Aunque sólo viven unas horas antes de dividirse, las bacterias pueden anticipar la llegada del frío y prepararse para él. El descubrimiento sugiere que el seguimiento estacional es fundamental para la vida.
Introducción
Todos los años, en latitudes suficientemente al norte o al sur, una enorme franja de vida en la Tierra percibe que se acerca el invierno. Las hojas caen de los árboles, los gorriones vuelan a los trópicos, a los mapaches les crecen gruesos abrigos de invierno y nosotros sacamos nuestros jerséis del armario. Ahora los científicos han demostrado que esta capacidad de anticipar días más cortos y temperaturas más frías es más fundamental para la vida de lo que se pensaba: Incluso los organismos unicelulares de vida corta perciben la duración del día y se preparan para el invierno.
Experimentos de laboratorio, publicados recientemente en Science, muestran que las cianobacterias -un tipo de bacteria que produce energía a partir de la luz solar mediante la fotosíntesis- anticipan el cambio (abre una nueva pestaña) abrigándose a su manera. Activan un conjunto de genes estacionales, incluidos algunos que ajustan la composición molecular de sus membranas celulares, para mejorar sus probabilidades de supervivencia.
Los autores del estudio se sorprendieron al descubrir esta capacidad de detectar las estaciones en un organismo que sólo vive unas cinco horas en el laboratorio antes de dividirse. «Parecía una idea absurda pensar que las bacterias se preocupan por algo que ocurre a una escala mucho mayor que su tiempo de vida», afirma Luísa Jabbur, cronobióloga microbiana del Centro John Innes de Norwich (Inglaterra) y autora principal del nuevo trabajo.
Pero las cianobacterias tienen un incentivo evolutivo para transmitir información relevante a su progenie: Cada célula se divide en dos clones idénticos, y cada uno de ellos también lo hace, ad infinitum. Carl Johnson (abre una nueva pestaña), autor principal del artículo en la Universidad de Vanderbilt, lo comparó con el modo en que las mariposas monarca migran al sur durante el invierno pero nunca hacen el viaje de vuelta al norte: sus descendientes lo hacen. «Cuando empiezas a pensar más en un linaje, o como la colonia o población», dijo, "entonces ese tipo de cosas tiene mucho sentido".
El descubrimiento conecta a las cianobacterias con una plétora de organismos mucho más complejos con ritmos estacionales, e indica que la anticipación de las estaciones puede haber surgido en una fase temprana de la evolución de la vida. Incluso puede ser anterior a los relojes internos que dan al organismo la noción del día y la noche. «Esta cuestión de la estacionalidad puede ser fundamental para explicar la existencia de los relojes [biológicos]», afirma el biólogo celular Mike Rust (abre una nueva pestaña), que estudia los ritmos internos de las cianobacterias en la Universidad de Chicago y no participó en la nueva investigación. Mantenerse sincronizado con las estaciones podría ser más antiguo y más elemental para la vida de lo que nadie sospechaba».
Cómo las células marcan el tiempo
Cuando Johnson empezó a estudiar en la década de 1970, los científicos ya sabían que los relojes circadianos -los cronómetros internos de los organismos para el ciclo día-noche- son omnipresentes en plantas y animales multicelulares. Estos dispositivos moleculares coreografían delicados bailes, como el de las plantas que despliegan sus hojas por la mañana y las cierran por la noche. (También son la razón por la que los humanos tienen horas de sueño y vigilia definitivas, así como sensaciones inconexas cuando viajan entre zonas horarias o trasnochan).
Pero la idea de que organismos simples como las bacterias también pudieran tener relojes diarios se consideró controvertida. Johnson estudió la posibilidad en la universidad, pero sin éxito. Pero en 1986 se descubrió que las cianobacterias sí tienen ritmos diarios. Cuando el fisiólogo vegetal sudafricano Nathanaël Grobbelaar expuso las cianobacterias a periodos de luz y oscuridad, observó que las células procesaban nitrógeno, un nutriente clave, sólo durante la noche simulada (abre una nueva pestaña). Este fue el primer registro de un ritmo interno día-noche en un organismo unicelular.
