Bacterias: las rockstars del mundo microscópico

Lucía Perezgasga Ciscomani, Mario Alberto Montes Martínez y Francisco Javier Santana Estrada

---

En el origen, están las bacterias

Nuestro planeta se originó hace aproximadamente 4 mil 500 millones de años, a partir de la condensación de gas y polvo provenientes de una nebulosa solar enriquecida por la explosión de una supernova cercana. En los núcleos de las estrellas se sintetizan todos los elementos de la tabla periódica (somos polvo de estrellas). Las supernovas son estrellas supermasivas en cuyos núcleos se sintetizan elementos más pesados que el hierro, como el uranio. Al explotar, todos esos elementos son expulsados al universo, enriqueciendo otras estrellas cercanas [1]. El hidrógeno es el elemento más abundante del universo y es el primer elemento de la tabla periódica. Es por ello que las primeras teorías sobre el origen de la vida consideraban que la atmósfera de nuestro planeta, debía haber estado enriquecida con gases de naturaleza reducida, es decir, con hidrógeno, en contraposición con gases en los que el oxígeno está presente, es decir, una atmósfera oxidante.

Ahora sabemos que, en un principio, la atmósfera terrestre era parcialmente oxidante (CO ₂, N ₂) con presencia de gases reducidos (CH ₄, NH ₃, H ₂S), y una temperatura superficial de unos 45-85 ^oC [2], debida en parte al propio proceso de acreción del planeta. Había muchas fuentes de energía, como relámpagos, erupciones volcánicas, radiaciones, así como diversos compuestos orgánicos, muchos de ellos presentes en nubes interestelares y en meteoritos y cometas que bombardearon la superficie de la Tierra desde su formación. La intensidad de estos bombardeos disminuyó hasta hace aproximadamente 3 mil 900 millones de años, y favorecieron la síntesis de las moléculas importantes para el origen de la vida [2].

El fósil más antiguo conocido corresponde al de un estromatolito (estructuras sedimentarias producidas por bacterias), que data de hace unos 3 mil 700 millones de años y fue encontrado en los hielos de Groenlandia (Figura 1). Esto indica que el desarrollo de la vida en la Tierra requirió aproximadamente 200 millones de años [3].

El ancestro común de todos los organismos fue probablemente un organismo unicelular con una membrana lipídica con ADN, ARN y proteínas. Gracias a las filogenias (relaciones de parentesco entre especies) de Woese [4], basadas en el ARN ribosomal (rARN) 16S (una molécula que ha cambiado muy poco en la evolución y que es muy importante en la síntesis de proteínas), el árbol de la vida se representa actualmente con tres grandes ramas: Bacterias, Arqueas y Eucariontes. Estos estudios de filogenia molecular revelan que las arqueas y los eucariontes son grupos hermanos, es decir, que tienen un origen común y, por tanto, comparten características moleculares que las diferencian de las bacterias.

En 2017, se describió un superfilo dentro de las arqueas llamado Asgard [5], en el que se confirmó la presencia de las proteínas con características eucariontes (ESP, por sus siglas en inglés), que representan los bloques de construcción fundamentales para la complejidad celular de los eucariontes (los eucariontes son organismos cuyas células tienen una membrana rodeando su material genético y con mitocondrias, que son las encargadas de producir energía para todas las reacciones celulares). Lynn Margulis ya había inferido esto en 1967 con su teoría endosimbiótica del origen de los eucariontes [6]. Según esta teoría, una arquea Asgard, que originalmente era una bacteria fermentadora, engulló a una proteobacteria alfa, que podía respirar, dando origen a la mitocondria. En un evento endosimbiótico posterior, se originó el cloroplasto a partir de una cianobacteria (Fig. 2).

Existen varias evidencias que apoyan la teoría del origen de los eucariontes por endosimbiosis:

a) La presencia de material genético en mitocondrias y cloroplastos y la migración de algunos genes importantes para sus funciones, al núcleo celular.

b) El tamaño de los organelos similares a los de las bacterias.

c) Los organelos se dividen por bipartición, como sucede en las bacterias.

d) La presencia de una doble membrana y ribosomas como los existentes en las bacterias, en ambos organelos.

Las estrellas de la historia

Las bacterias son consideradas los seres vivos más primitivos y abundantes de nuestro planeta. Son unicelulares y ubicuas, pudiéndose encontrar en prácticamente todos los ambientes y condiciones terrestres (Figura 3). Son organismos procariontes, lo que significa que no tienen una membrana que rodee su material genético (Figura 4). Además de vivir en estado libre, las bacterias también pueden vivir como comensales, simbiontes o parásitos.

Las bacterias participan en los ciclos biogeoquímicos, que son las vías para incorporar los elementos presentes en la atmósfera (como el carbono, nitrógeno y azufre) en los ciclos metabólicos de los organismos, permitiendo la síntesis de moléculas esenciales para la vida, como los carbohidratos, ácidos nucleicos y proteínas.

