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Secretos de un Superviviente de Agua Salada

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Secretos de un Superviviente de Agua Salada

Un microbio que vive en el Mar Muerto está enseñando a los científicos el arte de reparar el ADN.

NASA

Septiembre 10, 2004: Podemos aprender mucho de un microbio. En estos momentos, un diminuto bicho del Mar Muerto esta enseñando a los científicos cosas nuevas sobre la biotecnología, el cáncer y la posibilidad de vida en otros mundos. Y esto es solo para empezar:

ver cápsulaEste microbio, llamado Halobacterium, podría tener la clave para proteger a los astronautas de uno de los mayores peligros a los que se enfrentan durante una misión a Marte: la radiación espacial. La severa radiación del espacio interplanetario puede penetrar los cuerpos de los astronautas, dañando el ADN de sus células, lo cual puede provocar cáncer y otras enfermedades. El daño al ADN es algo que también afecta a las personas que sufren cáncer en la Tierra.

Derecha: Células de Halobacterium vistas a través de un microscopio de alta resolución. Las células individuales en la imagen tienen unas 5 micras de largo.[Más información]

El Halobacterium parece ser un maestro en el complejo arte de la reparación del ADN. Esta maestría es lo que los científicos desean aprender: en años recientes, una serie de experimentos realizados por investigadores auspiciados por la NASA en la Universidad de Maryland han sondeado los límites de los poderes de auto-reparación del Halobacterium utilizando las últimas técnicas sobre genética, para determinar exactamente la clase de trucos moleculares que utiliza para conservar su ADN intacto.

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"Hemos fragmentado totalmente su ADN. Quiero decir que lo hemos destruido totalmente mediante un bombardeo de radiación. En pocas horas ha logrado reestructurar su cromosoma completo y ponerlo a funcionar en orden", dice Adrienne Kish, miembro del grupo de investigación que está estudiando al Halobacterium en la Universidad de Maryland.

Esta cualidad de poder reparar un ADN deteriorado convierte al Halobacterium en un microbio pequeño pero muy resistente: en los experimentos realizados por el grupo de investigación, el Halobacterium ha sobrevivido a dosis normalmente letales de radiación UV, a extrema resequedad y aun al vacío del espacio.

El Mar Muerto no está tan muerto

¿Pero a qué se debe que el Halobacterium sea un sobreviviente tan tenaz? ¿Qué fue lo que causó su sobresaliente desarrollo en los mecanismos de reparación del ADN? Y ¿cómo funcionan esos mecanismos?

Jocelyne DiRuggiero, líder del grupo de investigación de Maryland ha estado explorando estas preguntas durante los últimos cinco años. Ella piensa que la respuesta tiene como base el hecho de que el Halobacterium vive de forma natural en algunos lugares realmente inhóspitos: en cuerpos de agua ultra salados como es el Mar Muerto.

La mayoría de la vida marina sería afectada y finalmente moriría en el agua salada del Mar Muerto, la cual es entre 5 y 10 veces más salada que el agua normal del mar. La salinidad extrema daña las células de los organismos y especialmente al ADN dentro de esas células. Esto sucede porque las moléculas de ADN están acostumbradas a verse rodeadas por un denso enjambre de moléculas de agua y el ADN realmente depende de la influencia de estas moléculas para mantener su estructura de la doble hélice helicoidal intacta y así evitar el peligro. Pero en aguas ultra saladas, las sales disueltas superan a las moléculas de agua. Privadas parcialmente del contacto con el agua que requieren, las largas tiras de ADN se dañan y aun llegan a romperse, causando una operación anormal o se mueren.

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"La evolución para hacer frente a un estilo de vida altamente salino podría explicar porqué el Halobacterium se comporta tan bien en sobrevivir a la radiación y a otros peligros", razona DiRuggiero:
"Las altas concentraciones de sal conducen al mismo tipo de lesión en el ADN que produce la radiación", nos explica. "De manera que si los organismos se adaptan a la extrema salinidad, tienen la maquinaria para reparar estas lesiones cuando se encuentran con la radiación".

Izquierda: El Mar Muerto es 5 veces más salado que el resto de los océanos de la Tierra. A medida que el agua se evapora, la sal se sedimenta. Cuando se alcanza el punto de saturación, la sal forma estos pilares. Crédito: Universidad Purdue.

DiRuggiero y su grupo de investigación han comenzado a descubrir esta maquinaria de reparación del ADN en una serie reciente de experimentos auspiciados por el Grupo de Sistemas de Exploracion de la NASA (Exploration Systems Mission Directorate).

En algunos experimentos expusieron células de Halobacterium a una intensa radiación UV. "Utilizamos un UV-C a 254 nm, que es la longitud de onda más letal de los ultra violeta", dice DiRuggiero. La mayoría de los microbios como E. coli que viven en el intestino humano habrían sido completamente eliminados; aun así el 80% de las células de Halobacterium sobrevivieron. De hecho, continuaron viviendo y reproduciéndose como si nada hubiera pasado.

En otros experimentos, los investigadores utilizaron una cámara al vacío en el Centro Goddard de Vuelos Espaciales de la NASA para exponer las células de Halobacterium a un vacío similar al del espacio (1 militorr). Aquí, su adaptación en ambientes de agua muy salada se comprobó que fue la protección del Halobacterium: el vacío provocaba que el agua se evaporase y la sal quedase ahí formando cristales. Las pequeñas células de Halobacterium quedaban atrapadas, junto con un poco de agua, dentro de estos cristales.

see caption"El cristal de sal es como una pequeña casa en la cual las células se protegen a sí mismas de una mayor desecación", explica DiRuggiero. Las células pueden dormir en un estado semi-latente dentro de los cristales por muy largo tiempo. Cuando se disuelven nuevamente en agua, las células retornan a la vida, reparan todo el daño ocasionado a su ADN por la desecación parcial, y continúan viviendo.

