Deinococcus radiodurans, la bacteria “casi” indestructible.
Autor: Sergio Ariel Senin (sergiosenin@hotmail.com)
Editores: Samantha Vargas, Felipe Peralta y David Cuaspud.
En 1956, en la Estación Experimental de Agricultura de Corvallis (Oregón) un grupo de investigadores liderado por Arthur W. Anderson llevaba a cabo experimentos para determinar si era posible esterilizar la comida enlatada usando altas dosis de radiación gamma. Sometieron entonces una lata de carne a un nivel de radiación capaz de eliminar toda forma de vida conocida. Por supuesto la carne se estropeó pero, contrariamente a todo lo esperado, pudieron aislar de ella una bacteria resistente que bautizaron como Deinococcus radiodurans.
A partir de entonces, se convirtió en una “bacteria estrella” de la Microbiología y, sin lugar a dudas, de haber existido Internet o las redes sociales que hoy todos conocemos, esta bacteria hubiese sido “trending topic” en el ámbito científico. Seis años después de este hecho aparecería en los puestos de diarios y revistas (¿casualidad o causalidad? Imposible decirlo), un cómic que nos contaba la historia del Dr. Bruce Banner, un científico que trabajando en una bomba de rayos Gamma para el ejército estadounidense queda expuesto a cantidades extremas de radiación que alteran la estructura de su ADN. Hulk es un superhéroe del mundo de la ficción; la bacteria Deinococcus radiodurans es un microorganismo super resistente del mundo real que parece salido de un cómic.
Acerca de su origen, existen muchas teorías. Algunos científicos han propuesto que D. radiodurans permaneció largo tiempo fuera de la tierra, ya sea en el espacio exterior o en algún otro cuerpo del sistema solar, y que fue ahí donde adquirió esta asombrosa super resistencia. Otras hipótesis, un poco menos fantásticas, suponen que estas bacterias se originaron y evolucionaron independientemente de la vida terrestre y que son resultado del transporte de microorganismos entre la Tierra y Marte (¿vino en algún meteorito, tal vez?). Es sabido que las fuentes naturales de radiación ionizante sobre la Tierra, emiten a niveles muy bajos, lo cual hace imposible producir las dosis agudas a las que estos organismos muestran resistencia. En cambio, en Marte el flujo de luz UV es mucho más intenso al carecer de una capa de ozono como la tierra, y en la atmósfera y el suelo marcianos abundan los agentes oxidantes como peróxidos y hierro en alto estado de oxidación (Alcántara Díaz, David 2014). Por supuesto, esta hipótesis es imposible de comprobar al día de hoy.
Lo que sí sabemos es que D. radiodurans es una de las cuatro especies del género Deinococcus. Es una bacteria que se tiñe como Gram positiva pero su envoltura se parece más a una Gram negativa. Tiene forma de coco y suele agruparse formando un tetraedro. Se puede cultivar con facilidad en el laboratorio, sus colonias son convexas, suaves y de color rosado a rojizo (debido a que produce carotenoides) y no se ha identificado que cause alguna enfermedad (Fig. 1).
Es poli extremófila, es decir que puede vivir en condiciones extremas muy diferentes a las de la mayoría de las formas de vida en la Tierra y sobrevivir a más de una condición extrema al mismo tiempo. Esto amplía enormemente el número de nichos que este organismo puede explotar (desde los fríos paisajes de la Antártida hasta el espacio exterior). Su tolerancia a los entornos secos y pobres en nutrientes hizo que pudieran sobrevivir en desecadores (recipiente que elimina toda el agua del aire y los elementos que contiene) durante seis años con un 10% de viabilidad y también en alimentos secos, polvo ambiental, instrumentos médicos y telas. (Battista, John. (1997).
Los rayos gamma son una forma de radiación 10.000 veces más poderosa que la luz visible y son una de las fuentes de energía más potentes conocidas. Las dosis de radiación se miden en unidades Gray (Gy) y para tener una idea de las magnitudes basta decir que una radiografía con rayos X suele ser 1mGy (mili gray) y 7 Gy pueden matar a un ser humano. Si tenían alguna duda de lo que significa ser super resistente les cuento que los cultivos de D. radiodurans habitualmente sobreviven a exposiciones de 15.000 Gy, y se informó que algunas cepas sobrevivieron a 50.000 Gy de radiación.
En una nota publicada anteriormente en Ubiqusciencia (“Antioxidantes: ¿La fuente eterna de salud y juventud?”), Lissy Gross nos habló sobre el grave problema que representa el daño al DNA, que puede producirlo y su relación con el envejecimiento y enfermedades como el cáncer. Cuando los organismos están expuestos a niveles de radiación suficientemente altos se dañan las moléculas celulares, se producen mutaciones que se heredan entre células y en los casos más graves se produce la ruptura de las hebras del DNA.
¿Cómo explicar entonces que un microorganismo sea capaz de reparar su ADN en sólo tres horas? Esta bacteria presenta una gruesa envoltura celular que la protege de los daños por radiación actuando como un filtro o escudo. Su genoma está compuesto por cuatro moléculas circulares: posee 2 cromosomas, un megaplásmido y un plásmido más pequeño (Fig. 2). Al aumentar el número de copias cromosomales, aumenta el número de genes que codifican para proteínas reparadoras y aumenta la posibilidad de que se reparen las zonas dañadas mediante las distintas vías de recombinación. (White, O., et al. 1999). Además la bacteria acumula complejos antioxidantes a base de manganeso que reducen sustancialmente el nivel de daño por radiación a sus enzimas reparadoras de ADN y otras proteínas necesarias para reconstruir la célula. Tomando esto como punto de partida, científicos de la Utah State University, están estudiando el uso de preparaciones de patógenos completos inactivados por radiación para el desarrollo rápido de vacunas. La idea es proteger los epítopos críticos con esos antioxidantes de manganeso y reducir el número de ensayo y error necesario para desencadenar la respuesta inmune (Willis, Z. 2020).
