El lago Mono, en Sierra Nevada oriental, es conocido por sus imponentes formaciones de toba calcárea, sus abundantes artemias y sus nubes negras de moscas alcalinas especialmente adaptadas al agua salada y cargada de arsénico y cianuro.
© Kayley Hake, Nicole King lab, UC BerkeleyUna colonia de choanoflagelados teñida para mostrar sus características. El cian indica el ADN -el ADN en forma de rosquilla de las células de los choanoflagelados y una nube de ADN bacteriano en el interior de la colonia-, mientras que los flagelos son blancos y los pelos microscópicos (vellosidades) de cada célula son rojos.
Se trata de un choanoflagelado, una forma de vida microscópica unicelular que puede dividirse y desarrollarse en colonias multicelulares de forma similar a como se forman los embriones animales. Sin embargo, no es un tipo de animal, sino un miembro de un grupo hermano de todos los animales. Y como pariente vivo más cercano de los animales, el choanoflagelado es un modelo crucial para el salto de la vida unicelular a la pluricelular.
Sorprendentemente, alberga su propio microbioma, lo que le convierte en el primer choanoflagelado conocido que establece una relación física estable con las bacterias, en lugar de limitarse a comerlas. Como tal, es uno de los organismos más simples que se conoce que tenga un microbioma.
«Se sabe muy poco de los choanoflagelados, y hay fenómenos biológicos interesantes que sólo podemos comprender si entendemos su ecología», afirma Nicole King, profesora de Biología Molecular y Celular de la Universidad de Berkeley e investigadora del Instituto Médico Howard Hughes (HHMI), que estudia los choanoflagelados como modelo de cómo era la vida en los antiguos océanos.
Los choanoflagelados, que sólo pueden verse al microscopio, suelen ser ignorados por los biólogos acuáticos, que se centran en animales macroscópicos, algas fotosintéticas o bacterias. Pero su biología y estilo de vida pueden ayudar a comprender mejor las criaturas que existían en los océanos antes de que evolucionaran los animales y que acabaron dando lugar a éstos. Esta especie en concreto podría arrojar luz sobre el origen de las interacciones entre animales y bacterias que dieron lugar al microbioma humano.
La nueva especie Barroeca monosierra descubierta en el lago Mono. Las colonias de estos organismos están formadas por numerosas células idénticas (cian), cada una con flagelos (verde) que les permiten propulsarse por el agua. Esta colonia de choanoflagelados alberga su propio microbioma (rojo), algo nunca visto en estos organismos. La matriz extracelular con la que interactúan las bacterias se muestra en blanco.
«Los animales evolucionaron en océanos llenos de bacterias», explica King. «Si pensamos en el árbol de la vida, todos los organismos que están vivos ahora están relacionados entre sí a través del tiempo evolutivo. Así que si estudiamos los organismos que están vivos hoy, podemos reconstruir lo que ocurrió en el pasado».
King y sus colegas de la UC Berkeley describieron el organismo -al que llamaron Barroeca monosierra, en honor al lago- en un artículo publicado el 14 de agosto en la revista mBio.
Una hermosa colonia
Hace casi 10 años, Daniel Richter, entonces estudiante de Berkeley, regresó de un viaje de escalada en Sierra Nevada Oriental con un vial de agua del lago Mono que había recogido casualmente por el camino. Al microscopio, estaba llena de choanoflagelados. Aparte de las artemias, las moscas alcalinas y varias especies de nematodos, hay pocas formas de vida que vivan en las inhóspitas aguas del lago.
«Estaba repleta de estas grandes y hermosas colonias de choanoflagelados», dijo King. «Quiero decir, eran las más grandes que habíamos visto nunca».
Las colonias de lo que parecían ser cerca de 100 células idénticas de choanoflagelados formaban una esfera hueca que giraba y giraba a medida que cada célula individual movía sus flagelos.
© Alain Garcia De Las Bayonas, Nicole King labColonias globulares del choanoflagelado B. monosierra vistas al microscopio. Como indica la barra de escala de 50 micrones, estas colonias están en el límite de lo visible a simple vista.
