Aprovechar el océano como fuente de productos naturales
Se descubren nuevas especies y nuevas moléculas
Utilizando datos de ADN, los investigadores de la ETH han examinado el agua de mar para encontrar no sólo nuevas especies de bacterias, sino también productos naturales desconocidos hasta ahora que podrían resultar beneficiosos algún día.
Las bacterias marinas son una importante reserva de compuestos químicos aún no descubiertos que podrían ser de interés para el ser humano.
Helena Klein / ZHdK
Los océanos están repletos de innumerables formas de vida, desde la mayor criatura del mundo -la ballena azul- hasta minúsculos microorganismos. Además de su gran número, estos microorganismos son cruciales para garantizar el buen funcionamiento de todo el sistema ecológico y climático. Por ejemplo, hay variedades fotosintéticamente activas, como las cianobacterias, que producen alrededor del 50% del oxígeno de la atmósfera. Además, al eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera, los microorganismos ayudan a contrarrestar el calentamiento global.
A pesar de este importante papel, la investigación sobre la diversidad de microorganismos que se encuentran en el océano ha sido hasta ahora sólo rudimentaria. Por ello, un grupo de investigadores dirigido por Shinichi Sunagawa, catedrático de Investigación del Microbioma, colabora estrechamente con el grupo de Jörn Piel para investigar esta diversidad. Ambos grupos se encuentran en el Instituto de Microbiología de la ETH de Zúrich.
Para detectar nuevos productos naturales fabricados por bacterias, Sunagawa y su equipo examinaron los datos de ADN disponibles públicamente de 1.000 muestras de agua recogidas a diferentes profundidades en todas las regiones oceánicas del mundo. Los datos procedían de fuentes como expediciones oceánicas y plataformas de observación situadas en el mar.
Gracias a las tecnologías modernas, como el análisis de ADN ambiental (ADNe), es más fácil buscar nuevas especies y descubrir qué organismos conocidos pueden encontrarse en cada lugar. Pero lo que apenas se sabe es qué efectos especiales ofrecen los microorganismos marinos, es decir, qué compuestos químicos fabrican que son importantes para las interacciones entre los organismos. En el mejor de los casos, esos compuestos también beneficiarían a los humanos. La investigación se basa en la suposición de que el microbioma oceánico alberga un gran potencial de productos naturales que podrían resultar beneficiosos, por ejemplo, por sus propiedades antibióticas.
El ADN electrónico extraído presente en las muestras fue secuenciado por los investigadores originales de las distintas expediciones. Al reconstruir genomas enteros en el ordenador, los científicos consiguieron descifrar la información codificada, los planos de las proteínas. Finalmente, consolidaron estos nuevos datos junto con los 8.500 conjuntos de datos de genomas de microorganismos marinos existentes en una única base de datos.
De este modo, obtuvieron 35.000 genomas para buscar nuevas especies microbianas y, en particular, grupos de genes biosintéticos (BGC) prometedores. Un BGC es un grupo de genes que proporciona la vía de síntesis de un producto natural.
Nuevas especies y nuevas moléculas descubiertas
En estos datos del genoma, los investigadores detectaron no sólo muchos BGC potencialmente útiles -unos 40.000 en total-, sino también especies de bacterias no descubiertas anteriormente, pertenecientes al filo Eremiobacterota. Se sabía que este grupo de bacterias sólo existía en entornos terrestres y no presentaba ninguna diversidad biosintética especial.
Sunagawa y su equipo denominaron a una nueva familia de estas bacterias como Eudoremicrobiaceae, y también pudieron demostrar que estas bacterias son comunes y están muy extendidas: una especie perteneciente a esta familia, Eudoremicrobium malaspinii, representa hasta el 6 por ciento de todas las bacterias presentes en ciertas zonas del océano.
"Los parientes del océano poseen lo que para las bacterias es un genoma gigantesco. Descifrarlo por completo fue un reto técnico porque los organismos no se habían cultivado antes", afirma Sunagawa. Además, las nuevas bacterias resultaron pertenecer al grupo de microorganismos que presenta la mayor diversidad de BGC de todas las muestras examinadas. "Tal y como están las cosas, son la familia más diversa desde el punto de vista biosintético en la columna de agua oceánica", afirma.
Los investigadores examinaron en detalle dos BGC de Eudoremicrobiaceae . Uno de ellos era un grupo de genes que contenía el código genético de enzimas que, según Sunagawa, nunca se habían encontrado en esta constelación en un BGC bacteriano. El otro ejemplo examinado era un producto natural bioactivo que inhibe una enzima proteolítica.
Los experimentos de validación dieron lugar a una sorpresa
En colaboración con el grupo dirigido por Jörn Piel, los investigadores utilizaron experimentos para validar la estructura y la función de ambos productos naturales. Como E. malaspinii no podía cultivarse, el equipo de Piel tuvo que injertar genes en una bacteria modelo para que actuaran como planos de los productos naturales. A continuación, esta bacteria produjo las sustancias correspondientes. Por último, los investigadores aislaron las moléculas de las células, determinaron la estructura y validaron la actividad biológica.
Esto fue necesario porque en un caso, la actividad enzimática predicha por los programas informáticos no coincidía con los resultados de los experimentos. "Las predicciones informáticas sobre las reacciones químicas que desencadenará una enzima tienen sus limitaciones", afirma Sunagawa. "Por eso hay que validar esas predicciones en el laboratorio si hay alguna duda".
Hacerlo es un esfuerzo costoso y que lleva mucho tiempo y que simplemente no es viable para una base de datos de 40.000 productos naturales potenciales. "Sin embargo, nuestra base de datos tiene mucho que ofrecer, y es accesible para todos los investigadores que deseen utilizarla", afirma Sunagawa.
Más allá de la colaboración continuada con el grupo de Piel para descubrir nuevos productos naturales, Sunagawa quiere investigar cuestiones no resueltas de la evolución y la ecología de los microorganismos oceánicos. Entre ellas está la de cómo se dispersan los microorganismos en el océano, dado que sólo pueden extenderse a grandes distancias de forma pasiva. También quiere descubrir qué beneficios ecológicos o evolutivos crean ciertos genes para los microbios. Sunagawa sospecha que los BGC pueden desempeñar un papel importante.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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