Halófilos: La vida en la sal

COSTA MARIANA; CERLETTI, MICAELA

Ciencia Hoy

ASOCIACIÓN CIVIL CIENCIA HOY

Lugar: Buenos Aires; Año: 2021 vol. 30

1666-5171

Una pizca de historiaHasta hace relativamente pocos años se pensaba que era imposible encontrar algún organismo que viviera en ambientes donde predominan condiciones extremas, entendiéndose por tales aquellas que son muy diferentes a las que permiten el desarrollo de las formas de vida conocidas en el Planeta Tierra. Algunos ejemplos de estas condiciones son temperaturas superiores a 80 °C o menores a -12°C, presiones aplastantes, oscuridad total, ambientes muy ácidos o alcalinos y concentraciones saturantes de sales. Sin embargo, los avances de las técnicas de exploración en estos nichos tan extremos permitieron encontrar una diversidad de organismos que viven en ellos. Se los conoce como ?extremófilos? (amantes de condiciones extremas) y pueden ser microorganismos, plantas o animales. La mayoría de los extremófilos son organismos procariotas unicelulares (arqueas y bacterias) ya que su pequeño tamaño y el hecho de que su metabolismo es muy variado y adaptable les ha permitido colonizar ambientes que resultarían letales para los seres más complejos. Una de las primeras historias de exploración de estos ambientes fue protagonizada por el microbiólogo israelí Benjamín Elazari Volcani (1915-1999). En 1936, durante una excursión al Mar Muerto (situado entre Israel, Palestina y Jordania), llamado así debido a que sus aguas son casi 10 veces más saladas que las de los océanos y, por lo tanto, se pensaba que allí no podía proliferar ser vivo alguno. Volcani reveló que el Mar Muerto no estaba realmente ?tan muerto?. Si bien los organismos macroscópicos, como los peces o las plantas, no podían vivir allí (si un pez entra por error a esas aguas se muere y su cuerpo es cubierto por cristales de sal), sí existían microorganismos que se habían adaptado a estas condiciones extremas. Gracias a los estudios de Benjamin Volcani y de otros microbiólogos como Helena Petter, Trijntje Hof o el holandés Lourens Baas Becking, quien visitó muchos lagos salados y propuso la hipótesis ?Todo está en todas partes; pero, el ambiente selecciona?, se fueron estableciendo las bases sobre los ahora llamados organismos halófilos (amantes de la sal). Halófilos: un mar de posibilidadesEl mundo de los organismos halófilos es muy diverso, con representantes en los tres Dominios de la vida: Archaea, Bacteria y Eucarya. Es importante destacar que los organismos halófilos necesitan de la sal para vivir, a diferencia de los organismos halotolerantes que toleran ciertas concentraciones de sal pero no la requieren para su desarrollo. Según su dependencia de la concentración de sal (principalmente cloruro de sodio, NaCl), los halófilos se clasifican en halófilos leves (2-5% NaCl), moderados (5-20% NaCl) o extremos (20-30% NaCl). Téngase en cuenta que el agua de mar contiene 3,5% de sal.La mayoría de los halófilos son microorganismos y presentan una amplia diversidad metabólica. Se incluyen bacterias y microalgas fotosintéticas (usan la energía solar para la síntesis de compuestos orgánicos), arqueas y bacterias heterótrofas (se nutren de otros organismos para obtener la materia orgánica) y organismos litótrofos (utilizan compuestos inorgánicos como fuente de energía). Diversas especies de hongos también pueden encontrarse en ambientes salinos, aunque la mayoría de ellos son halotolerantes. Una de las pocas excepciones es Wallemia ichthyophaga, una especie de hongo halófilo extremo que requiere al menos 9% de NaCl para vivir. Los eucariotas multicelulares son mucho menos diversos e incluyen a las moscas de salmuera y a las llamadas plantas de sal o halófitas, las cuales habitan en pantanos, playas, manglares y marismas y están en contacto con agua salada a través de sus raíces. Además se pueden destacar a algunos crustáceos como Artemia salina, más conocidos como ?monos de mar?. Estos pequeños organismos miden apenas 15 mm de largo y se alimentan de algas que filtran del agua. Una particularidad muy