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Microorganismos que viven en condiciones extremas en lagunas altoandinas
El Comité de Redacción de Acta Bioquímica Clínica Latinoamericana ha seleccionado este artículo publicado en CIENCIA HOY – Volumen 21 - Número 126 – abril - Mayo 2012, para su difusión a través de FABAInforma

María Eugenia Farías
Doctora en Biología, Universidad Nacional de Tucumán. Laboratorio de Investigaciones Microbiológicas de Lagunas Andinas, CONICET, Tucumán
mefarias2001@yahoo.com.ar

Un reservorio de microbiología extrema único en el mundo

Las lagunas de altura de la puna sudamericana (véase recuadro ‘El ecosistema altoandino) son cuerpos de agua de escasa profundidad que se formaron en tiempos geológicos pasados y se encuentran en sitios de difícil acceso, en altitudes que oscilan entre los 3000 y los 6000 metros sobre el nivel del mar.
Conforman ecosistemas únicos por sus características geográficas, su amplio rango de ambientes extremos y su abundante biodiversidad. Esta abarca tanto organismos procariotas (por ejemplo, bacterias) como eucariotas (por ejemplo, mamíferos), y cubre una cadena trófica completa que comienza con bacterias y rnicroalgas, y termina en flamencos y zorros.
Las comunidades microbianas que evolucionaron en esos ecosistemas acuáticos de altura toleran notables condiciones de estrés químico y físico, entre ellas, amplias fluctuaciones de las temperaturas diarias, muy altas salinidad y variaciones de pH, así como intensa radiación ultravioleta, escasez de nutrientes, baja presión de oxígeno, elevadas concentraciones de metales pesados y, especialmente, abundancia de arsénico.
Por estas condiciones ambientales, las lagunas altoandinas configuran los ecosistemas más parecidos que se conocen a los ambientes arcaicos de la Tierra, semejantes, incluso, a ambientes extraterrestres. Ello los convierte en laboratorios ambientales emblemáticos para estudios de astrobiología y sobre el origen de la vida.
Al anterior conjunto de rasgos ambientales hay que sumarle el descubrimiento en 2009 de estromatolitos vivos. Estos son estructuras formadas en aguas poco profundas por estratos de materiales inorgánicos cementados por láminas de microorganismos, sobre todo cianobacterias o algas azules. Los estromatolitos proporcionan los registros fósiles más antiguos del planeta, pues datan de hasta hace 3400 millones de años.
A pesar de que en tiempos tan remotos cubrieron la Tierra, hoy solo quedan unos pocos, principalmente en zonas marinas tropicales y en el nivel del mar, como en la bahía Tiburón, en la Australia occidental (figura 1); la laguna Salada, en el estado de Río Grande del Norte, en Brasil, o en los cayos de Exuma, en las Bahamas. En aguas interiores están en Cuatro Ciénagas, en el desierto del estado mexicano de Coahuila, y en los Estados Unidos, en géiseres del parque nacional Yellowstone, en el estado de Wyoming.
Los encontrados en la puna tienen la particularidad de que se los halla en ambientes parecidos a los de la Tierra primitiva, pues deben subsistir en condiciones de baja presión de oxígeno en la atmósfera, alta radiación ultravioleta, aguas salinas y alcalinas, drásticos cambios de temperatura y una gran influencia de volcanes en actividad.

• Figura 1: Estromatolitos en la costa marina, en bahía Tiburón, Australia occidental.

La biodiversidad en ambientes extremos

En líneas generales, se dice que un hábitat es extremo si sus condiciones se alejan de las que resultan óptimas para la vida humana. Existen organismos que pueden poblar esos ambientes extremos, tanto procariotas como eucariotas, pues están específicamente adaptados a tales hábitats. Se los denomina extremófilos y constituyen invalorables recursos para la creación de nuevos procesos bio-tecnológicos, y como modelos para investigar la forma en que determinadas biomoléculas reaccionan cuando son sometidas a esa clase de condiciones.
Entre los factores físicoambientales cuya escasez o abundancia induce a considerar extremófilo a un ser viviente (y algunas denominaciones que se derivan de ellos) se cuentan temperatura (termófilos o psicrófilos), radiación (resistentes a rayos ultravioletas, X, gamma u otros), presión (barófilos), sequedad (xerófilos), salinidad (halófilos), pH (alcalófilos, acidófilos), oxígeno, etcétera. Los organismos expuestos a más de una condición extrema, como sucede con las bacterias de lagunas altoandinas, son considerados poliextremófilos. Los ecosistemas extremos abarcan volcanes y géiseres, profundidades marinas, salares, desiertos, hielos y nieves eternas y lagos alcalinos.

