Bacterias endofitas: las inquilinas ocultas de las plantas

Las bacterias, esos organismos unicelulares versátiles, diversos, cosmopolitas y fascinantes, han sido fundamentales para la diversificación y el mantenimiento de la vida en la Tierra. Conocemos alrededor de 10.000 especies de bacterias, pero se estima que podrían habitar nuestro planeta entre 5 y 10 millones de especies distintas de bacterias. O sea, que conocemos tan solo el 0,2 % de la microbiota bacteriana planetario. El restante 99,8 % está completamente inexplorado :-O

Entre los ecosistemas bacterianos que más desconocemos son los de los ambientes naturales. Imagínese la de bacterias que debe haber en los fondos de lagos y mares, en los suelos de bosques y selvas, sobre y dentro los cuerpos de otros seres vivos… excepto los cráteres de volcanes activos y contadas excepciones, absolutamente todo está tapizado y colonizado por bacterias.

Pero vamos al grano. Literalmente. Las semillas de las plantas entran en contacto íntimo con el ecosistema bacteriano rico y diverso de los suelos. Hoy sabemos que las plantas son capaces de “llamar” a determinados tipos bacterianos para que se acerquen a sus raíces. Los exudados de las raíces de las plantas no solo son muy ricos en compuestos volátiles que atraen ciertas bacterias, sino que suelen contener azúcares con los que seducen microbios para que se acerquen a alimentarse pegaditos a sus raíces. Una complicidad planta-microbio nace.

El caso mejor estudiado de bacterias endofitas son las bacterias del género Rhizobium. Ellas establecen una relación simbiótica con plantas leguminasas desde unas estructuras llamadas nódulos que crecen en las raíces. A la izquierda, una foto de raíces noduladas. A la derecha, el detalle de un nódulo lleno de Rhizobium

¿Con qué objetivo? Veamos: una vez en la rizósfera (el suelo que está en contacto íntimo con las raíces) muchas de las bacterias resultan beneficiosas para la salud planta. Las rizobacterias (bacterias que colonizan la rizósfera) son capaces de competir con otros microorganismos patógenos y también de producir sustancias que nutren y benefician a la planta.

Pero hay más. Hasta mediados del siglo XX se pensaba que los tejidos internos de las plantas sanas eran estériles. Hoy sabemos que no es así. Las mejoras en las técnicas de cultivo, pero sobre todo la revolución que ha supuesto el desarrollo de técnicas de ecología microbiana independientes de cultivo, ha permitido sacar a la luz algunos de los inquilinos más íntimos y ocultos de las plantas: las bacterias endofitas (endo = dentro; phyton = vegetal).

El microambiente interno del vegetal proporciona unas condiciones muy específicas para soportar la vida microbiana. Esta interacción única e íntima con la planta se considera hoy como una simbiosis, donde ambas partes se benefician positivamente uno del otro.

Algunas rizobacterias no solo son capaces competir efectivamente con el resto de la comunidad microbiana en la rizósfera, sino también de penetrar la raíz y colonizar los tejidos internos de la planta, volviéndose endofitas. La maquinaria genética necesaria para esta proeza metabólica tiene un formidable potencial biotecnológico.

Más allá de eso, el gran interés agrobiotecnológico radica aprovechar la promoción bacteriana del crecimiento vegetal de las endofitas. Ellas promueven el crecimiento de su “casera” gracias al biocontrol que ejercen sobre otros microorganismos patógenos (competencia por nicho, producción de antibióticos) y gracias a la producción de hormonas vegetales, de compuestos sideróforos (favorecen la captación de metales esenciales), de ácidos orgánicos que solubilizan fosfatos, y demás compuestos y enzimas beneficiosas. Con ello ¡son capaces de modular la fisiología de la planta y potenciar su crecimiento!

Las funciones globales de las bacterias endofitas (en inglés). Esquema de las funciones que una comunidad endofítica bacteriana cumple en el interior de una planta, según datos obtenidos hasta la fecha. En rojo, las funciones relacionadas con la penetración a la planta, colonización y establecimiento. En marrón, los procesos relacionados con promoción del crecimiento vegetal, biocontrol y biorremediación. En azul, adaptaciones metabólicas (Adaptado de Sesschit et al., 2012).

