivo

Cuatro Ciénegas

Un sitio único para entender el pasado de la vida y , tal vez, entender su futuro

Continuidad en el tiempo

Total sample

Souza et al., 2006, PNAS.

50% de las clonas de ADN ambiental usando el gen 16S reportaron una similitud mas alta con un microorganismo de origen marino

1 solo gen, 120 criaturas

B. Coahuilensis

genoma muy divergente, pequeño y marino, una criatura, 3000 genes que nos cuentan la misma historia

Luis Alcaraz et al., 2008, PNAS

Tenemos que en Cuatro Ciénegas los virus también se acuerdan de su pasado marino y esto es extraordinario

La mayor parte de los virus son predadores de bacterias y reconocen a sus víctimas por su membrana. Son letales al perder la célula toda sus funciones

http://www.cellsalive.com

fago

Por lo que su señal genética nos habla de sus victimas, son “lobos disfrazados de corderos”

En el triásico casi no había México, solo había un pedazo de Coahuila

El mar Somero persistió desde el inicio del Jurásico hasta el Cretácico hace 95 millones de años, cuando hubo una gran inundación y se formaron los mares internos del norte de Europa.

Cuatro Ciénegas

Un sitio único para entender el pasado de la vida y , tal vez, entender su futuro

The whole ecosystem survived and adapted to low nutrients of the microbial mat diet

El ecosistema completo sobrevivió la formación de México, el aislamiento y el cambio de

condiciones ambientales, creemos que esto ocurrió porque Cuatro Ciénegas nunca fue sepultada por sedimentos mas recientes

Por otra parte, con los datos del metagenoma de Yucatán encontramos que el ciclo del nitrógeno está desacoplado en el océano

Bonilla et al., en preparación

Venter et al., 2004, Science

Rush et al., 2007 PLOS

Mientras que en Cuatro Ciénegas los ciclos biogeoquímicos están completos en los tapetes microbianos y en los estromatolitos... como hace miles de millones de años

Cuatro Ciénegas es el parque Jurásico

Que además “recuerda” por sus condiciones ambientales, pobres en nutrientes tiempos aún mas remotos de cuando las bacterias tenían todo bajo control.

Aislamiento en el espacio

Everything is everywhere and the environment selects

(Baas-Becking 1933, Finlay y Clark 1999, Finlay 2002).

Si las bacterias “vuelan” y “llueven” en los ambientes, no hay aislamiento geográfico...y la guerra bacteriologica sería fácil

¿Pero está Cuatro Ciénegas realmente aislado por las sierras y el desierto?

antrax

En las pozas de CCC hay mucha diferencia de la comunidad entre pozas, una alta beta.

Bacillus coahuilensis

Bacillus cuatrocienegensis

Rene Cerritos et al., acceptado con correciones

Casi todo lo que encontramos es nuevo.

muchas especies y aún géneros nuevos.

La divergencia de estos con los grupos conocidos es consistente con un aislamiento muy antiguo.

Tal vez Finlay (2002) generalizó para un grupo demasiado diverso. Tal vez las bacterias tienen diferentes ecologías al igual que los pájaros.

Cuatro Ciénegas es entonces:

1.Un lugar antiguo y 2.Sus bacterias, al igual que casi todos los organismos, tienen una estructura geográfica: hay aislamiento por distancia

Adaptaciones locales

Darwin pensó en que la selección natural moldeó la diversidad biológica a través de la adaptación al medio, ya que los padres mejor adaptados tienen mas hijos exitosos. Un ejemplo es la adaptación a comer diferentes frutos que tienen estos pinzones de las diferentes islas de las Galápagos

Manantial Laguna intermedia Laguna grande

1

2

3

4

56

710 9

Churince: ecosistema rico en sulfato de calcio con gradientes ambientales importantes. Respuesta al ambiente de la comunidad de bacterias termoresistentes cultivables en medio marino

8

2

BacterialgenomeHGT perdida de genes

En un lugar sin fósforo, el costo de la replicación aumentará la señal adaptativa de los genes que entran ya que el tamaño del genoma se tiene que mantener al mínimo. No hay lujos de un genoma flexible.