En Tucumán, en el Laboratorio de Investigaciones Microbiológicas de Lagunas Andinas, que pertenece al Conicet, la autora y sus colegas trabajan en la recolección, el aislamiento, la caracterización y la selección de microorganismos de los cuerpos de agua de la puna argentina. Como resultado hemos reunido una colección de cultivos de microorganismos extremófilos -abierta a la comunidad científica- que incluye bacterias arqueas, cianobacterias, levaduras y hongos. Entre los mecanismos de defensa del estrés generado por los ambientes extremos se cuentan la acumulación de polifosfatos, ceras, compuestos fenólicos, enzimas antioxidantes y enzimas fotorreparadoras, es decir, toda una batería de recursos bioquímicos que morigeran o contrarrestan los efectos de los factores adversos.
Los microorganismos de nuestra colección toleran, entre otros factores adversos, radiación ultravioleta B, antibióticos, salinidad y arsénico. Entre sus resistencias llama la atención la altísima que poseen a dosis importantes de múltiples antibióticos, incluso los más potentes, como los denominados de segunda y tercera generación. ¿Por qué una bacteria desarrollaría todas esas resistencias en un ambiente tan prístino, donde se puede suponer que no las requiere para sobrevivir, es decir, que no está sujeta a la presión de la selección natural? Nuestros estudios parecen indicar que estas bacterias experimentan frecuentes mutaciones genéticas-técnicamente, son muy mutagénicas- , lo que les permite adaptarse a múltiples condiciones de estrés, que incluyen crecer rodeadas de antibióticos. Es más, los trabajos de secuenciación de ciertas moléculas de ADN de bacterias de lagunas de la puna, llamadas plásmidos, indican que allí residen las resistencias y que se dispersan por toda la comunidad. La noción de que la resistencia a los antibióticos es exclusiva de ambientes hospitalarios, en los que la selección natural favorece a las bacterias más resistentes, quedaría debilitada ante estas resistencias encontradas en lo que podríamos llamar reservorios naturales de la evolución, como serían las lagunas andinas.
El estudio genético de las bacterias de esos ambientes las muestra provistas de genes que desencadenan procesos por los que logran sobrevivir a las situaciones de estrés ambiental. Esos genes tienen la capacidad de distribuirse en toda la comunidad; de esa forma comparten tal habilidad con sus vecinas mediante moléculas móviles como plásmidos, trasposones y otras. Es como si un explorador tuviera una mochila con todo lo necesario para sobrevivir en la selva: alimento, antibióticos, armas, ropa impermeable, botas, suero antiofídico o lo que sea. Las bacterias extremófilas adquieren así la habilidad de sobrevivir a la radiación ultravioleta, a elevadas concentraciones de arsénico o mercurio, altas salinidad, acidez o alcalinidad, etcétera.
En todos estos sistemas se pueden encontrar características de interés biotecnológico, que pueden dar origen a patentes orientadas, entre otros, a los campos médico, agrícola o industrial. De hecho, en nuestro laboratorio estamos trabajando intensamente en busca de compuestos de interés farmacéutico.

