Las bacterias del golfo de México que comen plásticos: un tesoro recuperado del fondo marino

Nallely Magaña Montiel y Liliana Pardo López

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El tesoro al final del arcoíris marino

Las diversas campañas a bordo del buque oceanográfico Justo Sierra de la UNAM, representan para nosotros el final del arcoíris; es el sitio de donde obtenemos lo que consideramos parte de nuestro tesoro, y lo mejor de todo: es posible que sea inagotable. Para ello debemos aprender primero a conocerlo, y no menos importante, a conservarlo.

Parte de ese tesoro se encuentra almacenado en cajitas dentro de un sistema de ultracongelación, parecido a un refrigerador, pero con la diferencia de que se encuentra a -80 °C. Para poder imaginarse esa temperatura hay que pensar en el lugar más frío del planeta, que se encuentra en la Antártida oriental y ha registrado temperaturas de -89°C, y que se trata de un lugar en donde no podemos vislumbrar más que hielo. Esas cajitas guardadas en el ultracongelador contienen una parte pequeñita de la gran riqueza bacteriana del golfo de México. Se trata de bacterias extraídas de diferentes zonas y de diferentes profundidades del mar, y también del sedimento del fondo marino, de chapopoteras naturales, incluso de las mismas rocas de chapopote, y también de fosas de 1,000 metros de profundidad (Figura 2).

Las primeras exploraciones

¿Cómo sabemos que las bacterias sí logran comerse los plásticos? Muchas de estas bacterias de la caja del tesoro han demostrado tener propiedades de gran interés para aplicaciones biotecnológicas, como poder degradar hidrocarburos y producir una variedad de biomoléculas que pueden ser usadas en la industria química, alimentaria o para la biorremediación de varios tipos de contaminantes ambientales. Todo eso es debido a que pueden producir enzimas [3], algo similar a esos pequeños Pac-Man que comen todo a su paso, con una gran variedad de beneficios que pueden aplicarse en la vida diaria.

En el laboratorio de Biotecnología Marina del IBt que dirige la Dra. Liliana Pardo, hemos comenzado a explorar el potencial de estas bacterias para degradar (comer) plásticos, y así poder atender uno de los grandes retos mundiales: la acumulación de residuos plásticos y sus derivados tóxicos que dañan la salud de todos los seres vivos y de los ecosistemas. La Organización Europea para la Cooperación Económica y el Desarrollo, reportó que la producción anual de residuos plásticos en el mundo pasó de 156 millones de toneladas en el año 2000 [4], a más de 350 millones de toneladas para 2019 ¡Se duplicó en tan solo dos décadas! y el aumento en la acumulación de plásticos en el mundo crece cada año. Nuestro país se encuentra entre los países del mundo que acumulan más residuos por su mala gestión, con el consiguiente riesgo del destino final en suelos y mantos acuíferos como el golfo de México.

El golfo de México tiene una importante presencia de hidrocarburos de manera natural, e innegablemente, debido a la alta actividad de la industria petrolera en esa zona. Esta característica es muy significativa para que nosotros podamos seleccionar una comunidad de bacterias que estén adaptadas a la presencia de estos compuestos químicos, y, por lo tanto, que puedan consumirlos como fuente de carbono para su crecimiento [5]. Muchos de los plásticos tradicionales se fabrican a partir de compuestos derivados del petróleo, como polietileno (PE), polipropileno (PP), tereftalato de polietileno (PET), poliestireno (PS), nylon y algunos compuestos para producir poliuretano (PU), por dar algunos ejemplos.

En este estudio, evaluamos la capacidad de una colección de bacterias para degradar poliuretano. Nuestros resultados muestran una sorprendente eficiencia en la degradación del polímero, con un alto porcentaje de aislados que exhibieron crecimiento y formación de halos de degradación en menos de 24 horas (ver Figura 3 y Recuadro 1). Estos hallazgos sugieren una rápida hidrólisis del poliuretano y su utilización como fuente de carbono para el crecimiento bacteriano.

Para buscar las mejores de entre tantas bacterias, tuvimos que hacer más exigente la búsqueda. Ello lo hicimos aumentando la concentración de plástico en los medios de cultivo donde crecían, utilizando colorantes de contraste para garantizar el uso del plástico como fuente de carbono (ver recuadro 2) y registrando qué tan rápido crecían (en el tiempo) y qué tan bien lo hacían (tamaño del halo y tamaño de la colonia). Así, fueron probadas diferentes resinas plásticas de poliuretano, polietileno y recientemente de PET.

Con alrededor de 300 aislados bacterianos en nuestras manos, resultó que el 85% de ellos logró crecer y generar halo de aclaramiento en al menos un tipo de plástico, donde 52 de ellas pudieron crecer y mostrarnos halos de aclaramiento en los tres diferentes plásticos probados. Ello puede implicar que tengan varios tipos de enzimas que les permitan romper los plásticos y utilizarlos como fuente de carbono; incluso encontrar bacterias (y sus enzimas) que tengan la capacidad de degradar diferentes tipos de plástico.

Para que tengan una idea más clara de cómo se realizan este tipo de ensayos, mostramos una de nuestras bacterias recuperada de 1,000 m de profundidad (aislado #246) que sí crece y presenta halo en el medio sólido conteniendo el plástico, comparado con otra bacteria que nos sirvió como referencia para poder comparar la capacidad degradadora: P. putida KT2440 (ver recuadro 2) al comparar su tiempo de crecimiento, el tamaño de las colonias, y el tamaño del halo de aclaramiento. También utilizamos una bacteria de laboratorio ( E. coli BL21) como control negativo, es decir, que sabemos que no crece en presencia del plástico.

