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Las condiciones ambientales bajo las cuales la vida prospera las relacionamos a aquellas en las que los humanos, animales y plantas (en su mayoría) crecen y se desarrollan. Esto es, temperatura alrededor de los 25 °C, pH cercano al neutro (entre 5 y 7), oxígeno disponible, presión de 1 atmósfera (atm) y concentración de sal en el rango de la encontrada en el agua dulce y la del mar.
Resultaría difícil creer que pudiera existir vida en sitios cuyas temperaturas superen los 80 °C, o en contraste, inferiores a los 5 °C, o en las profundidades del mar donde se alcanzan 1 000 atm de presión. Para nuestra sorpresa, si buscamos detenidamente, encontraremos una gran diversidad de microorganismos que categorizamos como extremófilos, los cuales tienen la capacidad de crecer y desarrollarse en ambientes cuyos valores de temperatura, pH, acidez, nutrientes, metales pesados, salinidad, humedad, concentración de oxígeno o presión atmosférica, son tan extremos que resultarían hostiles o letales para muchos de los organismos convencionales, incluidos nosotros los humanos.
Esta definición de extremófilos, como se puede observar, tiene una visión antropocéntrica, es decir, consideraríamos como extremas aquellas condiciones sobre las cuales los humanos no son capaces de sobrevivir. Sin embargo, esto es relativo a nuestra percepción y costumbres de vida, por ejemplo, alguien que vive en la Huasteca Potosina, donde se alcanzan temperaturas superiores a los 50 °C, o bien los habitantes de las regiones polares donde se pueden alcanzar los -70 °C, son condiciones de vida que seguramente consideraríamos extremas si las comparamos con las condiciones de zonas templadas. Como bien dijo el científico y divulgador Neil de Grasse Tyson: «Si hubiera biólogos {viviendo} entre los organismos que habitan en condiciones extremas, seguramente ellos se clasificarían como normales y cualquier vida que prosperara a temperatura ambiente la considerarían como un extremófilo».
Extremófilos fantásticos, ¿dónde encontrarlos?
Sitios con ambientes tan extraordinarios como las profundidades de la tierra, a unos 6 km al interior de la corteza terrestre, o en los abismos del mar, como la Fosa de las Marianas (a 11 km de la superficie) en donde se alcanzan presiones superiores a 1 100 atm, o bien en nichos muy ácidos (pH= 0) como el lago color turquesa del cráter del volcán Kawah Ijen en Indonesia, o en sitios muy alcalinos (pH 12.8) como drenajes de desechos mineros, o en sitios con salinidad excesiva como en las salineras de Maras, en Cusco Perú, o en nichos con temperaturas elevadas como los géiseres con temperaturas arriba de 90 °C. De modo interesante, en todos estos sitios se han logrado aislar y caracterizar poblaciones de extremófilos, incluyendo bacterias, arqueas e incluso eucariontes que ahí habitan.
Con base en las condiciones físicas extremas como el pH ambiental, tenemos a los microorganismos acidófilos (pH<5) e hiperacidófilos (pH<3), mientras que al otro extremo de la escala encontramos a los alcalófilos (pH>9) e hiperalcalófilos (pH>11). En lo que corresponde a la temperatura de crecimiento tenemos a los microorganismos «amantes del frío» conocidos como psicrófilos, cuya temperatura óptima de crecimiento es menor a los 20 °C, mientras que en contraste tenemos a aquellos microorganismos con temperaturas de crecimiento óptimas mayores a los 80 °C, denominados hipertermófilos. Y así sucesivamente al situarnos en los rangos de la escala de concentración de sales en el medio, presión atmosférica, cantidad de agua y radiación, encontraremos más extremófilos.
Interesantemente, un grupo de microorganismos capaces de tolerar diversas condiciones adversas en forma combinatoria, se les conoce como poliextremófilos. Por ejemplo, en 2005, la bacteria Natranaerobius thermophilus se aisló del lago hipersalino y rico en bicarbonatos localizado en Uadi Natrun, Egipto. Dicha bacteria tiene como requerimientos de crecimiento temperatura de 53 °C, pH de 9.5 y una concentración elevada de sodio (4 M) en el medio, es decir, es termófila, alcalófila y halófila. Gracias a dicha tolerancia múltiple, este microorganismo se ha estudiado ampliamente, obteniéndose información sobre las necesidades moleculares y estructurales para la tolerancia a condiciones tan inhóspitas.
