22.5: Procariotas benéficos

Habilidades para Desarrollar

• Explicar la necesidad de fijación de nitrógeno y cómo se logra
• Identificar los alimentos en los que se utilizan procariotas en el procesamiento
• Describir el uso de procariotas en la biorremediación
• Describir los efectos beneficiosos de las bacterias que colonizan nuestra piel y tracto digestivo

No todos los procariotas son patógenos. Por el contrario, los patógenos representan sólo un porcentaje muy pequeño de la diversidad del mundo microbiano. De hecho, nuestra vida no sería posible sin procariotas. Basta pensar en el papel de los procariotas en los ciclos biogeoquímicos.

Cooperación entre bacterias y eucariotas: fijación de nitrógeno

El nitrógeno es un elemento muy importante para los seres vivos, ya que forma parte de los nucleótidos y aminoácidos que son los bloques de construcción de los ácidos nucleicos y las proteínas, respectivamente. El nitrógeno suele ser el elemento más limitante en los ecosistemas terrestres, con nitrógeno atmosférico, N ₂, proporcionando el mayor reservorio de nitrógeno disponible. Sin embargo, los eucariotas no pueden utilizar nitrógeno gaseoso atmosférico para sintetizar macromoléculas. Afortunadamente, el nitrógeno puede ser “fijo”, lo que significa que se convierte en amoníaco (NH ₃) ya sea biológica o abióticamente. La fijación abiótica de nitrógeno ocurre como resultado de rayos o por procesos industriales.

La fijación biológica de nitrógeno (BNF) es realizada exclusivamente por procariotas: bacterias del suelo, cianobacterias y Frankia spp. (bacterias filamentosas que interactúan con plantas actinorrícicas como aliso, bayberry y helecho dulce). Después de la fotosíntesis, el BNF es el segundo proceso biológico más importante de la Tierra. La ecuación que representa el proceso es la siguiente

\[\text{N}_2 + 16\text{ATP} + 8\text{e}^- + 8\text{H}^+ \rightarrow 2\text{NH}_3 + 16\text{ADP} + 16\text{Pi} + \text{H}_2 \nonumber\]

donde Pi significa fosfato inorgánico. El nitrógeno fijo total a través de BNF es de aproximadamente 100 a 180 millones de toneladas métricas por año. Los procesos biológicos aportan el 65 por ciento del nitrógeno utilizado en la agricultura.

Las cianobacterias son los fijadores de nitrógeno más importantes en ambientes acuáticos. En el suelo, los miembros del género Clostridium son ejemplos de bacterias fijadoras de nitrógeno de vida libre. Otras bacterias viven simbióticamente con las leguminosas, proporcionando la fuente más importante de BNF. Los simbiontes pueden fijar más nitrógeno en los suelos que los organismos de vida libre por un factor de 10. Las bacterias del suelo, llamadas colectivamente rizobias, son capaces de interactuar simbióticamente con las leguminosas para formar nódulos, estructuras especializadas donde se produce la fijación de nitrógeno (Figura\(\PageIndex{1}\)). La nitrogenasa, la enzima que fija el nitrógeno, es inactivada por el oxígeno, por lo que el nódulo proporciona un área libre de oxígeno para que se lleve a cabo la fijación de nitrógeno. Este proceso proporciona un fertilizante vegetal natural y económico, ya que reduce el nitrógeno atmosférico a amoníaco, el cual es fácilmente utilizable por las plantas. El uso de leguminosas es una excelente alternativa a la fertilización química y es de especial interés para la agricultura sustentable, que busca minimizar el uso de productos químicos y conservar los recursos naturales. A través de la fijación simbiótica de nitrógeno, la planta se beneficia del uso de una fuente interminable de nitrógeno: la atmósfera. Las bacterias se benefician al usar fotosintatos (carbohidratos producidos durante la fotosíntesis) de la planta y tener un nicho protegido. Adicionalmente, el suelo se beneficia de ser fertilizado de forma natural. Por lo tanto, el uso de rizobios como biofertilizantes es una práctica sustentable.

¿Por qué son tan importantes las leguminosas? Algunos, como la soja, son fuentes clave de proteína agrícola. Algunas de las leguminosas de grano más importantes son la soya, el maní, los guisantes, los garbanzos y los frijoles. Otras leguminosas, como la alfalfa, se utilizan para alimentar al ganado.