¿Qué sigue ahora?

Una vez que identificamos las bacterias que crecen mejor en presencia del plástico, nos hemos propuesto un reto mayor, en donde podamos demostrar -a nivel genómico y fisicoquímico- que las bacterias marinas tienen el potencial para romper el plástico y demostrar que se lo están comiendo eficientemente. Algo muy importante que no se nos debe pasar en este estudio, es demostrar que el tratamiento del plástico con las bacterias marinas, hacen a estos contaminantes menos tóxicos para los organismos vivos, a través de un estudio de ecotoxicidad.

Uno de los modelos que se pueden utilizar para este fin es el pez cebra (figura 4), debido a que es fácil que crezca y se reproduzca en cautiverio. De este modelo se sabe que sus embriones responden a los compuestos tóxicos mediante cambios observables en su crecimiento y sobrevivencia, afectando su salud, produciendo retraso en su desarrollo, inflamación o incluso la muerte, como lo hacen los de los mamíferos, debido a su similitud en el desarrollo embrionario, de su metabolismo, de su fisiología y de sus vías de señalización (que son una serie de reacciones químicas en las que grupos de moléculas de las células trabajan juntas para controlar sus procesos y la comunicación entre ellas) [6;7].

Los peces cebra poseen características únicas: su ciclo de desarrollo es rápido, lo que permite obtenerlos en un corto tiempo. Los embriones son transparentes, lo que permite identificar cambios y daños fácilmente; y en ese sentido se vuelve ideal para poder observar el efecto de cualquier contaminante en el retraso de su desarrollo. Por ejemplo, permite identificar el nivel de la toxicidad al observar el desarrollo de las somitas (primeras células), el movimiento adecuado de ojos, su corazón, formación correcta del saco vitelino (es la película o también llamada membrana, que protege y nutre a los embriones durante su desarrollo), su eclosión (salir del huevo), la longitud, y si presentan deformación de la cola, etcétera, y con ello, finalmente, determinar la letalidad por la exposición al compuesto tóxico [6;7].

Un gran número de sustancias contaminantes, como los plásticos, son descargados a los ambientes acuáticos de todo el mundo, y este tipo de modelos de estudio de ecotoxicidad son una manera de profundizar en las consecuencias que tienen estos contaminantes en el ambiente. Así, demostrando que las bacterias además de degradar los plásticos, los pueden convertir en compuestos menos tóxicos, o incluso convertirlos en subproductos de interés en la industria química, farmacéutica, cosmética o alimentaria; podemos comenzar a vislumbrar posibles soluciones tecnológicas para su aplicación, soluciones que llamamos de economía azul, al provenir del océano.

Referencias

1. Godoy-Lozano, E.; Escobar-Zepeda, A.; Raggi, L.; Merino, E.; Gutierrez-Rios, R.; Juarez, K.; Segovia, L.; Licea-Navarro, A.; Gracia A.; Sanchez-Flores A. y Pardo-Lopez L. (2018). Bacterial Diversity and the Geochemical Landscape in the Southwestern Gulf of Mexico. Front. Microbiol. Habla sobre los diferentes tipos de bacterias que se han identificado a lo largo del Golfo de México. DOI: 10.3389/fmicb.2018.02528.
2. Raggi L, García-Guevara F, Godoy-Lozano E, Martínez-Santana A, Escobar-Zepeda A, Gutierrez-Rios R, Loza A, Merino E, Sanchez-Flores A, Licea-Navarro A, Pardo-Lopez L, Segovia L and Juarez K (2020) Metagenomic Profiling and Microbial Metabolic Potential of Perdido Fold Belt (NW) and Campeche Knolls (SE) in the Gulf of Mexico. Front. Microbiol. 11:1825. Habla sobre el potencial metabólico de las bacterias del Golfo de México. DOI: 10.3389/fmicb.2020.01825.
3. Enzimas. Amoeba Sisters en español. Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=U1BqsQR8HMQ
4. OECD (2022), Global Plastics Outlook: Policy Scenarios to 2060, OECD Publishing, Paris. Un reporte de la Organización Europea para la Cooperación Económica y el Desarrollo, acerca de la situación global de los residuos plásticos, los problemas, los retos y sus posibles soluciones. DOI: 10.1787/aa1edf33-en
5. Pardo López, L., y Gutiérrez Ríos, R.M. (Eds.) (2021). Distribución de bacterias. En S. Z. Herzka, R. A. Zaragoza Álvarez, E. M. Peters y G. Hernández Cárdenas. (Coord. Gral.). Atlas de línea base ambiental del golfo de México (tomo X), México: Consorcio de Investigación del Golfo de México. https://atlascigom.cicese.mx/
6. Espinosa Cervantes, R., Medrano Ramírez, M. T., García Contreras, A. C. (2020). Los embriones de pez cebra Danio rerio: un modelo animal en la ecotoxicología. Revista Sociedades Rurales, Producción y Medio Ambiente. 20(39). UAM-Xochimilco. Disponible en: https://sociedadesruralesojs.xoc.uam.mx/index.php/srpma/issue/view/40
7. Salas Vidal, E., & Schnabel Peraza, D. (2018). NanoZebra: De la edad de piedra a la edad nano y como un pez puede ayudarnos a navegar por ella. Mundo Nano. Revista Interdisciplinaria en Nanociencias y Nanotecnología, 11(21), 73–83. DOI: 10.22201/ceiich.24485691e.2018.21.62753

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