Hoy sabemos que la inoculación de los cultivos con cepas específicas de bacterias endofitas promotoras del crecimiento vegetal puede resultar en beneficios significativos de crecimiento y rendimiento. Sin embargo, para explotar todo el potencial de las bacterias endofitas el reto ahora es determinar varias cosas acerca de ellas y de sus anfitrionas.

necesitamos saber si las especies mejor estudiadas (las modelo) son “representantes” de las poblaciones de bacterias endofitas totales que parecen albergar de forma natural en todas las plantas superiores.
necesitamos saber si las bacterias endofitas son esenciales para la salud de sus anfitriones.
tenemos que averiguar cómo podemos explotar el conocimiento de los genomas de las plantas huésped, en particular los de los cultivos de importancia económica, y cómo responden a la colonización de sus tejidos por bacterias endofitas.
Fig 3
Algunas bacterias endofitas no identificadas aisladas por el autor de esta entrada. Fueron obtenidas sembrando en medio YEMA macerados de raíces de arroz (cuya superficies fueron previamente esterilizadas).

Mucho camino por recorrer. Pero si se describen y comprenden mejor los microbiomas vegetales (toda la legión de microorganismos que hacen vida en una planta) dicha información estará disponible para el desarrollo de nuevas biotecnologías, especialmente en los campos agrícolas. Podría ser posible, por ejemplo, alterar convenientemente la estructura de la comunidad microbiana, dando lugar a un aumento de la resistencia de la planta o aprovechamiento de la eficiencia en la absorción de nutrientes específicos. Esto resultaría en prácticas agrícolas más sostenibles y amigables con el medio ambiente; objetivo vital para el sostenimiento de la creciente población mundial. ¿La siguiente revolución agrícola?

Referencias:

Sessitsch A, Hardoim P, Döring J, Weilharter A, Krause A, Woyke T, Mitter B, Hauberg-Lotte L, Friedrich F, Rahalkar M, Hurek T, Sarkar A, Bodrossy L, van Overbeek L, Brar D, van Elsas JD, Reinhold-Hurek B (2012). Functional characteristics of an endophyte community colonizing rice roots as revealed by metagenomic analysis. Mol Plant Microbe Interact 1:28-36.

Gabriele Berg, Martin Grube, Michael Schloter and Kornelia Smalla (2014) Unraveling the plant microbiome: looking back and future perspectives. Front. Microbiol. doi: 10.3389/fmicb.2014.00148.

Thomas Turner, Euan James, and Philip Poole. (2013) The plant microbiome. Genome Biol. doi: 10.1186/gb-2013-14-6-209.

Biorremediación, o cómo limpiar la contaminación aprovechando la resiliencia de la naturaleza

Ahora se habla mucho de “resiliencia” como la capacidad de los seres humanos para resistir y superar las adversidades, y qué métodos se pueden utilizar para reforzarla y asumir así situaciones límite o sobreponerse al dolor emocional. El concepto proviene de la Ecología, y describe la persistencia de los sistemas naturales frente a los cambios o impactos ambientales de origen natural o humano. La resiliencia indica la capacidad de un ecosistema (o cualquier otro sistema en general) para aguantar las perturbaciones sin perder sus propiedades fundamentales.

La naturaleza tiene a su disposición diversos elementos que le permiten ser resiliente, contribuyendo a esa recuperación en caso de sufrir algún daño. Microorganismos como levaduras, hongos o bacterias degradan una gran cantidad de sustancias tóxicas, reduciendo su carácter nocivo o incluso volviéndolas inocuas. Y es aquí cuando aparece la “biorremediación”. Este concepto fue acuñado a principios de la década de los 80 del siglo pasado para referirse a las técnicas basadas en dichos elementos biológicos para acelerar la recuperación de un entorno natural contaminado, de manera además más económica y ecológica que otros sistemas. En este vídeo producido por la Universidad Abierta y a Distancia de México se ofrece una explicación didáctica a modo de introducción a la biorremediación:

Los científicos llevan por tanto años desarrollando diversos sistemas de biorremediación, especialmente para combatir los efectos de las mareas negras, donde comenzaron a utilizarse y donde se han mostrado más eficaces, sobre todo cuando el hidrocarburo derramado se encuentra en lugares inaccesibles. En 1978, tras el vertido del petrolero Amoco Cádiz en las costas francesas, la empresa Elf Aquitaine desarrolló un producto, el Inipo EAP 22, compuesto de urea, laurilfosfato y ácido oleico. Estas sustancias reforzaron las poblaciones de microorganismos degradadores de hidrocarburos, que contribuyeron a la limpieza del vertido. Su éxito llevó, en 1989, a utilizarlo para la limpieza de otra marea negra tristemente famosa: la del buque Exon Valdez, frente a las costas de Alaska.