El genoma como herramienta para detectar adaptación

Ho:

3

Rodopsina sensorial de una Cianobacteria funcional en Bacillus coahuilensis

Sulfolipidos en lugar de fosofolipidos en B. coahuilensis

Genes adaptativos adquiridos por transferencia

sulfolipidos constitutivos

extrema pérdida de genes en el metabolismo de Carbono y nitrógeno.

Cuatro Ciénegas es entonces:

1.Un lugar antiguo y 2.Sus bacterias, al igual que casi todos los organismos, tienen una estructura geográfica: hay aislamiento por distancia.3.Que presentan extraordinarias adaptaciones a un ambiente sin fósforo

Aislamiento reproductivo

Poca transferencia de genes

¿Será que su sexualidad las hace organismos de excepción?

Herencia horizontal

NO CLONAL

Herencia vertical

CLONAL

Como consecuencia esta el problema conceptual de definir que es una especie bacteriana. ¿cuáles son sus límites?

Clonal

Promiscuas•Ambiente rico en nutrientes no hay selección contra la mezcla de genes

•El genoma flexible permite el establecimiento de poblaciones grandes capaces de migrar

•Poza genica extrensa, HGT fuerza coesiva

•Virus capaces de transducción abundantes en el medio.

•Virus capaces de transducción son raros.

•Baja oportunidad de encuentro.

•DNA como fuentes de nutrientes.

•Selección periodica o deriva genica

•Clonas adaptadas localmente

Limite “poroso”

Hipótesis

Split decomposition putP

RED: Señal de intercambio de genes en una población

Pseudomona sp del Churince tiene una estructura clonal en todas sus especies

•En el ambiente extremadamente pobre en nutrientes las densidades son bajas tanto en bacterias (103/ml) como de virus. Por lo que las probabilidades de encuentro para intercambiar genes son bajas. El ADN libre es comida no información

•Los 8 taxa estudiados presentan una fuerte estructura clonal.

Low P

Increased scavenging of

free DNA

Low DNA life time

Low transformation

Low cell density

Rare physical contact

Low conjugation

Rare viral encounters

Low transduction

Low viral production

Selection for P conservation and competitive ability

Purging of most genes acquired via HGT

(small genome size)

HGT

High diversification

due to development of clonal ecotypes

via local adaptation

Sulfolipid or P scavenging

strategies via adaptive HGT

Souza et al., 2008 Nature Review in Microbiology

Comparative genomics to untangle the evolutionary forces of speciation in the Bacilli group of CCC, as well as with their sister species from the Pacific and Atacama

Bacillus-CNJ842 Bacillus-MSU1910

P10 m3-9

12BCh 15BCh 14BCh

B.aquaTF-12 B-vietnamesis

R5-1 108BCh R5-3 B.marisTF-11 R5-2 113BCh

m2-35 m2-40 m2-33 m2-43 m2-38 m2-36 m2-39 m2-29 m3-18

m2-32 m2-37

B-subtilis B-licheniformis Bacillus cereus str. QD232 EF488087

m4-4A p1-1-43

m2-6 m2-9

B-endophyticus m3-13

B-horikoshii B-okhensis

B-hwajinpoensis Exiguobacterium marinum

100

99

94

100

4910062

25

100

40

98

100

48

61

80

36

7139

99

40

50

57

98

84

71

62

0.01

2 strains of Kocuria sp (Actino)

B. aquimaris corea sea

B. marisflavi japan sea

B. sp. nov m2-38 Churince

B. Coahuilensis Ch.

B. sp. nov. p15.4 Charcos salados mezquite

B. Cereus Ch.

B. subtilis Ch.

B. sp. nov. 80M Pozas azules (met)

ExiguobacteriumE.sp.nov. Pozas rojas mezquites

E.sp.nov. Poza rojas hundidos (metag)E.sp.nov. Andes lake

B. sp. nov. Ch.From the indian ocean.

¿Porque hay tantas especies en un lugar sin nutrientes?

Comparación de 14 genomas de CCC y sus parientes fuera de México nos va a ayudar a entender la diversificación en CCC.