El descubrimiento dio a Johnson una idea: si las cianobacterias tienen ritmos diarios, tal vez podría identificar las moléculas que, como los engranajes de un reloj, hacen funcionar el reloj circadiano de los organismos. En artículos publicados en 1993 (abre una nueva pestaña) y 1998 (abre una nueva pestaña), con colaboradores de Japón y Texas, identificó tres genes y sus correspondientes proteínas -KaiA, KaiB y KaiC (kai significa «ciclo» en japonés)- implicados en el reloj circadiano de las cianobacterias. Las interacciones entre KaiA y KaiB crean una reacción en la que KaiC adquiere un grupo fosfato extra y luego se desprende de él rítmicamente, en sincronía con el día y la noche. Sorprendentemente, los científicos también descubrieron que todo el bucle puede producirse fuera de una célula, entre moléculas sueltas en un tubo de ensayo.
Las colonias de cianobacterias siguen un ciclo día-noche cuando un gen implicado en el reloj circadiano se activa y desactiva. Los biólogos unieron un gen reportero bioluminiscente al gen del reloj para visualizar el ritmo de los relojes circadianos de las células. Cuanto más brillante es el color, mayor es la expresión del gen del reloj.Desde entonces, los investigadores han aprendido mucho sobre la biología celular subyacente a estos ritmos. Pero habría que esperar otro cuarto de siglo para conectar esos mismos genes con una capacidad que se extiende a lo largo de un marco temporal más largo, que es más calendario que reloj.
Cortesía de Carl Johnson
Se acerca el invierno
Un día de 2018, mientras Jabbur rastreaba la literatura sobre el reloj circadiano de las cianobacterias, se dio cuenta de que faltaba algo. No pudo encontrar ninguna exploración de la relación entre el reloj circadiano, que sigue la rotación axial de la Tierra, día-noche, y un ritmo estacional vinculado a cómo se inclina el eje de la Tierra, en el que el verano ocurre en un hemisferio que se inclina hacia el sol.
«Fue un poco chocante», recuerda Jabbur, porque el reloj circadiano de las cianobacterias es el mejor estudiado de todos los organismos. Se preguntó si las mismas proteínas podrían dar lugar a lo que se conoce como respuesta fotoperiódica: la capacidad de reaccionar a la duración del día y «utilizar la información para cambiar su fisiología, metabolismo o comportamiento en previsión de las próximas estaciones», explicó.
Le planteó la idea a Johnson, su asesor doctoral. Al principio se rió de ella. Las cianobacterias obtienen su alimento de la luz, así que parecía obvio que las células prosperarían durante los días más largos y sufrirían cuando los periodos de luz se acortaran. Pero le dijo a Jabbur que intentara el experimento de todos modos porque, como reza una nota adhesiva en la puerta de su despacho, «el progreso lo hacen los jóvenes científicos que llevan a cabo experimentos que los viejos científicos dicen que no funcionarían».
Casi de inmediato, Jabbur demostró que su mentor se equivocaba y que la nota era cierta. Al cabo de una semana, se presentó en el despacho de Johnson con dos placas bacterianas. Ambas habían sido sumergidas en agua helada para simular la llegada del invierno. Pero una contenía más cianobacterias visiblemente verdes que la otra. Las bacterias que prosperaron habían estado expuestas a periodos previos de oscuridad más prolongados: habían tenido la oportunidad de anticiparse a lo que se avecinaba.
En un protocolo experimental ampliado, recogido en el nuevo artículo de Science, Jabbur expuso tres grupos de cianobacterias a distintos periodos de luz y oscuridad durante ocho días, que representaban el invierno (ocho horas de luz y 16 de oscuridad), el equinoccio (12 horas de luz y 12 de oscuridad) o el verano (16 horas de luz y ocho de oscuridad). A continuación, los sumergió en el agua helada, tomó muestras de bacterias de cada tubo enfriado y observó si crecían colonias a partir de células vivas.
A pesar de crecer a temperaturas cálidas, las células que experimentaron duraciones de luz cortas, similares a las del invierno, parecían saber que se acercaba el frío y fueron capaces de prepararse para él. Sobrevivieron hasta tres veces mejor tras el baño helado que las células de verano o de equinoccio. ¿Pero cómo?
Jabbur comparó los genes activados en los distintos grupos de células. Las células de invierno expresaban más genes relacionados con el metabolismo, mientras que las de verano expresaban genes relacionados con el calor y la luz ultravioleta, lo que sugería que se habían adaptado a una estación diferente. La investigadora examinó más detenidamente un cambio: la composición molecular de sus membranas celulares.