Estromatolitos: la vida se abre camino en condiciones extremas

Los tapetes microbianos (en inglés microbial mats) consisten en asociaciones de bacterias que poseen habilidades complementarias, lo que permite la supervivencia de la comunidad en ambientes hostiles. Crecen en forma de láminas sobre una superficie, por lo que se asemejan a pequeñas alfombras (de ahí su nombre), y los integran bacterias que producen oxígeno por fotosíntesis y otras que con ese oxígeno producen dióxido de carbono que, a su vez, es utilizado por las primeras; las hay que consumen azufre y otras que lo generan, etcétera. En un tapete microbiano podemos tener todos o casi todos los ciclos de los elementos esenciales para la vida, como los nombrados más nitrógeno, hierro y otros. Los estromatolitos están formados por tapetes microbianos que van acumulando minerales; ello da lugar a la formación de rocas de origen orgánico. Por lo tanto, pueden permanecer en el tiempo como fósiles y, de esta manera, servir como testigos de su historia.
Antes de la formación de estromatolitos la vida existía en los mares, escondida de la radiación ultravioleta. Obtenía energía de elementos como el azufre, el metano o el hierro, que eran muy difíciles de digerir por los seres vivos. Por eso crecía y evolucionaba con lentitud. Se puede decir que los estromatolitos inventaron la fotosíntesis, liberaron oxígeno en los mares y la atmósfera, y crearon la capa de ozono, que filtra la radiación ultravioleta, la parte más dañina para la vida de la radiación que llega a la Tierra desde el Sol. Con esas nuevas condiciones, la vida salió de su escondite y empezó a transcurrir a la luz, conquistó la Tierra y se puso a consumir oxígeno. Este permite obtener energía en forma más eficiente y, como consecuencia, la vida se expandió, evolucionó hacia nuevas formas y se produjo la eclosión de diversidad que llega a nuestros días.

¿Cómo se forma un estromatolito?

Las cianobacterias o algas azules son un importante grupo de bacterias. Se trata de organismos procariotas, es decir, compuestos por células que carecen de núcleo o de otras estructuras internas diferenciadas por una membrana. Son fotoautotróficas, o sea, capaces de alimentarse con sustancias inorgánicas que procesan por fotosíntesis (tomando energía de la luz solar). Y son oxigénicas porque su fotosíntesis libera oxígeno. Además, muchas de sus especies son capaces de fijar en el suelo nitrógeno atmosférico (figura 2).

• Figura 2: Imagen de diatomeas bacterias y minerales, los componentes de los estromatolitos o “rocas vivas” de la puna, creada por un microscopio electrónico. El área cubierta por la imagen mide aproximadamente 31 x 21 micrómetros. Fue tomada en la Laboratorio de Microscopia Electrónica del Noroeste Argentino, Universidad Nacional de Tucumán – Conicet, 2009.

Como resultado de su actividad fotosintética, las ciano-bacterias enriquecen el suelo con materia orgánica, la cual es después degradada por bacterias heterótrofas (que no pueden fijar carbono atmosférico por fotosíntesis y necesitan carbono orgánico para crecer), anaeróbicas (que no requieren oxígeno) y reductoras de sulfato. El sulfuro que producen estas es oxidado por bacterias rojas del azufre, que son fotosintéticas y anoxigénicas, y pueden formar una capa rosada justo debajo de las cianobacterias (figura 3).
Las cianobacterias pueden exudar cantidades abundantes de unos hidratos de carbono llamados exopolisacáridos. Con la consistencia de una gelatina, constituyen la matriz en la cual se embeben los microorganismos y los minerales que forman los estromatolitos. Los tapetes microbianos tienen un importante cometido en la estabilización de los sedimentos, pues los que se depositan en su superficie son atrapados por aquellos. Así se generan las estructuras laminadas de los estromatolitos que, por ese camino, dan origen a un nuevo y completo ecosistema en el área ribereña de un cuerpo de agua.

