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Bacterias adaptadas al frío - PARTE I
Los microorganismos sicrófilos en los ambientes antárticos presentan estrategias de adaptación al frío que resultan interesantes por su aplicación en la industria biotecnológica. La actividad científica se conjuga con un importante despliegue logístico y el conocimiento para manejarse en un ambiente tan agresivo se torna de vital importancia.

El Comité de Redacción de Acta Bioquímica Clínica Latinoamericana ha seleccionado este artículo publicado en la Revista CIENCIA HOY, Volumen 17 Nº 99 – JUNIO/JULIO 2007, para su difusión a través de FABA Informa

Ricardo M Comerio
Departamento de Química Orgánica, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, UBA
Marcelo Tarapow
Armada Argentina. Rompehielos Almirante Irizar
Susana C Vázquez
CONICET
Walter P Mac Cormack
Departamento de Biología. Instituto Antártico Argentino

Los seres humanos estamos asistiendo a la búsqueda de rastros de vida en otros cuerpos del sistema solar, donde los científicos suponen que en algún momento de su historia existieron masas de agua líquida. Esto habría permitido el origen y la evolución de formas de vida sustentadas en principios similares a las conocidas en la Tierra. Uno imagina que en Marte, así como en el resto de los planetas y satélites de nuestro sistema solar, la vida que hipotéticamente pudiera haber surgido debería estar adaptada a condiciones ambientales extremas desde nuestro ‘humano punto de vista’: temperaturas por debajo del punto de congelamiento del agua (o por el contrario enormemente elevadas), altas presiones, medios extremadamente ácidos o alcalinos, salinidad muy alta, importantes niveles de radiación, etc.
No son necesarios viajes espaciales para encontrar este tipo de organismos ‘extremófilos’ porque en nuestro planeta también existen ambientes naturales donde crecen y se reproducen microorganismos adaptados a condiciones extremas. De todos modos, tildar de extremo a un medio ambiente peca de antropocéntrico, ya que para una bacteria adaptada a desarrollarse a 110 °C la visión de ambiente extremo seguramente sería muy distinta. Consideremos que no podría sobrevivir muchos minutos en una playa del Caribe a 30 °C .
Actualmente, se definen diferentes grupos de organismos extremófilos de acuerdo con las condiciones ambientales en las que se desarrollan preferentemente (figura 1). La mayor parte de estos pertenecen a bajos niveles de organización, siendo la gran mayoría de estructura celular procarionte, esto es, miembros de los actuales dominios Archaea y Bacteria (ver recuadro ‘Los dominios de la vida’). Dentro de este variado mundo de los microorganismos extremófilos, los sicrófilos son uno de los grupos que ha centrado más la atención de los investigadores en los últimos años. Estos se clasifican en dos grandes grupos de acuerdo con el grado de adaptación a las bajas temperaturas: a) sicrófilos estrictos u obligados (aquellos que pueden crecer a 0 °C, presentan una velocidad de crecimiento óptima a menos de 15 °C y no pueden crecer a temperaturas mayores de 20 °C) y b) sicrófilos facultativos o sicrotolerantes (microorganismos que pueden crecer a 0 °C pero que presentan temperaturas óptimas superiores a los 15 °C). A diferencia de otros grupos de extremófilos, cuyos integrantes se encuentran confinados en uno o pocos grupos taxonómicos, los microorganismos sicrófilos pueden encontrarse dentro de casi todos los taxones microbianos y si bien algunos géneros son exclusivos de zonas polares otros pertenecen a grupos con una gran representación en diversos ambientes, muchos de ellos con temperaturas que están lejos de las registradas en los polos.

• Figura 1. Diferentes condiciones ambientales ‘extremas’ y grupos de organismos adaptados a ellas (extremófilos).