llamativa es su increíble capacidad para resistir a condiciones que matarían a prácticamente cualquier ser vivo, como desecamiento, temperaturas de más de 100 °C o cercanas a cero absoluto (−273 °C), presiones aplastantes encontradas a 6000 metros de profundidad, el vacío del espacio y concentraciones de sal de hasta 50% NaCl (Figura 1).Si bien en los ambientes de mayor salinidad (20-30% NaCl) pueden encontrarse varias especies de bacterias, microalgas y crustáceos de salmuera; la mayoría de los halófilos extremos pertenecen al Dominio Archaea. Las arqueas son microorganismos procariotas parecidos morfológicamente a las bacterias (unicelulares, sin organelas ni membrana nuclear, cromosoma circular, poseen una envoltura celular) pero comparten algunas características con los eucariotas (mecanismos de replicación del ADN, transcripción y traducción). En contraste, las arqueas se diferencian de las bacterias y eucariotas, porque su membrana celular está constituida por lípidos con cadena de isopreno y uniones éter en lugar de los fosfolípidos clásicos formados por uniones éster y cadenas de ácidos grasos. Esta particular composición química le confiere a las membranas arqueanas una mayor estabilidad a la temperatura y pHs extremos, hecho que justifica la notable capacidad de las arqueas para desarrollarse óptimamente en ambientes muy hostiles. Las arqueas que habitan en ambientes hipersalinos se denominan arqueas halófilas o haloarqueas. Estos microbios están tan adaptados a vivir en las condiciones salinas que pueden sobrevivir en forma latente atrapados dentro de un cristal de sal durante millones de años y volver a crecer cuando las condiciones se tornan favorables (Figura 2).Además del Mar Muerto, los halófilos pueden encontrase en lagos hipersalinos y en salinas alrededor del mundo como el Lago Magadi en Kenya, el Masazir en Azerbaiján, el Hillier en Australia y las Lagunas Negra y Utracán en Argentina (Figura 3). En algunos ecosistemas, los microorganismos amantes de la sal son muy abundantes y su presencia puede reconocerse sin necesidad de un microscopio ya que tiñen los cuerpos de agua de color rosado-rojizo brillante. Esto se debe a que las haloarqueas poseen pigmentos carotenoides en sus membranas que, por sus propiedades antioxidantes, las protegen de la intensa irradiación solar que existe en estos ambientes. Ejemplos de microorganismos extremadamente halófilos ampliamente distribuidos en los hábitats hipersalinos incluyen especies de haloarqueas como Halobacterium salinarum y Haloferax volcanii, cianobacterias como Aphanothece halophytica, bacterias como Salinibacter ruber y Halomonas elongata, y la microalga verde Dunaliella salina.¿Cómo se adaptaron a vivir en la sal?Diferentes tipos de halófilos han resuelto el problema de cómo lidiar con el estrés salino (y a menudo también con otras formas de estrés) de diferentes maneras. El principal desafío que enfrentan los organismos halófilos para adaptarse a vivir en altas concentraciones de sal es la fuerte presión osmótica que el ambiente ejerce sobre la célula. Las células están rodeadas por una membrana semipermeable que la separa de su entorno y que funciona como una barrera que permite regular el intercambio de sustancias con el medio externo. Cuando la concentración de sustancias (solutos) difiere en ambos compartimentos, las moléculas de agua difunden libremente a través de la membrana celular hacia el compartimento de mayor concentración de solutos por un proceso denominado ósmosis. De esta manera se crea una diferencia de presión en ambos lados de la membrana semipermeable que se denomina presión osmótica. Al aumentar la salinidad del medio, los organismos no halófilos se deshidratan y mueren debido a la gran pérdida de agua generada por la presión osmótica del ambiente. Sin embargo, en los organismos halófilos esto no ocurre, gracias a diversas adaptaciones morfológicas y/o fisiológicas que han desarrollado. Una gran variedad de halófilos sintetizan y acumulan solutos compatibles (también llamados osmoprotectores) en el interior de la célula. Esto les