En 1998, D. radiodurans entró al Libro Guinness de récords mundiales por ser la forma de vida más resistente a la radiación. Pero, ¿es realmente indestructible? No, pero casi. Como prefiere crecer a temperaturas inferiores a 39 ° C, puede morir si lo incubamos a temperaturas más altas durante un período de tiempo prolongado. Otra opción bastante más peligrosa sería someterlo a enormes cantidades de radiación y ver cuál es su límite. Por último, se sabe también que puede ser destruido por plasma atmosférico frío (un estado de la materia que contiene partículas cargadas) una técnica utilizada en la industria y la clínica para lograr una desinfección eficiente de superficies sin provocar corrosión.
Afortunadamente, lejos de querer destruirla, los científicos supieron aprovechar todas estas características y lograron encontrarle numerosos usos benéficos a esta bacteria. Desarrollaron cepas que contienen un gen clonado que le otorga resistencia al mercurio iónico y son muy útiles a la hora de remediar suelos contaminados con esos desechos (Brim, H. et al. 2000). Otros investigadores diseñaron cepas que expresan fosfatasa ácida para la remediación de desechos nucleares acuosos que resultan del reprocesamiento de barras de combustible gastadas (pesadas en radiación beta y gamma), y otro gen para precipitar uranio (Misra, C. et al. 2012) Muchos opinan que estudiando las vías de protección y reparación en esta bacteria podría llegar a encontrarse una solución para el envejecimiento y las consecuencias nefastas del estrés oxidativo.
La cuestión es que mientras nosotros seguimos sorprendiéndonos, D. radiodurans se convirtió en astronauta viajando a bordo de la Estación Espacial Internacional en placas de aluminio adheridas al exterior de la nave. ¿Y adivinen qué ocurrió? Logró sobrevivir… y ya se prepara para un posible viaje a Marte.
NOTA:
Recomendamos leer el post “Encuentros cercanos con bacterias ¿de qué tipo?” en donde se explica terminología y generalidades acerca de las bacterias.
TÉRMINOS QUE APARECEN EN LA NOTA:
Carotenoides: son pigmentos liposolubles naturales que son sintetizados por las plantas, algas y bacterias fotosintéticas. Los carotenoides son las fuentes de los colores amarillo, naranja y rojo de muchas plantas, frutos y flores.
Cromosomas: son estructuras que se encuentran en el núcleo de las células que transportan fragmentos largos de ADN que contienen los cromosomas también contienen proteínas que ayudan al ADN a existir en la forma apropiada. El ADN de las bacterias es bicatenario, circular, y algunas pueden presentar ADN extracromosómico (plásmidos).
Plásmidos y megaplásmidos: los plásmidos son moléculas de ADN extracromosómico generalmente circular que se replican de manera autónoma y se transmiten independientemente del ADN cromosómico. Están presentes principalmente en los procariotas. Los megaplásmidos son plásmidos muy grandes con tamaños comprendidos de 100 a 1700 Kb (kilo bases).
Recombinación genética: en la recombinación homóloga las secuencias de nucleótidos se intercambian entre dos moléculas similares o idénticas de ADN. Es la más utilizada por las células para reparar roturas nocivas que se producen en ambas hebras de ADN. La recombinación no homóloga o recombinación ilegítima, es el proceso mediante el cual se unen dos segmentos bicatenarios de ADN no relacionados. Esta inserción de material genético que no está destinado a ser adyacente tiende a provocar que los genes se rompan, lo que hace que la proteína que codifican no se exprese correctamente.
REFERENCIAS:
Battista, John. (1997). Against all odds: The survival strategies of Deinococcus radiodurans. Annu Rev Microbiol. Annual review of microbiology. 51. 203–24. 10.1146/annurev.micro.51.1.203.
Alcántara Díaz, David. Origen y mecanismos de la radio-resistencia en Deinococcus radiodurans. Rev. educ. bioquím [online]. 2014, vol.33, n.4, pp.96–103. ISSN 1665–1995.
Blasius, M. et al. “Deinococcus radiodurans: what belongs to the survival kit?” Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology. 2008. 43:221–238.
White, O., Eisen, J. A., Heidelberg, J. F., Hickey, E. K., Peterson, J. D., Dodson, R. J., Haft, D. H., Gwinn, M. L., Nelson, W. C., Richardson, D. L., Moffat, K. S., Qin, H., Jiang, L., Pamphile, W., Crosby, M., Shen, M., Vamathevan, J. J., Lam, P., McDonald, L., Utterback, T., … Fraser, C. M. (1999). Genome sequence of the radioresistant bacterium Deinococcus radiodurans R1. Science (New York, N.Y.), 286(5444), 1571–1577. https://doi.org/10.1126/science.286.5444.1571
Franklin, Karmen Lee. (Apr. 2006. 8 Dec. 2008) “Conan the Bacterium: The Ancient Microscopic Hero.” Chaotic Utopia.
Willis, Zachary (August 04, 2020) Radiation-resistant bacterium could be key to faster, safer, more cost-effective vaccine production. Recuperado de https://usupulse.blogspot.com/2020/08/radiation-resistant-bacterium-could-be.html
Brim, H. et al. (2000) “Engineering Deinococcus radiodurans for metal remediation in radioactive mixed waste environments.” Nature Biotechnology. 2000. 18:85–90.
Misra, C. et al. (2012) “Recombinant D. radiodurans cells for bioremediation of heavy metals from acidic/neutral aqueous wastes.” Bioengineered Bugs. 2012. 3(1):44–48.