Existen bacterias fotosintéticas, como las cianobacterias, que contribuyen al ciclo del carbono al fijar el dióxido de carbono (CO ₂) ambiental y liberar oxígeno; las bacterias fijadoras de nitrógeno, que transforman el nitrógeno atmosférico (N ₂) en amoniaco (NH ₃), haciéndolo utilizable en compuestos orgánicos. Además, hay bacterias que convierten el ácido sulfhídrico en sulfato, el cual se utiliza en la síntesis de aminoácidos azufrados y de algunas vitaminas.

De la misma manera, otros elementos importantes para las moléculas biológicas, como el hierro, manganeso, cromo, fósforo, calcio y silicio, son incorporados por las bacterias [7]. Como se mencionó, las cianobacterias fueron los primeros organismos que liberaron oxígeno, lo que ayudó a la acumulación de este elemento en la Tierra primitiva, una condición necesaria para la aparición de la vida en nuestro planeta.

Las bacterias han desempeñado un papel crucial en el desarrollo de la biología molecular y la genética. Poseen estructuras llamadas plásmidos, que albergan material genético adicional al ADN bacteriano. Estos plásmidos brindan a las bacterias características que les permiten sobrevivir en condiciones adversas, como la presencia de antibióticos.

Los plásmidos tienen la capacidad de transferirse de una bacteria a otra, lo que facilita la adquisición de resistencia a diferentes antibióticos. Esta situación representa un problema de salud pública muy grave en la actualidad [8; 9]. La tecnología del ADN recombinante ha permitido integrar diversos genes de interés biotecnológico en los plásmidos. Esto ha posibilitado la producción de proteínas como la insulina [10], la hormona del crecimiento, entre otras.

Las bacterias también se han empleado en otras ramas de la biotecnología, como la descontaminación de plaguicidas y de metales, en derrames de petróleo, la limpieza de aguas residuales, y la elaboración de quesos, yogures y otras sustancias fermentadas [11;12].

Por su papel fundamental en la biología, la medicina, la biotecnología ambiental y en la historia de la vida de la Tierra, las bacterias son sin duda alguna, las estrellas de esta historia.

Referencias

1. Martínez-Avilés G. ¿Cómo se forman los elementos químicos? http://www.cienciorama.unam.mx/a/pdf/272_cienciorama.pdf
2. Lazcano, A., Oró, J. and Miller, S. Primitive earth environments: organic syntheses and the origin and early evolution of life. Precambrian Research (1983) 20: 259-282. DOI: 10.1016/0301-9268(83)90076-1
3. Allen P. Nutman et al. Rapid emergence of life shown by discovery of 3,700-million-year-old microbial structures . Nature, (2016); DOI: 10.1038/nature19355
4. Woese, C, Kandler, O and Wheelis, M. Towards a natural system of organisms: proposal for the domains archaea, bacteria and eucarya. PNAS (1990) 87: 4576-4579. DOI: 10.1073/pnas.87.12.4576
5. María Beatriz Pérez Morales, Claudia Díaz Camino, José Luis Reyes Taboada. Entrelazando orígenes: El viaje evolutivo a través del árbol de la vida. BiotecMov Num 34-6.
6. Maris, A.S, Álvarez, S.J., Apesteguía, S. En hombros de gigantes: Lynn Margulis. ri.conicet.gov.ar/bitstream/handle/11336/164758/CONICET DigitalNro.ea00fd0a-2855-44ce-b38e-cd576dda3f37_B.pdf?sequence=2&isAllowed=y
7. Biogeochemical cycles. Department of Education UCDavis. bio.libretexts.org/Bookshelves/Microbiology/Microbiology (OpenStax)/08%3AMicrobial Metabolism/8.07%3ABiogeochemical_Cycles
8. (5 diciembre de 2018). Crisis mundial por la resistencia a antibióticos. Biotecnología en Movimiento. 4(15).
9. (5 de septiembre de 2019). Buscando nuevos antibióticos por todas partes. Biotecnología en Movimiento. 5(18).
10. López A. (2023). La insulina: una molécula milagrosa. Biotecnología en Movimiento. 9 (35).
11. (5 de junio del 2019). Los problemas ambientales y su solución. Biotecnología en Movimiento. 5 (17).
12. (10 de diciembre de 2020). Biotecnología, imprescindible para México. Biotecnología en Movimiento. 6 (23).

Lecturas sugeridas

1. Sabadell, M.A. Esto es lo que sabemos sobre la vida y su origen. muyinteresante.com/ciencia/62361.html.
2. Cuen Romero, F.J., Chacón-Baca, E., Moreno-Bedmar, J., Velasco-deLeón, M.P. Fósiles: Historia de la vida en la Tierra. DOI: 10.36790/epistemus.v14i28.124
3. Lazcano, A. Lynn Margulis y la endosimbiosis: Historia de una teoría. https://www.youtube.com/watch?v=32oXw0te7Hk&t=409s

Comparte este artículo en redes sociales