En España, las labores de descontaminación tras el hundimiento del petrolero Prestige frente a las costas gallegas en 2002 también contaron con el apoyo de la biorremediación. Expertos de las universidades de Granada y Texas, del Instituto de Oceanografía de Marsella y de la empresa Repsol YPF ideaban un producto biorremediador, denominado NPK, http://www.europapress.es/ciencia/laboratorio/noticia-fertilizante-multiplica-bacterias-comen-fuel-prestige-empleara-cuanto-tiempo-mejore-20040922170031.html compuesto por una mezcla de nitrógeno, potasio y fósforo, con cantidades menores de hierro y sulfatos, y capaz de multiplicar por 10.000 el número de bacterias marinas que “comen” fuel.

La biorremediación surge también como una rama de la biotecnología que trabaja en el diseño de microorganismos capaces de degradar compuestos que dañan el medio ambiente. La elaboración de un microorganismo genéticamente modificado para combatir un determinado tipo de contaminante podría hacer mucho más eficaz esta tarea. Los ejemplos son muy variados: la introducción de un gen en el organismo específico para la lucha contra los vertidos, el desarrollo de cepas biosensoras luminiscentes que permitirían monitorizar el proceso de degradación, la creación de plantas transgénicas para limpiar suelos contaminados, o la modificación de una bacteria resistente a la radiación para que consuma el tolueno y los iones de mercurio de desperdicio nuclear altamente radioactivo.

La “micorremediación” es una modalidad que consiste en el uso de hongos para la descontaminación de un entorno. Este concepto fue utilizado por primera vez por el micólogo estadounidense Paul E. Stamets, autor de varios libros y artículos sobre el uso de los hongos en biorremediación. En esta charla TED se le puede ver hablando sobre “6 maneras en que los hongos pueden salvar al mundo”:

Maneras en que los hongos pueden salvar al mundo

En este sentido, uno de los principales papeles de los hongos en los ecosistemas es el de descomposición, efectuada por los micelios. La idea consiste en identificar la cepa de hongos más apropiada para tratar un tipo específico de contaminante. Por ejemplo, algunas cepas dan buenos resultados para degradar gases neurotóxicos como el gas sarín.

Otra variante interesante es la “fitorremediación”, es decir, recuperar un entorno contaminado mediante el uso de plantas. En este caso las plantas absorben los elementos contaminantes presentes en el agua, el suelo o incluso el aire, de manera que se pueden utilizar para degradar o eliminar pesticidas, hidrocarburos y sus derivados, restos de metales pesados, etc. Por ejemplo, la fitorremediación se ha usado con éxito para restaurar el suelo de minas abandonadas. Una modalidad específica de fitorremediación es la rizofiltración, que utiliza la capacidad de filtrado de las raíces para eliminar sustancias tóxicas o exceso de nutrientes de aguas contaminadas. La rizofiltración emplea plantas cultivadas hidropónicamente, es decir, sin tierra.

La biorremediación presenta una serie de desafíos que tiene que afrontar para su generalización. La cantidad, variedad y acción dañina de los elementos contaminantes en la actualidad complica la efectividad de estos sistemas. Asimismo, necesitan bastante tiempo para que actúen, y se requiere conocer al detalle las características del vertido así como las condiciones ambientales, lo que puede suponer que un proceso que funciona en laboratorio falle en la naturaleza. En este sentido, algunos científicos proponen combinar la biotecnología con la ecología, asumiendo la complejidad del medio ambiente. Sin embargo, sus detractores advierten de sus posibles efectos secundarios sobre la naturaleza, por lo que creen que deberían pasar antes por rigurosos controles que evaluasen su efectividad y sus posibles efectos secundarios adversos, y consideran que en la mayoría de los casos los organismos naturales pueden servir igualmente.