Estromatolitos a 4000 metros sobre nivel del mar

Durante las expediciones a la puna argentina realizadas por el laboratorio de la autora entre febrero de 2009 y marzo de 2010 se constató la presencia de tapetes microbianos que forman estromatolitos en algunas lagunas rodeadas de salares. Esto sucede en la de Socompa, ubicada en la provincia de Salta, en la frontera con Chile, a 4000m de altitud, rodeada del desierto altoandino y al pie del volcán del mismo nombre, cuya cumbre alcanza los 5800m sobre el nivel del mar.
Fue el primer hallazgo del que tenemos noticias de estromatolitos a tal altitud y sometidos a alta radiación ultravioleta, baja presión de oxígeno en la atmósfera, grandes cambios de temperatura y un ambiente volcánico. Es un entorno que se acerca más que casi todos los otros de la Tierra actual a las condiciones primitivas del planeta, cuando aún no se había formado la capa de ozono. Por ello, ofrece una gran oportunidad para avanzar nuestro conocimiento del origen de la vida y la biodiversidad.
El agua de la laguna de Socompa es altamente alcalina (pH 8,5 a 9), tiene elevado contenido de arsénico (32mg por litro) y una salinidad entre el 17% y el 25%. Si tenemos en cuenta que la del agua de mar es del 3,5%, advertimos que la laguna de Socompa es de cinco a ocho veces más salina que la de mar. También tiene gran contenido de iones de calcio (Ca2+, 23g/l), lo que determina que se formen los estromatolitos, pues esos iones se combinan con ácido carbónico (H2CO3), que se forma a partir de la disolución de dióxido de carbono (CO2) en el agua, y dan lugar a carbonato de calcio (CaCO3), el principal mineral de los estromatolitos. En contraste, en lagunas alcalinas muy saladas pero pobres en iones de calcio, ellos no se forman. Ese es el caso de la relativamente cercana laguna Santa María, en Tolar Grande, a 4250m de altura y una concentración de iones de calcio de 59mg/l.
Los estromatolitos de Socompa se ajustan perfectamente a la definición de esas estructuras: crecen en la orilla oriental de la laguna y pasan parte del año, de julio a octubre, cubiertos por agua, y el resto semisumergidos.
Su composición mineralógica fue determinada por Daniel Poire, investigador del Conicet y profesor de la Universidad Nacional de La Plata, utilizando difracción de rayos X. Están compuestos por aragonita y, en menor proporción, por calcita, minerales formados por carbonato de calcio, resultado de acción biológica. Durante el día, cuando las cianobacterias realizan fotosíntesis, el pH sube y favorece la precipitación de carbonato de calcio; por la noche, cuando respiran, el pH baja y favorece su disolución. A este proceso hay que sumarle la mencionada exudación de exopolisacáridos, que están cargados positivamente y captan los iones de calcio. Durante el día, la radiación ultravioleta degrada los exopolisacáridos y libera iones, lo que favorece la precipitación del carbonato de calcio; por la noche, los exopolisacáridos vuelven a formarse y los iones son atrapados nuevamente, lo que favorece su disolución.
Los estudios microbiológicos y moleculares para determinar la diversidad de microorganismos en las distintas capas de estas estructuras indicaron que están formadas por cianobacterias, diatomeas, hongos y levaduras, bacterias y arqueas. Muchos de los microbios encontrados resultaron nuevos para la ciencia, lo que significa que los estromatolitos, esconden géneros y especies desconocidas.

Los genomas extremos

En el Instituto de Agrobiotecnología de Rosario se secuenció el genoma de una bacteria poliextremófila del género Acinetobacter, aislada por el laboratorio de la autora de aguas superficiales de lagunas ubicadas a 4400m sobre el nivel del mar. Se hizo lo mismo con otras del género Exiguobacterium, altamente resistentes a arsénico, aisladas de estromatolitos de la laguna Socompa. El análisis bioinformático de ambos genomas está siendo realizado por especialistas en bioinformática de la UBA.
Las bacterias pueden identificarse por una región pequeña de su ADN llamada región hipervariable V4, que sirve a modo de huella dactilar. Con los datos de esa región y los contenidos en bases de datos se puede identificar una bacteria hasta el nivel de la especie. Extrayendo ADN de toda una comunidad (conjunto de especies que habitan un ecosistema), se pueden leer todas las regiones V4 y saber qué especies la forman. Esa clase de estudios genómicos de la comunidad de Socompa confirmó que hay en ella gran diversidad microbiológica, con abundancia de géneros y especies nunca descriptos. En el momento de publicación de este artículo, se había secuenciado toda la información genética de una comunidad -es decir, el metagenoma- de los estromatolitos de Socompa y se estaban realizando los estudios de bioinformática.