El aislamiento de extremófilos a partir de ambientes tan particulares es un reto tanto tecnológico como de infraestructura, ya que se requiere llegar a ellos de la forma menos invasiva posible y, posteriormente, el gran reto es recrear en el laboratorio las condiciones nutrimentales y ambientales en las que habitan para poder crecerlas, mantenerlas y estudiarlas.
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En la peculiaridad está su virtud extrema
Para el caso de los extremófilos se ha entendido que muchas de sus biomoléculas contienen características muy peculiares que les permiten funcionar y ser estables, por ejemplo, sus proteínas presentan una mayor cantidad de enlaces intramoleculares que le permiten tener una estructura más compacta y con ello más estable a desnaturalización por presencia de agentes químicos o cambios ambientales.
Referente a la adaptación a bajas temperaturas, se ha descrito que microorganismos psicrófilos sintetizan proteínas anticongelantes, las cuales tienen la capacidad de unir cristales de hielo con lo cual modifican la forma en la cual cristalizan, disminuyendo así el crecimiento de dichos cristales para evitar el congelamiento celular. Además, se ha identificado la producción de compuestos que aumentan la crioprotección, como el 2,3-butanodiol, solvente que actúa como anticongelante evitando la formación de cristales de hielo. Otra característica que se ha descrito en microorganismos psicrófilos, es la síntesis de pigmentos, los cuales protegen de radiación ultravioleta (UV) extrema, y ayudan a captar calor solar favoreciendo la solubilización de agua y nutrientes alrededor del microorganismo.
Clasificación de los extremófilos de acuerdo con los límites físicos y geoquímicos. Imagen: Víctor E. Balderas-Hernández.
Biotecnología al extremo
El estudio de los extremófilos es de gran interés para entender los mecanismos moleculares responsables de tan extraordinarias habilidades de tolerancia. Además, son fuente para la búsqueda de enzimas, las cuales funcionan como catalizadores de reacciones, así como de otras moléculas que presenten una estabilidad mejorada, es decir, que trabajen bajo condiciones prohibitivas y que puedan entonces ser aplicadas para la obtención de beneficios y de nuevas aplicaciones industriales. En este sentido, la biotecnología, que se define como el uso de sistemas vivos, células o sus derivados (enzimas, moléculas, metabolitos) para la generación de productos y servicios específicos, ha encontrado un nicho importante a partir de los microorganismos extremófilos.
Se ha tenido especial enfoque en el estudio y aislamiento de las extremoenzimas (enzimas denominadas así por ser obtenidas de microorganismos extremófilos), ya que han tenido una amplia aplicación en diversos campos de la catálisis industrial. Muchos de los procesos industriales en los cuales se requiere la acción de una enzima se llevan a cabo bajo condiciones de reacción hostiles como temperaturas altas o bajas, concentraciones altas de sal, o de solventes corrosivos o de metales pesados, o bien valores de pH con carácter ácido o básico. Dichas condiciones no son aptas para el correcto funcionamiento de muchas enzimas procedentes de organismos mesófilos o neutrófilos, por ello, las extremoenzimas se presentan como la alternativa de elección, ya que son tolerantes a desnaturalización por la acción de estas condiciones hostiles de reacción. Curiosamente, algunas extremoenzimas tienen una mayor actividad catalítica cuando se eleva la temperatura de reacción, como se ha observado para las extremoenzimas psicrófilas en comparación con las mesófilas, e inclusive las termófilas. El uso de extremoenzimas ha permitido el desarrollo de aplicaciones y procesos industriales más específicos, más económicos y con mayor productividad.
Imagen: Víctor E. Balderas-Hernández.