En cualquier caso, aunque la biorremediación puede ser muy efectiva para procesos de descontaminación, no hay que olvidar que se trata de una técnica paliativa. Por tanto, como dice el refrán, hay que prevenir antes que curar, de manera que se apueste por políticas preventivas que minimicen los riesgos de contaminación.

Día a día con las enzimas

Sería extraño estar sentados para desayunar y no encontrar algún producto lácteo. Ya sea el típico café con leche, las tostadas con mantequilla o el bocadillo de queso. Todos ellos son productos que hemos usado durante cientos de años, y que posiblemente rara vez nos hayamos planteado que hay detrás de su producción.

Si bien es cierto que inicialmente todos estos alimentos se producían sin saber de manera exacta como se hacía, actualmente somos conscientes de lo que hacemos cuando los producimos. Además todos sabemos la evolución que han tenido en el mercado. Antiguamente teníamos la leche fresca que debía consumirse diariamente después de recogerla en el lechero. Actualmente solo tenemos que ir a un supermercado para encontrar decenas de marcas diferentes. Además también tenemos varias posibilidades, desde leche desnatada hasta leches de origen vegetal. La biotecnología ha ayudado mucho en la generación de estos productos, aunque a veces pase inadvertido.

Además de en este tipo de productos, también ha ayudado en muchos otros procesos de la industria alimentaria. El clásico ejemplo es el uso de Saccharomyces cerevisiae para la fermentación alcohólica, necesaria para la producción de cerveza. Es probablemente una de las bacterias más conocidas del sector, además de otras que se están empezando a hacer populares como las Bifidobacterias. En realidad, no sólo es importante la propia bacteria, sino que una enzima producida por ella tiene un papel clave.

Las enzimas son pequeñas proteínas que son creadas de forma natural por microorganismos, animales y plantas. De hecho, a pesar de que actualmente las enzimas bacterianas son de gran importancia, las primeras en ser utilizadas fueron las procedentes de animales o plantas. Su principal función es la de permitir que una reacción química se dé de forma más rápida. Una gran ventaja es que son de origen biológico, lo cual hace que sean biodegradables, reduciendo el impacto ambiental derivado de su uso.

Otras ventajas importantes son que tienen una gran especificidad y eficacia, de manera que no aceleran todo tipo de reacciones, sino que son muy específicos a la hora de acelerar una reacción. Clásicamente se ha asemejado a los enzimas con una cerradura, donde únicamente puede entrar un tipo de sustrato, que sería la llave. Para que nos lo podamos imaginar, nosotros tenemos una llave que abre la cerradura de nuestra casa, y únicamente nuestra llave podrá encajar con nuestra cerradura. No habrá otra llave que encaje con nuestra cerradura. De la misma manera pasa con las enzimas y los sustratos, una enzima tiene un sustrato muy específico al que puede unirse para catalizar su reacción. No es común que un sustrato pueda unirse a una enzima que no cataliza su reacción.

La primera vez que se consiguió aislar una enzima fue en 1926, por el estadounidense James Batcheller Sumner. En este caso se aisló la ureasa a partir de los frijoles, pero lo cierto es que las nuevas tecnologías nos están permitiendo aislarlas más fácilmente y a una gran velocidad. Este gran avance ha permitido que cada vez se puedan usar de forma más cómoda en la industria, ayudando en gran cantidad de procesos.