Vivir en ambientes con temperaturas cercanas al punto de congelación del agua requiere obviamente importantes adaptaciones. Por ejemplo, es necesaria una membrana plasmática con un grado de fluidez adecuado para llevar a cabo los complejos procesos de reconocimiento y transporte de moléculas desde y hacia el citoplasma. Además, como la actividad de cada una de las enzimas depende marcadamente de la temperatura y el citoplasma debe mantenerse en estado líquido para poder sostener las actividades vitales, es preciso que la célula produzca sustancias anticongelantes. La figura 2 resume las principales adaptaciones que permiten a los microorganismos sicrófilos hacer frente a la vida en zonas muy frías.
¿Por qué ir a lugares tan inhóspitos a buscar y estudiar a estos seres vivos? Más allá del interés académico por conocer este grupo de organismos, las propiedades biológicas de los sicrófilos y de las moléculas (enzimas, metabolitos secundarios, etc.) que producen, son de gran interés en diferentes campos de la microbiología industrial y la biotecnología. Así, por ejemplo, la necesidad de ahorrar energía ha llevado al desarrollo de jabones y detergentes enzimáticos capaces de una acción eficiente a temperaturas menores que las utilizadas hasta el presente. Esta nueva generación de detergentes tiene en su formulación enzimas (proteasas, lipasas, glucanasas, etc.) aisladas de microorganismos sicrófilos o bien versiones mejoradas por ingeniería genética (basándose en las adaptaciones encontradas en las enzimas de sicrófilos) de enzimas previamente comercializadas, lo que permite llevar a cabo el proceso a temperaturas menores, evitando el gasto energético que significa elevar la temperatura de una gran masa de agua. En el recuadro ‘Aplicaciones biotecnológicas de microorganismos sicrófilos’ (se publicará en la Parte II) se muestran ejemplos de estas aplicaciones de los organismos sicrófilos o bien de las moléculas obtenidas de ellos.

Lejos de lo que podría suponerse, no todos los microorganismos antárticos son sicrófilos estrictos. De hecho, en la mayoría de los ambientes terrestres predominan los sicrotolerantes. Las causas de este hecho son variadas. Una de ellas es que muchos ambientes antárticos se encuentran expuestos directamente a la radiación solar del verano. Si bien de baja intensidad por su gran inclinación con respecto a la vertical, la radiación solar incide sobre la superficie durante muchas horas. De hecho, cualquier punto al sur del círculo polar antártico (aproximadamente coincidente con el paralelo de latitud 66° 33’ S) tendrá al menos un día al año en el cual el sol se mantendrá por sobre el horizonte durante las 24 horas del día. Así, la temperatura de las áreas irradiadas se eleva muy por encima de la temperatura del aire. En estos biotopos (superficie del suelo y rocas, pozas de marea, lagunas de deshielo, etc.) así como en zonas subantárticas, las cuales sufren cambios estacionales de temperatura que determinan sucesivos eventos de congelamiento y descongelamiento del suelo o cuerpos de agua, los microorganismos sicrófilos estrictos están en desventaja ya que su intolerancia a las temperaturas cercanas a 20 °C no los hacen aptos para competir con los sicrotolerantes. Por el contrario, los organismos sicrófilos estrictos pueden llegar a ser predominantes en aquellos ambientes permanentemente fríos (profundidades marinas, nieves eternas, hielo glaciario, etc.) dado que nunca están expuestos a temperaturas superiores a los 5 °C.

