Cómo un pequeño fitoplancton alimenta a una gigantesca red de microorganismos marinos
En los vastos océanos, los diminutos proclorococos desempeña un papel crucial. Estos seres unicelulares no solo capturan carbono, sino que también coordinan un ciclo molecular único, al compartir sus excedentes de ADN con otros microbios y sincronizar sus metabolismos.
Por Jennifer Chu / MIT News
Los proclorococos tienden a desprenderse de su bagaje molecular por la noche. En el caso de una bacteria llamada SAR11, los investigadores descubrieron que el tentempié nocturno actúa como una especie de relajante. Ilustración: Jose-Luis Olivares / MIT
Uno de los organismos más trabajadores del océano es el diminuto Prochlorococcus marinus, de color esmeralda. Este picoplancton —la fracción de plancton compuesta de células entre 0,2 y 2 μm,— unicelular, más pequeño que un glóbulo rojo humano, se encuentra en cantidades asombrosas en las aguas superficiales del océano, lo que convierte al Prochlorococcus en el organismo fotosintetizador más abundante del planeta. Los científicos siguen descubriendo nuevas formas en que este pequeño microbio verde participa en el ciclo y almacenamiento del carbono en el océano.
Ahora, científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, han descubierto una nueva capacidad de regulación oceánica en estos pequeños pero poderosos microbios: la alimentación cruzada de bloques de ADN.
En un estudio que aparece publicado en la revista Science Advances, el equipo de investigadores nforma de que los Prochlorococcus vierten estos compuestos adicionales a su entorno, donde otros organismos oceánicos se alimentan de ellos de forma cruzada, ya sea como nutrientes, energía o para regular el metabolismo. Así pues, los desechos de los proclorococos son los recursos de otros microbios.
Un temtempié que se«ofrece» por la noche
Además, esta alimentación cruzada se produce en un ciclo regular: los proclorococos tienden a deshacerse de su equipaje molecular por la noche, cuando los microbios más avispados consumen rápidamente los desechos. En el caso de un microorganismo llamado SAR11, la bacteria más abundante en el océano, los investigadores descubrieron que el tentempié nocturno actúa como una especie de relajante, ya que obliga a que estas bacterias ralenticen su metabolismo y se recargen para el día siguiente.
A través de esta interacción de alimentación cruzada, Prochlorococcus podría estar ayudando a muchas comunidades microbianas a crecer de forma sostenible, simplemente regalando lo que no necesita. Y lo están haciendo de una forma que podría establecer los ritmos diarios de los microorganismos de todo el mundo.
«La relación entre los dos grupos de microbios más abundantes en los ecosistemas oceánicos ha intrigado a los oceanógrafos durante años —afirma la coautora y profesora del MIT Sallie Penny Chisholm, que participó en el descubrimiento del Prochlorococcus en 1986. Y añade—: Ahora tenemos una visión de la coreografía finamente sintonizada que contribuye a su crecimiento y estabilidad a través de vastas regiones de los océanos».
Imagen tomada con microscopía electrónica de ejemplares de Prochlorococcus marinus, una cianobacteria marina de importancia mundial. Cortesía: Luke Thompson from Chisholm Lab and Nikki Watson from Whitehead, MIT
Dado que el Prochlorococcus y el SAR11 inundan los océanos superficiales, el equipo sospecha que el intercambio de moléculas de uno a otro podría constituir una de las principales relaciones de alimentación cruzada del océano, lo que lo convertiría en un importante regulador del ciclo del carbono oceánico.
En biología, la alimentación cruzada —o cross-feeding— es una interacción en la que un organismo utiliza los subproductos metabólicos o nutrientes liberados por otro organismo para su propio beneficio. Es común en comunidades microbianas y ecosistemas, fomentando la cooperación y la coexistencia.
«Observando los detalles y la diversidad de los procesos de alimentación cruzada, podemos empezar a desenterrar fuerzas importantes que están dando forma al ciclo del carbono», afirma el autor principal del estudio, Rogier Braakman, científico investigador del Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias (EAPS) del MIT.
Otros coautores del MIT son Brandon Satinsky, Tyler O'Keefe, Shane Hogle, Jamie Becker, Robert Li, Keven Dooley y Aldo Arellano, junto con Krista Longnecker, Melissa Soule y Elizabeth Kujawinski, de la Institución Oceanográfica Woods Hole (WHOI), en Estados Unidos.
La alimentación humana también está presente en el intestino humano
La alimentación cruzada ocurre en todo el mundo microbiano, aunque el proceso ha sido estudiado principalmente en comunidades muy unidas. En el intestino humano, por ejemplo, los microbios están en estrecha proximidad y pueden intercambiar fácilmente y beneficiarse de recursos compartidos.
En comparación, los proclorococos son microbios que flotan libremente y que son regularmente agitados y mezclados a través de las capas superficiales del océano. Aunque los científicos suponen que el plancton está involucrado en cierta cantidad de alimentación cruzada, exactamente cómo ocurre esto y quién se beneficiaría ha sido históricamente difícil de investigar; cualquier sustancia que Prochlorococcus desechara tendría concentraciones extremadamente bajas y sería sumamente difícil de medir.
Pero en un trabajo publicado en 2023, Braakman se unió a científicos del WHOI, quienes han desarrollado métodos para medir pequeños compuestos orgánicos en el agua de mar. En el laboratorio, cultivaron diversas cepas de Prochlorococcus bajo diferentes condiciones y caracterizaron lo que los microbios liberaban.