Derecha: Una enzima reparadora corrigiendo un error en una molécula de ADN. La enzima está a la derecha en color naranja y verde y parte de la doble hélice del ADN está a la izquierda en azul. Crédito de la imagen: Albert Lau.

Algunos científicos llegan hasta anunciar que han encontrado células vivas de Halobacterium incrustadas en depósitos de sal que tienen 250 millones de años de antiguedad. (ver referencias en lista de publicaciones al final del artículo). Los anuncios son controvertidos, pero si fuesen correctos, podrían tener unas implicaciones muy profundas en la cacería de vida microbiana en Marte. La evidencia de las naves exploradoras marcianas, Spirit y Opportunity, anunciada en marzo, sugiere que en algún tiempo ancestral la superficie marciana tuvo lagunas de agua salada, la cual se evaporó lentamente.

"De esta manera, si la vida microbiana se desarrolló en Marte y después se evaporó el agua y los microbios quedaron atrapados en cristales salinos, aún podrían estar ahí y hasta podrian revivirse. Basados en los datos que tenemos en la Tierra, esto es totalmente plausible", dice Kish.

Leyendo el "libro de la vida"

Para comprender cómo se las arreglaron estas células de Halobacterium para sobrevivir a los experimentos a los cuales fueron sometidas, el equipo de DiRuggiero envió a las "víctimas" de sus pruebas al Instituto para Sistemas de Biología en Seattle. Allí, los científicos utilizaron un instrumento de genética moderno denominado "microarreglo de ADN" (Conjuntos de áreas de reacciones químicas miniaturizadas que pueden utilizarse para probar fragmentos de ADN, anticuerpos o proteínas) para ver una imagen completa del comportamiento del Halobacterium al ser dañado: el conjunto total de herramientas moleculares que entran en acción ante una dosis de UV o en la exposición a un vacío similar al del espacio.

Estas "herramientas de reparación molecular" pertenecen a una categoría de proteínas denominadas enzimas. Las enzimas son las fuerzas de trabajo de todas las células vivas: catalizan los miles de reacciones químicas que son necesarias para la vida, tales como descomponer los alimentos o reparar las fallas en el ADN. Halobacterium mantiene siempre una cierta cantidad de enzimas a la mano de manera que cuando una dosis de radiación se aplica, este almacén de enzimas puede administrar rápidamente "los primeros auxilios" al ADN. Pero entonces tiene que iniciar también la producción de otras enzimas de reparación para continuar la labor, activando los genes que producen esas enzimas. Este incremento en la actividad genética es lo que puede ser detectado a través de las pruebas miniaturizadas, permitiendo así mostrar qué enzimas son importantes para las maravillosas propiedades de reparación del ADN en el Halobacterium.

see captionIzquierda: Un microcircuito de ADN, visto a través de un microscopio. Cada pequeño punto corresponde a uno de los miles de genes del organismo y el color del punto indica el nivel de actividad de ese gen. Crédito de la Imagen: James Smiley.

A partir de estos microarreglos, el equipo de DiRuggiero ha aprendido que cuando se trata de reparar el ADN, el Halobacterium es una especie de "bicho del Renacimiento". Es multifuncional. Su genoma, de solamente 2.400 genes, contiene diferentes juegos de mecanismos de reparación del ADN. Algunos de estos juegos de herramientas se asemejan a las herramientas de reparación de ADN encontradas en las plantas y animales; otros juegos son más parecidos a los de las bacterias y aun otros son característicos de un grupo de vida mucho menos conocido denominado "Arquea" (el grupo al cual pertenece el Halobacterium. El Halobacterium las tiene todas. Y yendo más allá de todo esto, el Halobacterium tiene unos pocos mecanismos de reparación de ADN ¡que nadie ha visto anteriormente!

Aprendiendo cómo funcionan todos estos mecanismos de reparación podría enseñar a los científicos cómo se logran las reparaciones de ADN en los humanos y quizá encontrar caminos para aumentar las formas cómo la misma gente puede hacerle frente a su ADN dañado -- una posible buena fortuna para los astronautas.

"Muchas de las proteínas de reparación en el grupo Arquea son muy similares a los del Eucariota -- el grupo de vida que nos incluye a usted y a mí -- por lo tanto el Arquea puede ser usado como un simple modelo para el estudio de procesos más complejos que ocurren en eucariota", explica DiRuggiero.

Algunas de estas herramientas novedosas podrían también demostrar su utilidad para la industria y la biotecnología, sospecha DiRuggiero. Después de todo, fue estudiando un primo de Halobacterium -- un microbio amante del calor -- que los científicos encontraron la proteína que copiaba el ADN, lo que hizo posible obtener la secuencia completa de los genomas. Sin ella, el proyecto del Genoma Humano nunca hubiera podido tener éxito.

No está nada mal para un humilde microbio.

Créditos y Contactos

Autor: Patrick L. Barry
Funcionario Responsable de NASA: John M. Horack
Editor de Producción: Dr. Tony Phillips
Curador: Bryan Walls


Relaciones con los Medios: Steve Roy Traducción al Español: Liberto Brun/Carlos Román
Editor en Español: Héctor Medina
El Directorio de Ciencias del Centro Marshall para Vuelos Espaciales de la NASA patrocina el Portal de Internet de Science@NASA que incluye a Ciencia@NASA. La misión de Ciencia@NASA es ayudar al público a entender cuán emocionantes son las investigaciones que se realizan en la NASA y colaborar con los científicos en su labor de difusión.