Las bacterias están a nuestro alrededor, y eso está bien

Victoria Orphan ha amado el océano desde que tiene memoria. Solía bucear en el Océano Pacífico cerca de la casa de su familia en San Diego, California. Tomaba su máscara y tubo de snorkel para visitar el mundo oculto de plantas y animales bajo la superficie del océano. Huérfana fue a la universidad de la Universidad de California, Santa Bárbara, a principios de la década de 1990, donde descubrió algo que cambió su forma de pensar sobre los océanos y la vida en la Tierra.

Otro estudiante le mostró un pequeño frasco de agua de mar. A Orphan no le pareció tan interesante. Era simplemente agua. Luego, el otro estudiante agregó un químico fluorescente al agua y le iluminó con luz ultravioleta. El tubo se iluminó cuando millones de pequeñas bacterias comenzaron a brillar. Momentos antes, los microbios habían sido invisibles. «Estos organismos diminutos estaban por todas partes», dice Orphan, » y sin embargo no podíamos verlos. No sabíamos casi nada de ellos.»

Ahora pasa sus días explorando este mundo unicelular oculto. Como geobiólogo en Caltech en Pasadena, California., estudia cómo las bacterias y otras formas de vida microscópicas dan forma a las profundidades del mar.

Las bacterias desempeñan un papel central en muchos ecosistemas. Estos incluyen los océanos, el suelo y la atmósfera. También son una gran parte de la red alimentaria mundial. Las bacterias hacen posible la existencia de todas las demás formas de vida en la Tierra. Es por eso que los científicos dicen que estos organismos unicelulares son la columna vertebral invisible de toda la vida, al menos en la Tierra.

Sin embargo, hay mucho que no sabemos sobre ellos. Los científicos creen que han identificado menos del uno por ciento de todas las especies bacterianas. Eso ha llevado a Orphan y a otros a explorar los misterios de su mundo unicelular. Sospechan que las bacterias serán clave para comprender y proteger los recursos naturales más importantes de la Tierra.

Los comedores de metano

Algunas bacterias comen cosas realmente extrañas. Los científicos han encontrado bacterias que se alimentan de rocas, aguas residuales, incluso desechos nucleares. Orphan estudia un tipo de bacteria que vive en el fondo del mar y engulle metano.

El metano es un gas de efecto invernadero. Al igual que el dióxido de carbono y algunos otros gases de efecto invernadero, entra al aire cuando la gente quema petróleo, gas y carbón. También hay fuentes naturales de metano, como el gas natural, la producción de arroz y el estiércol de vaca. Los gases de efecto invernadero atrapan el calor en la atmósfera. Un exceso de estos gases en la atmósfera de la Tierra ha estado calentando el clima global.

El metano puede filtrarse de la Tierra en el fondo marino. Algunos científicos dicen que incluso más metano escaparía a la atmósfera si no fuera por bacterias marinas. Algunas de esas bacterias comen metano. Eso permite que los océanos atrapen una gran cantidad de gas. «Estos microorganismos son los guardianes. Evitan que el metano de los océanos llegue a la atmósfera, donde puede cambiar los niveles de gases de efecto invernadero», explica Orphan.

Encontrar organismos unicelulares en el vasto fondo marino puede ser un desafío. A través de la ventana de un submarino, busca grupos de almejas y gusanos tubulares gigantes. Estos organismos indican que allí también viven bacterias marinas invisibles. Dondequiera que vivan esos devoradores de metano, crean nuevas moléculas mientras comen. Otros organismos usan esas nuevas moléculas como alimento. Toda una red alimenticia surge en el fondo del océano.

Huérfana y su equipo han encontrado bacterias que se alimentan de metano a lo largo de grietas en el fondo del mar, donde este gas se está filtrando. Estas grietas a menudo ocurren cuando dos placas tectónicas chocan entre sí.

Algunas bacterias, aprendieron, pueden comer metano solo asociándose con otros organismos unicelulares llamados arqueas (Ar-KEE-uh). Ese importante detalle podría ayudar a los científicos a predecir mejor cuánto metano se escapa al aire, dice Orphan.

En las trincheras

Los devoradores de metano no son las únicas bacterias de aguas profundas que interesan a los científicos. «El mar profundo es el hogar de algunos microbios bastante geniales», dice Jennifer Biddle. Es microbióloga marina en la Universidad de Delaware en Newark. Biddle estudia las bacterias que viven en las fosas oceánicas profundas.