Liberan purinas y piridinas, claves para el ADN
Así descubrieron que entre los principales exudados o moléculas liberadas, se encontraban las purinas y las piridinas, que son bloques de construcción moleculares del ADN. Estas moléculas también resultan ser ricas en nitrógeno, un hecho que desconcertó al equipo. Prochlorococcus se encuentran principalmente en regiones oceánicas con bajos niveles de nitrógeno, por lo que se suponía que querrían retener todos los compuestos que contienen nitrógeno que pudieran. Entonces, ¿por qué, en cambio, estaban desechando tales compuestos?
En su nuevo estudio, los investigadores profundizaron en los detalles de la alimentación cruzada de los Prochlorococcus y cómo influye en diversos tipos de microbios oceánicos.
Se propusieron estudiar cómo utilizan los Prochlorococcus la purina y la piridina en primer lugar, antes de expulsar los compuestos a su entorno. Compararon los genomas publicados de los microbios en busca de genes que codificasen el metabolismo de la purina y la piridina.
Maestros en el reciclage
Al rastrear los genes a través de los genomas, el equipo descubrió que, una vez producidos los compuestos, se utilizan para fabricar ADN y replicar el genoma de los microbios. Las purinas y piridinas sobrantes se reciclan y se utilizan de nuevo, aunque una fracción del material se libera finalmente al medioambiente. Al parecer, los proclorococos aprovechan al máximo estos compuestos y desechan lo que no pueden.
El equipo también analizó los datos de expresión génica —proceso mediante el cual la información en un gen se utiliza para producir proteínas o ARN funcionales— y descubrió que los genes implicados en el reciclaje de purina y pirimidina alcanzan su pico máximo varias horas después del pico reconocido en la replicación del genoma que se produce al anochecer. La pregunta entonces era: ¿Quién podría estar beneficiándose de este desprendimiento nocturno?
Para responder a esta cuestión, el equipo analizó los genomas de más de trescientos microorganismos heterótrofos, es decir, organismos que consumen carbono orgánico en lugar de producirlo ellos mismos mediante fotosíntesis. Sospechaban que estos organismos que se alimentan de carbono podrían ser consumidores de los desechos orgánicos de Prochlorococcus.
SAR11, el microrganismo heterótrofo más abundante en el océano
Los investigadores del MIT descubrieron que la mayoría de los heterótrofos contenían genes que absorben purina o piridina o, en algunos casos, ambas, lo que sugiere que los microbios han evolucionado por distintos caminos en cuanto a su alimentación cruzada.
El grupo se centró en un ser microscópico que prefiere las purinas, el SAR11, ya que es el microorganismo heterótrofo más abundante en el océano. Cuando compararon los genes de las distintas cepas de SAR11, descubrieron que los distintos tipos utilizan las purinas con fines diferentes, desde simplemente absorberlas y utilizarlas intactas hasta descomponerlas para obtener energía, carbono o nitrógeno.
¿Qué podría explicar la diversidad en la forma en que los microbios utilizaban los desechos de Prochlorococcus?
Resulta que el entorno local desempeña un papel importante. Braakman y sus colaboradores realizaron un análisis del metagenoma en el que compararon los genomas secuenciados colectivamente de todos los microbios de más de seiscientas muestras de agua marina de todo el mundo, centrándose en las bacterias SAR11.
Las secuencias del metagenoma se recopilaron junto con mediciones de diversas condiciones ambientales y ubicaciones geográficas en las que se encuentran. Este análisis demostró que las bacterias engullen purina por su nitrógeno cuando éste es escaso en el agua de mar, y por su carbono o energía cuando hay excedente de nitrógeno, lo que revela las presiones selectivas que configuran estas comunidades en los distintos regímenes oceánicos.
Bacteria marina SAR11 (gris), que en la foto aparece rodeada por bacteriófagos, virus que infectan bacterias. Cortesía: Nature Microbiology
«El trabajo aquí realizado sugiere que los microbios del océano han desarrollado relaciones que hacen avanzar su potencial de crecimiento de formas que no esperamos», afirma Kujawinski, coautor del estudio.
Por último, el equipo llevó a cabo un sencillo experimento en el laboratorio, para ver si podían observar directamente un mecanismo por el que la purina actúa sobre la SAR11. Hicieron crecer las bacterias en cultivos, las expusieron a diversas concentraciones de purina e, inesperadamente, descubrieron que les provoca una ralentización de sus actividades metabólicas normales e incluso de su crecimiento.
Sin embargo, cuando los investigadores sometieron estas mismas células a condiciones de estrés ambiental, siguieron creciendo fuertes y sanas, como si la pausa metabólica provocada por las purinas les ayudara a prepararse para el crecimiento, evitando así los efectos del estrés.
«Cuando se piensa en el océano, donde se ve este pulso diario de purinas liberadas por el Prochlorococcus, esto proporciona una señal de inhibición diaria que podría estar causando una pausa en el metabolismo SAR11, de modo que al día siguiente, cuando sale el sol, están preparados y listos —explica Braakman. Y añade—: Así que pensamos que Prochlorococcus está actuando como director de orquesta en la sinfonía diaria del metabolismo oceánico, y la alimentación cruzada está creando una sincronización global entre todas estas células microbianas». ▪️
Artículo republicado con la autorización de MIT News -Adaptación: Enrique Coperías
Fuente: Rogier Braakman et al. Global niche partitioning of purine and pyrimidine cross-feeding among ocean microbes. Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adp1949