Un termófilo y el ataque de los clonados
En los años 2020 y 2021, el mundo conoció y reafirmó la importancia de la reacción en cadena de la polimerasa o PCR (por sus siglas en inglés) para la detección del coronavirus SARS-CoV-2. La técnica de la PCR se inventó a mediados de los 80 por el Dr. Kary Mullis y, gracias a esta invención, el campo de la Biología Molecular avanzó enormemente. Esta técnica nos permite clonar ADN, es decir, generar miles de copias de una secuencia de ADN determinada. Para que esto suceda, uno de los requisitos es elevar la temperatura de la reacción hasta los 96 °C, con ello, la enzima ADN polimerasa, encargada de copiar y sintetizar la nueva cadena de ADN, deberá ser estable y funcional a dicha temperatura. La extremozima seleccionada para dicha tarea fue la Taq I ADN polimerasa, procedente de la bacteria termófila Thermus aquaticus, la cual se había aislado en 1967 de las fuentes termales del parque nacional de Yellowstone, en Estados Unidos. Esta enzima tiene como temperatura óptima los 70 °C y mantiene una actividad enzimática casi del 100 %, aun cuando la temperatura de reacción se eleva a los 100 °C. Gracias a dichas características de termotolerancia, es que esta proteína se produce a escala industrial, a la vez que abrió el camino para descubrir otras ADN polimerasas termotolerantes, lo que permitió generar variantes de la técnica de PCR ampliando sus aplicaciones.
Imagen: Víctor E. Balderas-Hernández.
Biocatalizadores calientes y fríos
Además de las polimerasas de ácidos nucleicos, existe en el mercado un gran número de enzimas termófilas e hipertermófilas con diversas aplicaciones industriales. Los géneros Thermus, Thermoascus y Streptomyces, por mencionar algunos, han sido fuente para la obtención de extremoenzimas termófilas del tipo amilasas, glucosa oxidasas, proteasas, lipasas y pectinasas, las cuales se aplican ampliamente en la industria alimentaria, en la producción de jarabes y jugos, así como en la producción de cerveza. Otro grupo de extremoenzimas (xilanasas, lacasas, lipasas, esterasas, celulasas y hemicelulasas) se emplean en la industria del blanqueamiento del papel, ya que para la producción de la pulpa, que es el material celulósico base, es necesario emplear temperaturas mayores a los 80 °C, pH alcalino y la aplicación de reactivos corrosivas, como el cloro o el hidróxido de sodio. En este sentido, el uso de extremoenzimas alcalófilas y termófilas, permite generar procesos de producción menos contaminantes y más eficientes.
En el otro extremo de la escala del termómetro, se cuenta con enzimas psicrófilas que tienen temperaturas óptimas entre 4 y 25 °C. Psicroenzimas del tipo lipasas, proteasas y amilasas, se encuentran comercialmente disponibles para la elaboración de detergentes. Dichas enzimas se encargan de la eliminación de manchas a base de grasas, proteínas y carbohidratos, respectivamente, usando agua fría o a temperatura ambiente, lo que conlleva a un impacto energético positivo al eliminar la necesidad de aplicar calor. Inclusive, muchas de estas extremoenzimas deben tener tolerancia a pH alcalino (7-11) y preferentemente tolerancia a sustancias como blanqueadores y al alto contenido de sales.
También, algunos microorganismos psicrófilos, se han empleado para la producción de metabolitos de interés. En nuestro grupo de trabajo se aisló y caracterizó una colección de microorganismos procedentes del Glaciar de Collins, en la Antártica. Entre ellos, los aislados GA0F (U636050, filogenéticamente relacionado a Pseudomonas antarctica) y N92 (EU636058, filogenéticamente relacionado a Pseudorhodobacter sp), son capaces de producir de forma simultánea, y con altos rendimientos, biohidrógeno, bioetanol y 2,3-butanodiol, los cuales tienen amplia aplicación como biocombustibles. Además, estos psicrófilos son capaces de consumir carbohidratos presentes en desechos agroindustriales para la producción de biocombustibles a temperatura ambiente, evitando así la necesidad de gasto energético por calentamiento, generando procesos alternativos para la producción de biocombustibles de una forma rentable y más amigable con el ambiente.