Microorganismos extremófilos en otros ambientes de la puna

Además de los estromatolitos de Socompa, nuestro laboratorio encontró en la puna otros ecosistemas igualmente interesantes mirados con ojos científicos. Entre ellos, tapetes microbianos en los llamados ojos de mar, en la puna de Salta, a 3600m sobre el nivel del mar. Los ojos de mar son parches o piletas de agua hipersalina. Tienen un intenso color turquesa y una profundidad variable que alcanza los 10m en su parte más profunda. Se asemejan a un arrecife de sal bajo el cual se encuentran comunidades de algas y bacterias que forman una carpeta continua y sobreviven en aguas con 22% de salinidad y marcada acidez (pH 5). Están ubicados a corta distancia del pueblo de Tolar Grande, al borde del salar Arizaro, el más grande de la Argentina.
Si subimos al volcán Galán, en la puna de Catamarca, y nos adentramos en su caldera de 40km de diámetro -hasta donde sabemos, la más grande del mundo-, llegaremos a la laguna Diamante, ubicada en su cráter a 4570m sobre el nivel del mar. Bajo sus aguas someras encontraremos tapetes de bacterias endolíticas que viven en un medio con 24% de salinidad, alcalinidad extrema (pH 11) y contenidos de arsénico nunca antes registrados en un ambiente natural (230mg/l).
Cerca del sitio donde la frontera chileno-boliviana se encuentra con la argentina, la laguna Vilama, en la provincia de Jujuy, a 4650m de altura, exhibe sus tapetes microbianos. Sus aguas tienen una salinidad del 17% y 13,5mg/l de arsénico. Esos conjuntos de microorganismos se pueden ver como alfombras de diferentes colores según la diversidad de metabolismos y bacterias que predominan en ellos. Sus características están todavía en estudio por nuestro laboratorio.
Conservación ambiental
Desde hace tiempo, la puna sufre alteraciones ambientales producidas por determinadas actividades humanas que le han ocasionado importantes procesos de degradación debido a la extrema fragilidad de sus ambientes. Ejemplos de esas actividades son la cría de ovejas y la recolección de madera. Otra fuente de cambios ambientales es la minería, de litio, bórax, cobre y oro, entre otros minerales.
Las ecorregiones altiplánica y altoandina contienen reservas minerales que se cuentan entre las más importantes del país. El tipo de explotación ideada hasta el momento para extraer esa riqueza puede comprometer la integridad de los ecosistemas por factores como diseminación de metales pesados y otras sustancias tóxicas, uso intenso de agua y contaminación de esta, modificación del paisaje, especialmente en minas a cielo abierto, y perturbación de la flora y fauna locales por la construcción de carreteras, mineraloductos, tendidos eléctricos y gasoductos. Otro factor importante de riesgo para la conservación ambiental es la creciente explotación turística, especialmente el turismo de aventura, que deteriora el suelo y los humedales por el paso de vehículos todo terreno.
En marzo de 2010 el gobierno de Salta declaró áreas protegidas a la laguna de Socompa y a los ojos del mar en Tolar Grande. Esto significa que por primera vez los microorganismos resultaron responsables de que se promoviera la preservación de un ecosistema. Los científicos tendremos la oportunidad de colaborar en el manejo de esas áreas protegidas y de aplicar nuestro conocimiento a propósitos sociales más amplios.
La puna andina ha demostrado ser un reservorio de biodiversidad microscópica que puede hacernos viajar a los orígenes de la vida en la Tierra hace 4000 millones de años, puede llevarnos a intuir cómo podría ser la vida en otros planetas y puede dar lugar a desarrollos en el área de la biotecnología.
El estudio integral de estos ecosistemas, su valoración patrimonial y su preservación integral son un desafío que enfrentamos no solo los científicos sino también todos los integrantes de la sociedad.

LECTURAS SUGERIDAS

1- DUPRAZ C & VISSCHER PT, 2005, ‘Microbial lithification in marine stromatolites and hypersaline mats’, Trends in Microbiology, 13: 429-438.

2- FARIAS ME et al, 2011, ‘Genome sequence of Sphingomonas sp. S17 isolated from an alkaline, hyperarsenic and hypersaline volcanic associated lake near 4000 meters above sea level in the Argentine Puna’, Journal of Bacteriology, 93,14: 3686-3687.

3- ORDOÑEZ O et al, 2009, ‘Extremophile culture collection from Andean Lakes. Extreme pristine environments that host a wide diversity of microorganisms with tolerance to UV radiation’, Microbial Ecology, 58, 3: 461-73.

4-SECKBACH J & TEWARI V (eds.), 2011, Stromatolites. Interaction of Microbes with Sediments, Springer.

5- SEUFFERHELD MJ. ALVAREZ HM & FARIAS ME, 2008, ‘Polyphosphates as Microbial Modulators of Environmental Stress’, Applied and Environmental Microbiology, 74: 5867-5874.