En ese momento, sin embargo, King estaba ocupada con otras especies de choanos, como ella los llama, así que los choanos del lago Mono languidecieron en el congelador hasta que algunos estudiantes los revivieron y los tiñeron para observar sus inusuales cromosomas en forma de rosquilla. Sorprendentemente, también había ADN en el interior de la colonia hueca, donde no debería haber células. Tras una investigación más exhaustiva, la estudiante de posgrado Kayley Hake determinó que se trataba de bacterias.
«Las bacterias fueron una gran sorpresa. Fue fascinante», afirma King.
Hake también detectó estructuras conectivas, denominadas matriz extracelular, en el interior de la colonia esférica que eran secretadas por los choanos.
Sólo entonces se les ocurrió a Hake y King que podría tratarse no de los restos de las bacterias que comían los choanos, sino de bacterias que vivían y se alimentaban del material segregado por la colonia.
«Nadie había descrito nunca un choanoflagelado con una interacción física estable con bacterias», dijo. «En nuestros estudios anteriores, descubrimos que los choanos respondían a pequeñas moléculas bacterianas que flotaban en el agua, o [que] los choanos se comían las bacterias, pero no había ningún caso en el que estuvieran haciendo algo que potencialmente pudiera ser una simbiosis. O en este caso, un microbioma».
© avis Laundon y Pawel Burkhardt, Centro Sars, Noruega; Kent McDonald y Nicole King, UC BerkeleyReconstrucción en 3D de una colonia esférica de 70 choanoflagelados de la nueva especie Barroeca monosierra descubierta en el lago Mono. Las colonias de estos organismos están formadas por numerosas células idénticas (cian), cada una con flagelos (naranja) que les permiten propulsarse por el agua. Esta colonia de choanoflagelados alberga su propio microbioma, algo nunca visto en estos organismos
Después de que el laboratorio de Banfield identificara los microbios del agua del lago Mono, Hake creó sondas de ADN para determinar cuáles se encontraban también en el interior de los choanos. Las poblaciones bacterianas no eran idénticas, dijo King, por lo que evidentemente algunas bacterias sobreviven mejor que otras dentro del lumen falto de oxígeno de la colonia de choanoflagelados. Hake determinó que no estaban allí accidentalmente; estaban creciendo y dividiéndose. Quizá escapaban del ambiente tóxico del lago, pensó King, o quizá los choanos cultivaban las bacterias para comérselas.
Admite que en gran parte se trata de especulaciones. En futuros experimentos se descubrirá cómo interactúan las bacterias con los choanoflagelados. Trabajos anteriores de su laboratorio ya han demostrado que las bacterias actúan como un afrodisíaco para estimular el apareamiento en los choanoflagelados, y que las bacterias pueden estimular a los choanos unicelulares para que se agrupen en colonias.
Para ella, el choanoflagelado del lago Mono se convertirá en otro sistema modelo en el que estudiar la evolución, al igual que los choanos que viven en los charcos de la isla de Curaçao en el Caribe -su principal objetivo en este momento- y los choanos de los charcos de los polos norte y sur. Sin embargo, conseguir más muestras del lago Mono puede ser todo un reto. En una visita reciente, sólo seis de 100 muestras contenían estos microorganismos energéticos.
«Creo que queda mucho por hacer sobre la vida microbiana del lago Mono, porque es la base de todo lo demás sobre el ecosistema», afirma King. «Estoy entusiasmada con B. monosierra como nuevo modelo para estudiar las interacciones entre eucariotas y bacterias. Y espero que nos diga algo sobre la evolución. Pero aunque no lo haga, creo que es un fenómeno fascinante».
Además de King, Banfield, Hake y Richter, entre los coautores del trabajo de la UC Berkeley figuran el antiguo estudiante de doctorado Patrick West, el microscopista electrónico Kent McDonald y los becarios postdoctorales Josean Reyes-Rivera y Alain García De Las Bayonas.
Más información: K. H. Hake et al, A large colonial choanoflagellate from Mono Lake harbors live bacteria, mBio (2024). DOI: 10.1128/mbio.01623-24
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