Estos cañones submarinos son algunos de los lugares menos estudiados de la Tierra. Son increíblemente difíciles de alcanzar. Challenger Deep gana el récord del lugar más profundo conocido del planeta. En el fondo de la Fosa de las Marianas, en el Pacífico occidental, el Abismo Challenger se encuentra a unos 11 kilómetros (más de 7 millas) por debajo de la superficie del océano. Si el Monte Everest, la montaña más alta del mundo, se sentara en la Fosa de las Marianas, su pico aún estaría a más de una milla por debajo de las olas.

La Fosa de las Marianas es uno de los lugares más difíciles para sobrevivir. No llega luz solar. Sus temperaturas son frías. Los animales grandes, como las ballenas o los peces, no pueden visitarlos porque las intensas presiones allí los aplastarían. No es de extrañar, entonces, que la mayoría de los lugareños sean microscópicos. Han adaptado sus condiciones extremas.

Biddle y otros científicos se asociaron con exploradores de las profundidades oceánicas para enviar un submarino a la Profundidad Challenger. James Cameron pilotaba la nave. (Es el director de cine famoso por Avatar y Titanic. Cameron visitó el fondo de Challenger Deep en marzo de 2012 mientras realizaba un documental llamado Deepsea Challenge 3D, pero la caminata del submarino no era solo para obtener un video fascinante para la pantalla grande. El buque también trajo sedimentos del fondo de la zanja.

Biddle y los otros científicos examinaron ese sedimento en busca de ADN. Estaban buscando genes de bacterias familiares. Encontraron pruebas de algo conocido como Parcubacteria.

Los científicos ni siquiera sabían que este gran grupo de bacterias existía hasta 2011. En ese entonces, encontraron algo en el agua subterránea y tierra de unos pocos lugares en la tierra. Pero el grupo de Biddle ahora mostró que también sobrevive en una de las profundidades más inaccesibles del océano.

Aquí, en el suelo de la zanja, los microbios respiraban nitrógeno, no oxígeno(como lo hacían en tierra). Y eso tiene sentido. Se habían adaptado al nitrógeno ya que su hogar tenía poco acceso al oxígeno.

Cuantos más lugares encontremos bacterias tan poco conocidas, dice Biddle, más podremos aprender sobre lo que hacen por sus ecosistemas.

La historia continúa a continuación del video.

Del pan a los biocombustibles

Incluso las bacterias en nuestras cocinas y pilas de compost interesan a los científicos.

El pan de masa madre obtiene su sabor agrio único cuando una mezcla de bacterias mastica los azúcares de la harina de pan. Esas bacterias producen dióxido de carbono, ácidos y otros compuestos sabrosos. Pero para funcionar, las bacterias de masa madre necesitan a sus amigos. Aísla solo una especie bacteriana de la mezcla y la reacción química no ocurrirá. Sin masa madre.

El microbiólogo Steve Singer vive cerca de San Francisco, una ciudad de California famosa por el pan de masa madre. Trabaja para el Departamento de Energía del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Y sospechaba que podría usar las lecciones de la masa madre para hacer mejores biocombustibles. Estos combustibles basados en plantas pueden alimentar automóviles o camiones. Se consideran «verdes», es decir, más amigables con la Tierra, que los combustibles fósiles.

Para fabricar biocombustibles, los científicos deben descomponer las plantas en azúcares. Estos azúcares se pueden convertir en combustibles como el etanol (un tipo de alcohol). Las reacciones químicas que descomponen las plantas requieren la ayuda de enzimas. Son moléculas que activan o aceleran las reacciones químicas.

Las enzimas que se utilizan actualmente para fabricar biocombustibles son caras. Tampoco funcionan bien, dice Singer. Es por eso que investigadores de todo el mundo están buscando enzimas que podrían reducir el costo y acelerar la producción de biocombustibles.

Dirigió su búsqueda a la pila de compost. Allí, las comunidades bacterianas estaban trabajando duro para descomponer frutas y verduras en descomposición.

Singer llevó una pequeña muestra del compost a su laboratorio. Allí, dejó que las bacterias del compost crecieran en un vaso de precipitados. Más tarde, recolectó enzimas que estas bacterias fabricaban y las probó en otros trozos de plantas. Funcionó: Las enzimas descompusieron las plantas en azúcares.

Al igual que las bacterias de masa madre necesitan que sus amigos funcionen, Singer descubrió que estos microbios producían las enzimas útiles solo cuando formaban parte de comunidades robustas de diferentes bacterias de compost. Singer ahora está ampliando su proyecto. Su equipo está cultivando bacterias en enormes cubas llamadas biorreactores. Después de fabricar muchas de las enzimas nuevas, puede probar si funcionan mejor que las existentes para convertir los desechos de la planta en combustibles.