El trabajo de campo

La actividad de búsqueda y estudio de microorganismos sicrófilos no es sencilla. A las dificultades propias de toda línea de investigación científica se suma, en este caso, el trabajo en un ambiente hostil. Por eso, la logística involucrada para llevar y traer con seguridad a los investigadores a los sitios de trabajo en el terreno es complicada y onerosa. Para el desarrollo de este tipo de investigaciones, se requiere no sólo de microscopios, espectrofotómetros y otros equipos delicados que deben transportarse a la Antártida sin daño alguno, sino que también se requiere de la actividad de un buque rompehielos, helicópteros, botes de goma, trépanos para hielo, motos de nieve, etc. Por ello, el trabajo implica una actividad multidisciplinaria en la que interactúan microbiólogos, pilotos de helicóptero, marinos, buzos y demás personal logístico. Anualmente, gran parte de las actividades que nuestro país realiza en el continente antártico dependen de la campaña del rompehielos ARA Almirante Irízar (texto completo y fotografías en el trabajo original). Así, el trabajo se inicia con la preparación del material científico en el depósito polar del Instituto Antártico Argentino a fin de embarcarlo correctamente. Parte de las actividades científicas se realizan directamente en las instalaciones del buque, otras en los laboratorios que se encuentran en las bases.
El ambiente antártico, que evidencia una belleza prístina y conmovedora, oculta sin embargo una peligrosidad notable. Como ejemplo puede considerarse que una caída al mar, cuya temperatura oscila entre –1 °C y 2 °C, se convierte en una rápida trampa mortal. Un ser humano sumergido en aguas con estas características no sobrevive mucho más de tres minutos. Las salidas de recolección de muestras requieren especial pericia y experiencia, fundamentalmente cuando es necesario abandonar el barco y desplazarse por el mar congelado. El equipamiento personal y el alistamiento de las embarcaciones adquieren singular importancia a la hora de planificar una salida de toma de muestras. Nada debe dejarse librado al azar, ya que cuando uno se aleja del rompehielos se pierde gran parte de la seguridad que brindan sus 16.000 toneladas, su coraza, habitabilidad y propulsión. Al abandonar el buque, se está literalmente a merced de una naturaleza no siempre amigable y frecuentemente cambiante. En estas circunstancias, reviste fundamental importancia la preparación previa, que debe incluir al menos los siguientes pasos: análisis del pronóstico local, selección de la vestimenta adecuada, disponer de dos vehículos o embarcaciones como mínimo, equipos de comunicaciones, cartografía del lugar, instrumental para determinar la situación geográfica, comestibles y un botiquín de primeros auxilios. Las inclemencias hidrometeorológicas son determinantes. Los valores de sensación térmica son una muestra clara de la peligrosidad de la exposición. Utilizando como ejemplo valores normales para la Antártida: una temperatura de 8 °C bajo cero, cuando sopla un viento de 44 km/h genera una sensación térmica de 30 °C bajo cero. Bajo esta situación, las partes del cuerpo expuestas al viento pueden congelarse en tan solo un minuto. Las manos, los pies y las orejas son las zonas más propensas a perder calor rápidamente y por ende suelen ser los primeros en evidenciar signos de congelamiento. Cuando se está en hipotermia, se pierden reflejos, aumenta la torpeza y las ideas dejan de fluir coordinadamente. Para las latitudes antárticas lo más recomendable es utilizar un traje antiexposición por encima de la ropa de abrigo, lo que garantiza mantenerse seco aún luego de una eventual inmersión en aguas heladas. Mencionamos anteriormente la necesidad de contar con al menos dos vehículos, ya que es fundamental tener un reaseguro por cualquier avería o emergencia en los traslados. La dureza y las aristas afiladas de los hielos pueden dañar a una embarcación, especialmente a los botes neumáticos, que son ampliamente utilizados en estas latitudes. Los lubricantes de los motores deben ser seleccionados para conservar sus características reológicas aún a las extremas temperaturas antárticas.
Antes de zarpar también debe considerarse la posibilidad de perder contacto visual con el buque por causa de las precipitaciones o la niebla. El uso de equipos de posicionamiento global (GPS) soluciona este problema. Conviene además contar con una fuente de alimentación eléctrica segura o al menos con baterías de reserva. La búsqueda de material biológico en el mar congelado o en zona de glaciares exige precauciones adicionales ya que las intensas nevadas logran disimular las peligrosas grietas, que abundan en el área. Además de la experiencia en la lectura de formas, perfiles y relieves, es muy, aconsejable desplazarse enlazados por una cuerda y hacerlo a una respetable distancia, de manera tal que si un individuo cae en una grieta pueda ser retenido por el resto del tren.