permite lograr un equilibrio osmótico con el medio que las rodea. Los solutos compatibles son compuestos orgánicos pequeños tales como aminoácidos y polialcoholes (ej. glicina, ectoina, glicerol) y no interfieren con el metabolismo celular. Un mecanismo alternativo es la acumulación intracelular de sales, generalmente cloruro de potasio (KCl) en concentraciones equivalentes al cloruro de sodio (NaCl) del medio exterior. Esto se logra bombeando grandes cantidades de iones K+ al citoplasma. Esta estrategia es usada por los halófilos más extremos, las haloarqueas y algunas bacterias. Para lidiar con los altos niveles de sal en el interior de la célula, las proteínas han evolucionado para volverse más ácidas (punto Isoeléctrico de 4-5) y así evitar la desnaturalización, agregación y precipitación que generalmente se produce cuando las proteínas no halófilas están expuestas a altas concentraciones de sal.Las plantas halófilas presentan otros mecanismos de adaptación como por ejemplo el desarrollo de raíces más largas para alcanzar mayor profundidad donde la concentración de sal es menor, como también el almacenamiento de la sal dentro de estructuras celulares como vacuolas.Algunos ambientes hipersalinos también presentan otros tipos de condiciones extremas, como temperaturas elevadas, alta concentración de metales (ej. arsénico) y/o pHs alcalinos. Los organismos que habitan estos ambientes son de especial interés para la biotecnología y la ciencia en general ya que presentan una gran variedad de mecanismos adaptativos.¿Qué se puede aprender de los halófilos?El estudio de la vida microbiana en altas concentraciones de sal puede responder muchas preguntas fundamentales sobre la adaptación de los microorganismos a sus ambientes. La mayoría de los halófilos conocidos se pueden cultivar en un laboratorio de manera simple y segura, ya que no son patógenos para el ser humano. Géneros como Halobacterium, Haloferax y Haloarcula han destacado como modelos de estudio dentro del dominio Archaea, siendo mucho más simples de manejar que otras arqueas extremófilas. En los últimos años, se han secuenciado los genomas de muchas de estas especies y se han desarrollado múltiples herramientas para manipular sus genes y así poder estudiar sus mecanismos celulares.La adaptación a las condiciones hipersalinas es interesante desde un punto de vista evolutivo. Los primeros fósiles procariotas de más de 3.500 millones de años son muy similares en apariencia a tapetes microbianos que se encuentran en los estanques hipersalinos modernos. Las haloarqueas son miembros de la rama del árbol filogenético que probablemente apareció muy temprano en la evolución. Se ha sugerido que la adaptación a la salinidad pudo haber sido uno de los primeros y más estables procesos evolutivos. Actualmente, los halófilos extremos son incluso fuente de estudio de proyectos de Astrobiología, ya que podrían trazar analogías, e incluso dar pistas, sobre la vida en otros planetas. Por ejemplo, se cree que si existieran formas de vida en Marte, estas serían muy similares a los microorganismos halófilos terrestres, debido a la similitud en las condiciones en cuanto a las aguas probablemente salinas y a las altas radiaciones UV.Como resultado de los cambios globales naturales y provocados por el hombre, los entornos hipersalinos están en aumento debido a que las altas temperaturas generan la evaporación de cuerpos de agua provocando acumulaciones de sal. Además, como consecuencia del aumento del nivel del mar, de las sequías y de las inundaciones, la superficie de agua dulce disponible para la agricultura convencional se está reduciendo rápidamente. En este sentido, el estudio de plantas halófilas permitiría el desarrollo de una agricultura con base en la sal como posible respuestas a estos cambios ambientales. Por lo cual, la manipulación de genes de plantas tolerantes a sequias e inundaciones puede ser clave para el control de los recursos naturales en el futuro. Este hecho, junto al creciente estudio de biomoléculas novedosas y estables en microorganismos halófilos, ha