«Tomar algo del medio ambiente y tratar de averiguar cómo funciona es una de las mejores partes de ser microbiólogo», dice Singer.

Meta microbios

Singer está estudiando sus nuevas enzimas sin saber qué bacterias las están fabricando. Esto no es tan inusual. Las bacterias son invisibles a simple vista. Incluso con un microscopio, distinguir dos especies puede ser difícil. No se ven tan diferentes como dos especies de pájaros o flores.

Los científicos necesitaban una forma diferente de distinguir las bacterias y saber cuándo se han topado con otras nuevas. La clave de esta investigación: el ADN.

Todos los organismos derraman un poco de ADN en todo su entorno. «Es como una huella dactilar. Cada uno es único», explica Kelly Ramírez. Estudia bacterias en el Instituto de Ecología de los Países Bajos en Wageningen.

Haz un hisopo en el mostrador de la cocina y es posible que encuentres ADN humano (de ti y de tus padres). Puede haber algo de ADN vegetal (de las verduras que acabas de cortar) y de un hongo o dos. Incluso puede haber ADN de perro o gato si tienes una mascota. También obtendrás un montón de ADN bacteriano porque, bueno, ¡bacterias a en todas partes!

Todos los fragmentos genéticos desechados se conocen como ADN ambiental o eDNA.

Los científicos pueden usar estas huellas genéticas para descubrir nuevas bacterias, señala Ramírez. Solo necesitan llevar un poco de tierra, agua de mar o compost a un laboratorio y comprobar lo que hay en él.

La suma de todo el material genético en un entorno se denomina metagenoma (MET-uh-GEE-noam). Piensa en ello como una sopa de ADN. Todas las moléculas utilizadas para construir los genes de diferentes organismos están mezcladas.

Los científicos usan computadoras para desenredar el desorden.

Como un colador, los programas de computadora filtran la sopa. Buscan patrones familiares conocidos como secuencias genéticas. Forman la huella de ADN de un organismo. Si los científicos encuentran una huella digital que no reconocen, puede ser porque es de alguna especie nueva.

Los científicos pueden comparar estos patrones con las huellas dactilares de bacterias conocidas para ver dónde caen las nuevas bacterias dentro del árbol de la vida. «Ahora podemos descubrir nuevos microbios sin verlos», explica Biddle, de la Universidad de Delaware.

El miembro bacteriano del árbol de la vida está brotando nuevos brotes y ramas más rápido que en cualquier otro momento de la historia. Hace treinta años, todos los organismos unicelulares conocidos en el planeta encajaban en una docena de grupos principales. Ahora hay alrededor de 120 grupos conocidos, o phyla (FY-lah). Y el número de bacterias nombradas en cada grupo crece diariamente.

Little life, big data

¿Qué obtienes cuando sumas las secuencias de ADN de millones de bacterias nuevas? Montones y montones de datos.

Puedes pensar en el planeta como una máquina, y en todos los ecosistemas de la Tierra como partes de la máquina, dice Jack Gilbert. Todos estos datos sobre el ADN bacteriano son clave para «comprender las partes que componen la máquina y cómo funcionan todas juntas», dice. Gilbert es microbiólogo en el Laboratorio Nacional Argonne, cerca de Chicago, Ill.

Su equipo está tratando de organizar esos datos en un catálogo virtual de todas las bacterias de la Tierra. Se llama el Proyecto del Microbioma de la Tierra. Más de 1.000 científicos de todo el mundo están ayudando a recoger muestras. Están buscando en una gran cantidad de entornos diferentes, y luego los analizan para detectar ADN bacteriano.

hasta ahora, los investigadores han recogido 100.000 muestras. Han catalogado bacterias del océano más profundo. Han encontrado bacterias en la Estación Espacial Internacional, a unos 350 kilómetros (220 millas) sobre la Tierra. Han descubierto bacterias en lugares exóticos como la selva amazónica y lugares comunes como baños públicos.

Descubrir qué bacterias acechan allí, y por qué, es el primer paso para comprender cómo los diferentes ecosistemas impulsan la vasta máquina que consideramos vida en la Tierra. Aprender sobre las bacterias puede ayudarnos a responder preguntas sobre cómo funciona nuestro planeta, dice Gilbert. Las bacterias pueden explicar por qué los arrecifes de coral en el océano rebosan de vida. O podrían explicar por qué los suelos de las praderas de América del Norte son tan buenos para plantar cultivos.

Por eso esta búsqueda es tan importante, dice: «Este es el conocimiento que puede ayudarnos a cuidar mejor el planeta.”