Queremos saber:•Cuando ocurrio (reloj molecular)•Como ocurrio (evolución molecular)

Exiguobacterium del agua de lagos a 5000 mt en los Andes donde hay estromatolitos

Bacillus, Exiguobacterium, Kokuria de CCC, agua tapetes y estromatolitos

Bacillus del mar de Corea

Bacillus de salinas en India

Bacillus-CNJ842 Bacillus-MSU1910

P10 m3-9

12BCh 15BCh 14BCh

B.aquaTF-12 B-vietnamesis

R5-1 108BCh R5-3 B.marisTF-11 R5-2 113BCh

m2-35 m2-40 m2-33 m2-43 m2-38 m2-36 m2-39 m2-29 m3-18

m2-32 m2-37

B-subtilis B-licheniformis Bacillus cereus str. QD232 EF488087

m4-4A p1-1-43

m2-6 m2-9

B-endophyticus m3-13

B-horikoshii B-okhensis

B-hwajinpoensis Exiguobacterium marinum

100

99

94

100

4910062

25

100

40

98

100

48

61

80

36

7139

99

40

50

57

98

84

71

62

0.01

B. aquimaris corea sea

B. marisflavi japan sea

B. sp. nov m2-38 Churince

B. Coahuilensis Ch.

B. sp. nov. p15.4 Charcos salados mezquite

B. Cereus Ch.

B. subtilis Ch.

B. sp. nov. 80M Pozas azules (met)

Exiguobacterium

B. sp. nov. Ch.From the indian ocean.

Distribución Geográfica de las cepas dentro de CCC

Bacillus-CNJ842 Bacillus-MSU1910

P10 m3-9

12BCh 15BCh 14BCh

B.aquaTF-12 B-vietnamesis

R5-1 108BCh R5-3 B.marisTF-11 R5-2 113BCh

m2-35 m2-40 m2-33 m2-43 m2-38 m2-36 m2-39 m2-29 m3-18

m2-32 m2-37

B-subtilis B-licheniformis Bacillus cereus str. QD232 EF488087

m4-4A p1-1-43

m2-6 m2-9

B-endophyticus m3-13

B-horikoshii B-okhensis

B-hwajinpoensis Exiguobacterium marinum

100

99

94

100

4910062

25

100

40

98

100

48

61

80

36

7139

99

40

50

57

98

84

71

62

0.01

B. aquimaris corea sea

B. Marisflavi corea sea

B. sp. nov m2-38 Churince

B. Coahuilensis Ch.

B. sp. nov. p15.4 Charcos salados mezquite

B. Cereus Ch.

B. subtilis Ch.

B. sp. nov. 80M Pozas azules (met)

Exiguobacterium

B. sp. nov. Ch.From the india

Historia hipotética de la la razón de la distribución cosmopolita de los parientes mas cercanos de las cepas de CCC.

230 mya

130 mya

080 mya

¿ Por qué hay tantas especies en diversos linajes de bacterias de CCC?H1: CCC es un cunero: radiación adaptativa reciente con raros eventos de HGTH2: CCC un lugar de retiro para linajes ancianos marinos donde las especies se mantienen cohesivas por HGT intra-especie.

Cuatro Ciénegas es entonces:

1.Un lugar antiguo donde, 2.Sus bacterias, al igual que casi todos los organismos, tienen una estructura geográfica: hay aislamiento por distancia.3.Que al mismo tiempo presentan extraordinarias adaptaciones a un ambiente sin fósforo.4.Y que debido a esta falta de nutrientes presentan aislamiento reproductivo que permite una gran tasa de especiación.

La escala del tiempo

Era Aphebiano Ripheano

Eon Haedano Archaeano

Millones de años hace

Proterozoico Fanerozoico4000

39003000 2600 2000 1200 1000

5800

Origen de la Tierra

Rocas más antiguas Estromatolitos más antiguos

y fósiles de procariontes

Fósiles de protistas más antiguos Fósiles de

animales más antiguos

Fósiles de plantas y hongosmás antiguos

Millones de años

580-500

500-440

440-400

400-345

345-290

290-245

245-195

195-138

138-66

66-2

Periodo Cam-brico

Ordo-vicico

Silu-rico

Devo-nico

Car-bo-nifero

Permi-

co

Triasi-co

Jura-sico

Cretaci-co

Terciario Cuaternario

Era Paleozoico Mesozoico Cenozoico

oxígeno

Metano, CO2, S

P

No solo estamos aprendiendo sobre como se diversificó la mayor parte de la vida en la tierra, sino que también creemos que el ecosistema microbiano nos puede ayudar a entender el futuro al plantear cual es el costo de diversos escenarios de cambio climático global sobre lo que no nos podemos dar el lujo de perder: los ciclos biogeoquímicos globales

¿?¿?

