La bacteria más grande del mundo puedo verse sin la ayuda de un microscopio. Un equipo internacional de investigadores han descrito las características morfológicas y genómicas de un 'macro-microbio', una bacteria filamentosa gigante compuesta por una sola célula descubierta en los manglares de Guadalupe, en Las Antillas. Utilizando varias técnicas de microscopía, el equipo también observó nuevos compartimentos unidos a la membrana que contienen grupos de ADN denominados 'pepinos', según publican en la revista 'Science'.
“It’s 5,000 times bigger than most bacteria.... it would be like a human encountering another human as tall as Mount Everest." -@JeanVolland @jgi @lrcsystems @BerkeleyLab @ScienceMagazine https://t.co/3bGBud55cU
— Joint Genome Institute (@jgi) June 23, 2022
El tamaño inusual es notable porque las bacterias no suelen ser visibles sin la ayuda del microscopio. "Es 5.000 veces más grande que la mayoría de las bacterias. Para ponerlo en contexto, sería como si un humano se encontrara con otro tan alto como el Monte Everest", explica Jean-Marie Volland, científico del Instituto Conjunto del Genoma (JGI) del Departamento de Energía (DOE) de Estados Unidos, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE ubicada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y el Laboratorio de Investigación en Sistemas Complejos (LRC).
En la mayoría de las bacterias, su ADN flota libremente en el citoplasma de sus células. Esta especie de bacteria recién descubierta mantiene su ADN más organizado. "La gran sorpresa del proyecto fue darnos cuenta de que estas copias del genoma que están repartidas por toda la célula están realmente contenidas dentro de una estructura que tiene una membrana -recuerda Volland-. Y esto es muy inesperado para una bacteria".
La bacteria fue descubierta por Olivier Gros, profesor de biología marina de la Universidad de las Antillas de Guadalupe, en 2009. Su investigación se centra en los sistemas de manglares marinos, y estaba buscando simbiontes oxidantes del azufre en sedimentos de manglares ricos en azufre no muy lejos de su laboratorio cuando encontró por primera vez la bacteria. "Cuando las vi, pensé: Qué raro -explica-. Al principio pensé que era algo curioso, unos filamentos blancos que debían estar unidos a algo en el sedimento, como una hoja". El laboratorio realizó algunos estudios de microscopía durante los dos años siguientes y se dio cuenta de que se trataba de un procariota que oxida el azufre.
Silvina González-Rizzo, profesora asociada de biología molecular en la Universidad de las Antillas y coprimera autora del estudio, realizó la secuenciación del gen 16S rRNA para identificar y clasificar el procariota. "Pensé que eran eucariotas; no creía que fueran bacterias porque eran muy grandes y parecían tener muchos filamentos -reconoce sobre su primera impresión-. Nos dimos cuenta de que eran únicas porque parecían una sola célula. El hecho de que fueran un 'macro' microbio era fascinante".
"Comprendió que se trataba de una bacteria perteneciente al género Thiomargarita -explica Gros-. La llamó 'Ca. Thiomargarita magnifica'". "Magnifica porque magnus en latín significa grande y creo que es preciosa como la palabra francesa magnifique -aclara González-Rizzo-. Este tipo de descubrimiento abre nuevos interrogantes sobre los morfotipos bacterianos que nunca antes se habían estudiado".
En el JGI, Volland comenzó a estudiar el 'Ca. T. magnifica' en el Grupo de Células Individuales de Tanja Woyke para comprender mejor lo que hacía esta bacteria oxidante del azufre y fijadora de carbono en los manglares.
"Los manglares y sus microbiomas son ecosistemas importantes para el ciclo del carbono. Si se observa el espacio que ocupan a escala mundial, es menos del 1% de la zona costera de todo el mundo. Pero si se examina el almacenamiento de carbono, se constata que contribuyen a un 10-15% del carbono almacenado en los sedimentos costeros", explica Woyke, que también dirige el Programa Microbiano del JGI y es uno de los autores principales del artículo.
El equipo también se vio obligado a estudiar estas grandes bacterias a la luz de sus posibles interacciones con otros microorganismos. "Iniciamos este proyecto en el marco del impulso estratégico del JGI sobre las interacciones interorganismos, porque se ha demostrado que las grandes bacterias del azufre son puntos calientes para los simbiontes -señala Woyke-. Sin embargo, el proyecto nos llevó a una dirección muy diferente".
Volland asumió el reto de visualizar estas células gigantes en tres dimensiones y con un aumento relativamente alto. Utilizando diversas técnicas de microscopía, como la tomografía de rayos X duros, por ejemplo, visualizó filamentos enteros de hasta 9,66 mm de longitud y confirmó que se trataba efectivamente de células gigantes individuales y no de filamentos multicelulares, como es habitual en otras grandes bacterias del azufre. Las técnicas de obtención de imagen le permitieron observar nuevos compartimentos unidos a la membrana que contienen grupos de ADN. Llamó a estos orgánulos 'pepinos', por las pequeñas semillas de las frutas, ya que los racimos de ADN eran abundantes en las células individuales.
El equipo aprendió sobre la complejidad genómica de la célula. Como señala Volland, "las bacterias contienen tres veces más genes que la mayoría de las bacterias y cientos de miles de copias del genoma (poliploidía) que están repartidas por toda la célula". El equipo del JGI utilizó entonces la genómica unicelular para analizar cinco de las células bacterianas a nivel molecular. Amplificaron, secuenciaron y ensamblaron los genomas. Paralelamente, el laboratorio de Gros también utilizó una técnica de etiquetado conocida como BONCAT para identificar las áreas implicadas en las actividades de fabricación de proteínas, que confirmó que todas las células bacterianas estaban activas.
"Este proyecto ha sido una buena oportunidad para demostrar cómo ha evolucionado la complejidad en algunos de los organismos más simples -destaca Shailesh Date, fundador y director general del LRC, y uno de los autores principales del artículo-. Una de las cosas que hemos argumentado es que es necesario observar y estudiar la complejidad biológica con mucho más detalle de lo que se hace actualmente. Así que los organismos que pensamos que son muy, muy simples podrían tener algunas sorpresas", añade.
Para el equipo, la caracterización de 'Ca. Thiomargarita magnifica' ha abierto el camino a múltiples preguntas de investigación. Entre ellas, el papel de la bacteria en el ecosistema del manglar. "Sabemos que crece y prospera sobre el sedimento del ecosistema de manglares en el Caribe -apunta Volland-. En términos de metabolismo, hace quimiosíntesis, que es un proceso análogo a la fotosíntesis para las plantas".
Otra cuestión pendiente es si los nuevos orgánulos denominados pepinas desempeñaron un papel en la evolución del tamaño extremo de la Thiomargarita magnifica, y si las pepinas están presentes o no en otras especies bacterianas. También queda por estudiar la formación precisa de los pepinos y cómo se producen y regulan los procesos moleculares dentro y fuera de estas estructuras.
Tanto González-Rizzo como Woyke ven en el cultivo exitoso de las bacterias en el laboratorio una forma de obtener algunas de las respuestas. "Si podemos mantener estas bacterias en un entorno de laboratorio, podremos utilizar técnicas que ahora mismo no son factibles", subraya Woyke. Gros quiere observar otras bacterias de gran tamaño. "Se pueden encontrar algunas fotos de TEM y ver lo que parecen pepinos, así que tal vez la gente los vio pero no entendió lo que eran -comenta-. Será muy interesante comprobarlo, si los pepinos ya están presentes en todas partes".