convertido a estos organismos en importantes recursos para la biotecnología. Aplicaciones de los halófilos y sus biomoléculasDebido a que muchos procesos industriales requieren condiciones como altas o bajas temperaturas, pH ácidos o alcalinos, o alta salinidad, los organismos extremófilos se han convertido en atractivas fuentes de enzimas que actúan como biocatalizadores estables en estas circunstancias donde las enzimas convencionales se degradan y no funcionan. Por ejemplo, en la industria de los detergentes y jabones para la ropa se utilizan enzimas que quitan las manchas a baja temperatura, mientras que en tratamientos de esterilización de ropa de quirófano se prefiere un jabón que tenga enzimas estables a altas temperaturas. La industria del cuero y las pieles requiere enzimas que degradan proteínas de la piel de los animales en condiciones con alta sal o minerales. Los diferentes organismos extremófilos son los que proveen de estas enzimas tan particulares y útiles para la industria. El avance de la biología molecular y la biotecnología permitió utilizar reactores biológicos para producir a gran escala enzimas muy útiles como proteasas, celulasas, xilanasas, lipasas y amilasas. Las enzimas halofílicas se caracterizan por tener un exceso de aminoácidos ácidos y una carga superficial negativa. Esta peculiaridad permite que funcionen en entornos con baja actividad de agua, incluidas las mezclas de solvente orgánico y agua. En este sentido, el uso de estas enzimas es muy común en las industrias alimenticia, farmacéutica, cosmética, textil e incluso en la producción de biocombustibles y bioplásticos. También se utilizan en el campo del tratamiento de efluentes tóxicos, donde los métodos convencionales no son muy efectivos debido a la alta salinidad de las aguas residuales que generan los procesos industriales. Esto sucede, por ejemplo, en la producción de diversas sustancias químicas como los pesticidas, algunos productos farmacéuticos y herbicidas, y los procesos de extracción de petróleo y gas. Además de sus enzimas, los halófilos son fuente de varios productos de mucho interés como son los biosurfactantes (emulsionantes) y los solutos compatibles. Un caso especial es el de la ectoína, que actúa como osmoprotector aumentando la sobrevivencia a un estrés osmótico extremo. Actualmente, diferentes empresas de todo el mundo producen este compuesto a gran escala utilizando fuentes halófilas como las bacterias Halomonas elongata o Halomonas salina. La ectoína se utiliza en muchos cosméticos como ingrediente activo en el cuidado de la piel y protección solar, ya que estabiliza proteínas y otras estructuras celulares y protege la piel de la radiación ultravioleta y la resequedad.Las algas halófilas son muy utilizadas para la producción a gran escala de pigmentos carotenoides, los cuales son muy interesantes debido a su alto poder antioxidante. La microalga Dunaliella salina es una de las mayores fuentes comerciales de beta-caroteno ya que llega a acumular hasta un 15% de su peso seco en pigmentos. Si bien inicialmente se cultivaba en piletones salados, actualmente se utilizan biorreactores con condiciones regulables que permiten un proceso más eficiente. Las haloarqueas también son ideales productores de carotenoides debido a la facilidad para cultivarlas y manipularlas genéticamente.Los halófilos son considerados estrellas para la biotecnología industrial por las ventajas que presentan frente a otros organismos, tales como un menor costo de producción, una disminución en la utilización de energía y una fácil recuperación de los productos. En consecuencia, durante los últimos años se adoptó el uso de organismos halófilos para el desarrollo de la industria biotecnológica. Así como durante millones de años estos organismos se adaptaron a vivir en condiciones adversas, podría decirse que el ser humano está siguiendo el ejemplo de la naturaleza al utilizarlos como herramientas para enfrentar los nuevos desafíos del mundo moderno.Autores: Mariana Costa y Micaela Cerletti.Ambos autores contribuyeron igualmente a este trabajo.