En concreto nos vamos a centrar en enzimas usadas en la industria láctea, entre las cuales debemos destacar la lactasa y la renina. La leche está formada básicamente por agua, proteínas y grasas. La mayor parte de la leche es agua, llegando a ser casi un 90% del total. En cuanto a las proteínas, se han descrito alrededor de 40 tipos de proteínas, a pesar de tener una proteína mayoritaria que es la caseína. Esta proteína es de gran interés para la industria láctea, ya que en ella se basa la producción de queso. Existe una leyenda que dice que la primera producción de queso se dio de manera espontánea, sin saber que se estaba haciendo. Un pastor asiático llevaba leche dentro de un saco junto a tripas de animales, y pasado un tiempo se encontró un cuajo formado por la leche. Si bien no se puede decir que esta historia sea cierta del todo, ahora sabemos por qué pudo pasar esto. En el estómago de los animales encontramos una enzima llamada Renina, que coagula la caseína presente en la leche, formando lo que se conoce como cuajo. Antiguamente se usaban tripas de terneros para poder fabricar queso, pero obviamente esta tendencia ha cambiado. No es viable obtener enzimas provenientes de animales, ya que esto supondría desaprovechar una enorme cantidad de animales. Es por esto que actualmente se usan enzimas provenientes de microorganismos ya que además de producirlas en grandes cantidades, son mucho más económicas. Aquí es donde entra en juego la biotecnología, haciendo que los microorganismos produzcan gran cantidad de estas enzimas, y que además no sean perjudiciales para nosotros. Las especies más usadas actualmente son Endothia parasítica y algunas especies de Mucor spp.

Nuestros antepasados probablemente disponían de una pequeña variedad de quesos, pero actualmente tenemos especialidades queseras en cada país o incluso en cada región. Nuestros gustos han cambiado, y cada vez tenemos más opciones a la hora de comprar alimentos, de manera que era necesario variar procesos en la industria para poder generar todas estas opciones. Es por esto, que además de la renina, se usan otras enzimas en la producción de queso, como las lipasas y las proteasas. Las lipasas son enzimas que hidrolizan grasas, mientras que las proteasas hidrolizan proteínas. Las lipasas aportan ese olor característico de los quesos, y se usa incluso para los quesos crema, aportando mucho más sabor.

Existe una enorme gama de proteasas usadas en la producción de queso, y en función de cual se usa, se consiguen unas características u otras. El más conocido es el ejemplo de los quesos con coloración verde-azulado, como el Roquefort o el Gorgonzola. Para poder dar este aspecto y olor característico se usa Penicillium roqueforti. El Camembert es un queso mucho más tierno en su interior, y para conseguir esto se usa otra proteasa de un Penicillium spp., en este caso Penicillium camemberti. Existen cientos de proteasas que pueden ser usadas para mejorar el sabor de nuestros quesos, y como veis cada una de ellas aporta su toque característico.

Otra enzima muy importante en este sector es la lactasa, un enzima que de forma natural todos tenemos en el sistema digestivo cuando nacemos, aunque hay personas que tienen una disminución de esta enzima causando intolerancia a la lactosa. Actualmente se habla de un 65% de intolerantes adultos, a pesar que estos valores cambian mucho en función de la zona en la que viven. Para poder usar esta enzima en el sector industrial, actualmente la obtenemos a partir de microorganismos, por ejemplo Saccharomyces lactis o Aepergillus niger. Con esta enzima lo que conseguimos es digerir parcialmente el contenido en lactosa que tiene un producto que estamos produciendo. Esto es interesante en el caso de productos como la crema de leche. Al digerir parte de la lactosa total, conseguimos unos productos que son fácilmente digeribles por personas adultas, además de tener un sabor mucho más dulce. Esto es debido a que lo que hace la lactasa, es romper la lactosa en pequeñas moléculas de glucosa y galactosa. Estas dos moléculas son básicamente azúcares. Además de disminuir el nivel de lactosa y endulzar los productos, la lactasa también permite variar la textura o la viscosidad de los productos lácteos.

Como hemos visto, la biotecnología ha ayudado mucho en el sector lácteo, buscando la mejor opción para asegurar la máxima producción de enzimas. Además en algunos casos mediante ingeniería genética se ha conseguido aumentar aún más esta producción, o incluso se han cogido enzimas potentes de algunos microorganismos y se han insertado en otros microorganismos. Por ejemplo no nos sería útil si tenemos una lactasa muy potente al romper la lactosa, pero esta enzima es sintetizada por una bacteria que solo crece a pH básicos. Pero mediante la ingeniería genética podemos hacer que otras bacterias que si crecen a pH ligeramente ácidos (como es el caso de la leche), produzcan esta potente lactasa. Es una manera de mejorar el proceso. El gran avance que está teniendo la ingeniería genética, puede hacer que en relativamente poco tiempo podamos conseguir mejorar aún más los procesos de producción de alimentos.