Obtienen el primer perfil temporal de alta resolución de las interacciones entre bacterias y virus en un ecosistema abierto

El motor de los sistemas de tratamiento biológico de efluentes, a través de los cuales se eliminan contaminantes de aguas cloacales antes de ser volcadas nuevamente sobre cursos de agua, es la interacción entre los diferentes microrganismos que participan en el proceso y  de estos con el medio en que habitan. El conocimiento detallado de esta ecología microbiana y su relación con el proceso de depuración del agua es de interés científico y podría contribuir, en el mediano y largo plazo, a desarrollar estrategias de intervención eficaces sobres estos sistemas complejos.

Pese a que no pueden considerarse ecosistemas silvestres, dado que se trata de sistemas biotecnológicos, la complejidad e independencia respecto de la acción humana de las interacciones entre microorganismos que allí se producen –que incluyen, por supuesto, procesos evolutivos- implica que se los pueda considerar hábitats naturales.

Uno de los tipos de interacciones que ocurren de manera permanente en este tipo de ambientes es el que se da entre bacterias y virus que las infectan. Los virus que se replican en bacterias y arqueas, llamados bacteriófagos (fagos), son una de las entidades más abundantes de la naturaleza. Estas interacciones entre fagos y bacterias determinan el modo en que evolucionan tanto unos como otras, por lo que entender la dinámica de estas relaciones a lo largo del tiempo es fundamental para conocer más sobre el funcionamiento de ambientes naturales.

En lo que refiere específicamente al tratamiento biológico de efluentes, se cree que los fagos tienen una influencia clave en la ecología y el buen funcionamiento del sistema, que, en virtud de los gigantescos volúmenes de materia tratada, es considerado el proceso biotecnológico más extendido a nivel global.

Hasta ahora, la mayoría de los estudios de adaptación recíproca y co-evolución de virus y bacterias se han realizado en experimentos controlados, utilizando pares seleccionados de fagos y microrganismos. Sin embargo, los experimentos en sistemas simplificados de laboratorio no necesariamente reflejan la dinámica mucho más compleja de las interacciones que ocurren en el ambiente.

Un trabajo de investigadores del CONICET, recientemente publicado en la revista The ISME Journal, acaba de proporcionar el primer perfil temporal de alta resolución de la interacción entre una bacteria y sus fagos en un ecosistema abierto fuera del laboratorio. El estudio se realizó sobre muestras recolectadas a lo largo de tres años de un sistema barros activados utilizados para el tratamiento biológico de efluentes municipales en la planta depuradora norte de San Fernando (Provincia de Buenos Aires), un tanque que tiene 14700 millones de litros. La herramienta fundamental de la que se valieron los investigadores para esta tarea fue la metágenómica.

“La metagenómica es una herramienta que permite obtener secuencias masivas de ADN directamente de muestras ambientales complejas y posibilita, de esta forma, la identificación de miles de genomas de bacterias y de fagos presentes en ellas. Lo que nosotros obtuvimos fue una línea de tiempo de la evolución de distintos organismos dentro del sistema de tratamiento de efluentes. Es decir, no solo elucidamos cuáles son las interacciones entre bacterias y virus, sino también su dinámica a lo largo de tres años. Aunque no despreciamos el conocimiento que se pueda obtener en un laboratorio, creemos que este acercamiento es más representativo de lo que ocurre en la realidad”, señala Leandro Guerrero, investigador del CONICET en el Instituto de Investigaciones en Ingeniería Genética y Biología Molecular (INGEBI, CONICET) y primer autor del trabajo.

Para esta primera aproximación al estudio de las interacciones entre bacterias y virus en un ambiente natural por medio de la metagenómica, los investigadores se concentraron en un género particular de bacterias que habitan los sistemas de tratamiento de efluentes, conocido como Gordonia, y en un mecanismo adaptativo, que tienen algunos microrganismos para responder a las infecciones por fagos, llamado CRISPR.

“CRISPR es un sistema de inmunidad adaptativa que tienen las bacterias, a través del cual incorporan a su propio genoma -en una región denominada locus CRISPR- secuencias cortas del ADN de sus invasores (llamadas espaciadoras), y así, anexan una memoria que les garantiza inmunidad frente a nuevos ataques del mismo virus”, explica Leonardo Erijman, investigador del CONICET en el INGEBI y coordinador del trabajo.

Pero los virus bacterianos también sufren mutaciones que les permiten escapar de la acción de CRISPR y así vencer la resistencia de bacterias previamente inmunes. El desarrollo de la resistencia bacteriana y la consiguiente adaptación de los virus a dicha resistencia es uno de los pilares de la llamada ´carrera armamentista´, que produce un aumento en la diversidad de las poblaciones de bacterias y de virus y asegura la supervivencia de ambos contendientes.

“En este contexto, una cuestión clave es comprender cómo los fagos y las bacterias logran coexistir en ambientes naturales, evitando la eliminación completa tanto del virus como de su hospedador”, indica Erijman.

Lo que hicieron los investigadores -a partir de los resultados de los análisis metagenómicos sobre las muestras tomadas-, para poder reconocer las interacciones entre los virus y sus hospedadores, fue comparar las secuencias espaciadoras en el CRISPR de las bacterias con las secuencias de los fagos presentes en las muestras. Esto les permitió también obtener un registro cronológico de las interacciones, dado que las secuencias espaciadoras se agregan siempre en un extremo cercano a la secuencia llamada líder.

El análisis del genoma de las poblaciones de la bacteria Gordonia, reconstruido a partir de sesenta metagenomas, mostró la diversificación temporal del locus CRISPR, así como el mantenimiento de una población bacteriana mayoritariamente susceptible al virus. Por su parte, el genoma del fago también sufrió modificaciones, con mutaciones direccionales que, a diferencia de lo que sucede en el laboratorio en condiciones controladas, no se pueden asociar con una estrategia de escape dirigida a CRISPR.

“En este sentido, los resultados de la investigación subrayan la importancia de los análisis a nivel poblacional para comprender la coexistencia entre una bacteria y sus virus en un ambiente natural”, concluye Guerrero.