Es bien sabido que las membranas celulares, incluidas las que envuelven a las cianobacterias, son sensibles a la temperatura. Como la mantequilla, los lípidos que componen las membranas se vuelven más rígidos con el frío y más fluidos con el calor. Muchos organismos pueden ajustar sus membranas -un proceso conocido como desaturación- para que las moléculas sigan moviéndose libremente a través de la membrana a distintas temperaturas. Jabbur se preguntó si sus cianobacterias hacían lo mismo. Efectivamente, otros experimentos demostraron que sus cianobacterias preparadas para el invierno tenían más lípidos desaturados que impedían que sus membranas celulares se apelmazaran al bajar la temperatura.
Por último, quería saber si estas adaptaciones fotoperiódicas estaban ligadas al reloj circadiano o eran impulsadas por un mecanismo independiente. Cuando los investigadores eliminaron los genes que codifican las proteínas KaiA, KaiB y KaiC, las células en condiciones invernales no sobrevivieron mejor que las células en condiciones estivales. No habían conseguido ajustar sus lípidos. El reloj molecular diario también podría influir en el calendario estacional.
«Aún no sabemos si el reloj es el que realmente codifica la duración del día», afirma Jabbur. «Pero parece ser necesario para la respuesta».
Un antiguo talento
Las cianobacterias son la forma de vida más antigua conocida que aún vive en la Tierra, abarcando miles de millones de años de historia. Hace unos 2.400 millones de años, transformaron la química de nuestra atmósfera en la mezcla rica en oxígeno de la que disfrutamos hoy en día. Es una lección de humildad pensar que algo tan antiguo y pequeño pueda contener las semillas de los complejos comportamientos de anticipación estacional que vemos hoy en día, desde la migración de las aves costeras y los pájaros cantores, a la hibernación de los osos pardos, pasando por el ansia humana de tomar café con leche con especias y calabaza.
«Es realmente impresionante que organismos tan antiguos como las cianobacterias puedan tener este tipo de respuesta», afirma Jabbur. «Hace que uno se pregunte realmente cuándo surgió [el fotoperiodismo] y cómo era la Tierra en aquel entonces».
Dado que los organismos atraviesan ciclos diarios con más frecuencia que estacionales, los científicos han supuesto generalmente que los relojes circadianos evolucionaron antes que el fotoperiodismo. Pero la nueva investigación sugiere otra posibilidad. «La medición fotoperiódica podría haber sido lo primero [en evolucionar]», afirma Johnson. Tal vez nuestros antepasados más antiguos necesitaron inventar un reloj interno para sobrevivir a las tensiones del clima estacional, y luego los ciclos diarios se construyeron sobre eso».
Sin embargo, lo que sigue siendo desconcertante es cómo un organismo tan efímero pudo desarrollar un mecanismo para seguir el paso del tiempo a lo largo de estaciones enteras, que se extienden cientos de veces más que su propia vida. «Una cuestión intrigante es si estas señales se transmiten a través de las generaciones celulares, o cómo, ya que los cambios estacionales se producen mucho más lentamente en comparación con el tiempo de generación de estas células», afirma Devaki Bhaya, científico senior de Carnegie Science que no participó en la investigación. Independientemente de cómo ocurra, los mecanismos no se habrían seleccionado para la supervivencia individual, sino para el bienestar de toda la línea genética, que abarca muchas generaciones de cianobacterias».
Aun así, estas ideas siguen siendo especulativas mientras el fotoperiodismo sólo se identifique en una única especie de cianobacteria. En su nuevo puesto de investigadora en el Centro John Innes, Jabbur planea explorar las respuestas fotoperiódicas de más bacterias para comprender mejor cuándo pudo evolucionar esta capacidad de anticiparse a las estaciones. Otras cepas de bacterias tienen genes de reloj circadiano que activan mecanismos muy distintos a los de las cianobacterias. Es posible que revelen más secretos sobre los ritmos internos y las adaptaciones estacionales. Sólo el tiempo lo dirá.
Elizabeth Landau
Elizabeth Landau es escritora colaboradora de Quanta Magazine. Es escritora independiente y especialista en comunicación en transición entre Los Ángeles y Washington, DC. Es responsable de asuntos públicos en la sede de la NASA y narradora principal en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. En su tiempo libre, colabora con Smithsonian, Scientific American y otras publicaciones.
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