Hace 15,000 años los primeros pobladores caminaron en el barro húmedo del valle y dejaron sus huellas

Vieron el valle y sus montañas y las consideraron mágicas por su extrema belleza

Verano del 2006, bajo el manto freático del valle 5 mt. en solo 4 meses, debido a la sobreexplotación del manto freático

Hay un conflicto de intereses entre la agricultura no sustentable de alfalfa en el desierto y el ecosistema

Centro de la Laguna grande verano 2008

Falla de La Madera

Falla Atalaya-El GranizoFalla San Marcos

Falla La Becerra

Manantial Laguna intermedia Laguna grande

1

2

3

4

56

710 9

Ca

Mg

Na

Cl

44054140108 307

373262588

Mg/Kg

8

Los humanos del valle tienen que coexistir con el ecosistema. Estamos tratando de educar al gobierno y al Norte a cambiar su visión del agua en el desierto.

En 2007 175 acuíferos sin ley iniciaron el proceso de veda.

Falla de La Madera

Falla Atalaya-El GranizoFalla San Marcos

Falla La Becerra

Reserva de recursos naturales de Cuatro CiénegasSitio WWF, RAMSAR, CONABIO y UNESCO

VIVA, YA ganamos!!!

350 millones MN para salvar a CCC

¿¿¿¿Y la lana donde está ???

Queremos un sitio prístino y verdaderamente sustentable donde las criaturas grandes y pequeñas tengan futuro.

La educación ambiental a través del arte es una herramienta fundamental para cambiar el destino de

los niños

Instituto mex. de recursos nat. renovables concentrarte y fundación LALA

Conservar con pobreza no es fácil, necesitamos cambiar el destino de estos niños haciendo de Ciénegas un ejemplo de desarrollo sustentable

Mi grupo de trabajo le apuesta a

Biotech for the people

una revolución virtuosa para salvar a Cuatro Cienegas.

Metagenómica aplicada al desarrollo sustentable

• Entender gen por gen la diversidad y función del ecosistema

• Descubrimiento de enzimas y bio-procesos• Cultivar candidatos para bio-remediación o

procesos industriales y mejorar sus funciones por evolución experimental.

• Los inventores ponen todo sus ingresos de la patente a educación, las universidades ponen infraestructura para la educación y los inversionistas apoyan con becas y salud

transferencia de conocimiento y tecnología a la preparatoria

¿Cómo se “construye” la complejidad?¿Que tan sensible es a los cambios?1.La entrada de nutrientes disminuye la diversidad2.En el suelo la desecación hace mucho mas lento el proceso de sucesión

Existen pocos lugares extremos en el mundo con las características de aislamiento y belleza de Cuatro Ciénegas.

Este es el único que como no fue sepultado nos explica nuestro pasado y nos puede proteger del futuro. Estamos

dispuestos a perderlo?

GRACIAS $$NASA, Semarnat, CONACyTLuis Eguiarte y Valeria SouzaVisión general del Proyecto, Evolución molecular y experimental. Luisa Falcón Julia Dominguez y Yslem BeltranLos consorcios microbianos en CCC con énfasis en cianobacteriasRene Cerritos, Morena Avitia, Eria Rebollar y Antonio CruzComunidades formadoras de esporasLuis Alcaraz, Gabriela Olmedo y Luis Herrera EstrellaEl genoma de 2 especies de Bacillus y secuenciacion del metagenoma.Ana M. Noguez, Esmeralda López y Felipe García OlivaUna visión funcional de la comunidad del sueloLaura Espinosa, Las comunidades de Cuatro Ciénegas son el mar?Ana Escalante Jeiri Toribio, Gloria SoberonGenética de poblaciones de Pseudomona en CCC y biosulfactantesLorenzo Segovia Xavier Soberon, Sergio Revah y German BonillaMetagenoma y la compartamelización de los ciclos biogeoquímicos en el sistema acuático de CCC. busqueda de genes nuevos.USJanet Siefer y Mya Breithard Metagenomica, genomica HGT, virus.Mike Travisano, Brendan Bohanan, Jim Elser David HollanderNutrientes y evolución en ecosistemas oligotróficos

UNAM

CINVESTAV

UAM/I

Rice, USF, UM, ASU, UCI, UO