Biotecnología con sabor a sal
Los microorganismos halófilos provenientes de sitios hipersalinos, interesantemente, son microorganismos poliextremófilos con tolerancia a sequía, altas presiones, bajas condiciones nutrimentales, pH hiperalcalinos, bajas temperaturas, alta radiación solar, entre otros. Para hacer frente a tan diversos estresores, producen y acumulan metabolitos intracelulares para la protección de sus biomoléculas del daño ocasionado por el shock osmótico, o por desecación o por temperaturas extremas. Un ejemplo de extremolito (compuesto que se produce bajo condiciones extremas) protector, es el compuesto ectoína, que se produce en altas concentraciones bajo estrés osmótico. Con ello, la ectoína se ha convertido en un compuesto de alta demanda que se produce de forma industrial para la formulación de productos para el cuidado de la piel, protectores solares y coadyuvantes para dosificación de medicamentos cutáneos y oculares. A gran escala, la ectoína se produce principalmente por la halobacteria Halomonas elongata, así como por otras especies como H. titanicae, una halobacteria aislada de los restos del Titanic en 2010, y en la cual se identificó la presencia y funcionalidad de la ectoína como extremolito protector.
En nuestro grupo de trabajo se aisló y caracterizó un grupo de microorganismos procedentes de una salinera localizada en el municipio de Santo Domingo, en San Luis Potosí, México. La mayoría de estas bacterias se categorizaron como hiperhalófilas, tolerando concentraciones superiores al 18 % de NaCl en el medio. Como parte de su caracterización, estas bacterias se emplearon para la biodegradación de un grupo de contaminantes emergentes conocidos como ftalatos, que son plastificantes que se emplean en la fabricación de una gran variedad de productos plásticos; sin embargo, estos plastificantes se han distribuido y acumulado en efluentes, cuerpos de agua, suelos, sedimentos marinos y en organismos como peces, plantas y en el mismo humano, representando una problemática ambiental y de salud a nivel global. Curiosamente, un consorcio de las halobacterias aisladas de la salinera, presentaron la capacidad metabólica para consumir los ftalatos como fuente de carbono, degradando casi en su totalidad (99 %) estos compuestos del medio de crecimiento, sin la generación de co-productos tóxicos. La completa degradación del compuesto di-isononil-ftalato, se llevó a cabo por la acción sincronizada de halobacterias de los géneros Serratia, Methylobacillus, Achromobacter y Pseudomonas. Dicho estudio aportó nueva información sobre el uso de estos microorganismos halotolerantes para la degradación de contaminantes emergentes, alternativos a otros procesos que no son específicos, son más costosos y que además generan co-productos más tóxicos que los originales
Los extremófilos son microorganismos extraordinarios, pero ¿Para quién?
Como hemos constatado, los extremófilos son microorganismos extraordinarios cuyas características y mecanismos de tolerancia nos han permitido obtener avances científicos de gran importancia, los cuales se han traducido en la generación de productos y servicios que mejoran la calidad de vida y permiten dar solución a problemas complejos. El estudio de nuevos nichos extremos como sitios a los cuales no ha llegado el hombre, permitirá seguir descubriendo nuevos integrantes de este selecto grupo de extremotolerantes. Las nuevas técnicas de análisis masivo de ADN, proteínas y/o metabolitos, procedentes de estos nichos hostiles, permitirán hacer minería de genes, proteínas y compuestos de interés para encontrar nuevas extremoenzimas y extremolitos sin la laboriosa necesidad de tener que hacer crecer los microorganismos en el laboratorio, contribuyendo así a la generación de conocimiento y nuevos productos comerciales.
Para Saber más:
Aristizabal, A.M., Caicedo, L.A., Martínez, J.M., Moreno, M. y Echeverria, G.J. (2017). Xenotrasplantes, una realidad cercana en la práctica clínica: Revisión de la literatura. Cirugía Española, 95(2), 62-72. https://www.elsevier.es/es-revista-cirugia-espanola-36-articulo-xenotrasplantes-una-realidad-cercana-practica-S0009739X16302214
Cueva del, C.J.F., Osuna, J.F., Elizondo, F., Pérez, O., Pérez, A., Hernández, S. y Mejía, C. (2007). Aplicación de xenoimplante para el tratamiento de defectos óseos, tumores benignos, seudoartrosis y artrodesis. (Reporte preliminar). Acta Ortopédica Mexicana, 21(1), 31-36. https://www.medigraphic.com/pdfs/ortope/or-2007/or071g.pdf
FDA. (2021). Xenotransplantation. https://www.fda.gov/vaccines-blood-biologics/xenotransplantation
Antonio De León-Rodríguez. División de Biología Molecular, Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, A.C. San Luis Potosí, S. L. P., México.
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Víctor E. Balderas-Hernández. División de Biología Molecular, Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, A.C., San Luis Potosí, S. L. P., México.
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