Figura\(\PageIndex{1}\): La soya (Glycine max) es una leguminosa que interactúa simbióticamente con la bacteria del suelo Bradyrhizobium japonicum para formar estructuras especializadas en las raíces llamadas nódulos donde se produce la fijación de nitrógeno. (crédito: USDA)

Biotecnología Temprana: Queso, Pan, Vino, Cerveza y Yogur

De acuerdo con el Convenio de las Naciones Unidas sobre la Diversidad Biológica, la biotecnología es “cualquier aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos, organismos vivos, o derivados de los mismos, para elaborar o modificar productos o procesos de uso específico”. ¹ El concepto de “uso específico” implica algún tipo de aplicación comercial. La ingeniería genética, la selección artificial, la producción de antibióticos y el cultivo celular son temas actuales de estudio en biotecnología. Sin embargo, los humanos han utilizado procariotas antes de que se acuñara el término biotecnología. Además, algunos de los bienes y servicios son tan simples como el queso, el pan, el vino, la cerveza y el yogur, que emplean tanto bacterias como otros microbios, como la levadura, un hongo (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{2}\): Algunos de los productos derivados del uso de procariotas en la biotecnología temprana incluyen (a) queso, (b) vino, (c) cerveza y pan, y (d) yogur. (pan de crédito: modificación de obra de F. Rodrigo/Wikimedia Commons; crédito vino: modificación de obra de Jon Sullivan; crédito cerveza y pan: modificación de obra de Kris Miller; yogur de crédito: modificación de obra de Jon Sullivan)

La producción de queso comenzó hace alrededor de 4 mil a 7 mil años, cuando los humanos comenzaron a criar animales y procesar su leche. La fermentación en este caso conserva los nutrientes: La leche se echará a perder con relativa rapidez, pero cuando se procesa como queso, es más estable. En cuanto a la cerveza, los registros más antiguos de elaboración de cerveza tienen alrededor de 6 mil años y se refieren a los sumerios. La evidencia indica que los sumerios descubrieron la fermentación por casualidad. El vino se ha producido desde hace unos 4.500 años, y la evidencia sugiere que los productos lácteos cultivados, como el yogur, han existido por lo menos durante 4 mil años.

Uso de procariotas para limpiar nuestro planeta: biorremediación

La biorremediación microbiana es el uso de procariotas (o metabolismo microbiano) para eliminar contaminantes. La biorremediación se ha utilizado para eliminar los productos químicos agrícolas (pesticidas, fertilizantes) que se filtran del suelo al agua subterránea y al subsuelo. Ciertos metales y óxidos tóxicos, como los compuestos de selenio y arsénico, también se pueden eliminar del agua mediante biorremediación. La reducción de SeO ₄ ^-2 a SeO ₃ ^-2 y a Se ⁰ (selenio metálico) es un método utilizado para eliminar iones selenio del agua. El mercurio es un ejemplo de un metal tóxico que puede eliminarse de un ambiente mediante biorremediación. Como ingrediente activo de algunos pesticidas, el mercurio se usa en la industria y también es un subproducto de ciertos procesos, como la producción de baterías. El metilmercurio suele estar presente en concentraciones muy bajas en ambientes naturales, pero es altamente tóxico porque se acumula en los tejidos vivos. Varias especies de bacterias pueden llevar a cabo la biotransformación del mercurio tóxico en formas no tóxicas. Estas bacterias, como Pseudomonas aeruginosa, pueden convertir Hg ⁺² en Hg ⁰, lo que no es tóxico para los humanos.

Uno de los ejemplos más útiles e interesantes del uso de procariotas con fines de biorremediación es la limpieza de derrames de petróleo. La importancia de los procariotas para la biorremediación del petróleo se ha demostrado en varios derrames de petróleo en los últimos años, como el derrame de Exxon Valdez en Alaska (1989\(\PageIndex{3}\)) (Figura), el derrame de Prestige en España (2002), el derrame al Mediterráneo desde una central eléctrica del Líbano (2006), y más recientemente , el derrame de petróleo BP en el Golfo de México (2010). Para limpiar estos derrames, la biorremediación se promueve mediante la adición de nutrientes inorgánicos que ayudan a que las bacterias crezcan. Las bacterias degradantes de hidrocarburos se alimentan de hidrocarburos en la gotita de aceite, descomponiendo los hidrocarburos. Algunas especies, como Alcanivorax borkumensis, producen surfactantes que solubilizan el aceite, mientras que otras bacterias degradan el aceite en dióxido de carbono. En el caso de derrames de petróleo en el océano, tiende a ocurrir biorremediación natural en curso, en la medida en que hay bacterias que consumen petróleo en el océano antes del derrame. Además de las bacterias naturales que degradan el aceite, los humanos seleccionan y diseñan bacterias que poseen la misma capacidad con mayor eficacia y espectro de compuestos hidrocarbonados que pueden procesarse. En condiciones ideales, se ha reportado que hasta el 80 por ciento de los componentes no volátiles en el petróleo pueden degradarse dentro de un año del derrame. Otras fracciones de petróleo que contienen cadenas de hidrocarburos aromáticos y altamente ramificadas son más difíciles de eliminar y permanecen en el ambiente por períodos de tiempo más largos.

Figura\(\PageIndex{3}\): a) Limpiando petróleo tras el derrame de Valdez en Alaska, los trabajadores limpiaron petróleo de las playas y luego utilizaron una pluma flotante para acorralar el petróleo, que finalmente fue desnatado de la superficie del agua. Algunas especies de bacterias son capaces de solubilizar y degradar el aceite. b) Una de las consecuencias más catastróficas de los derrames de petróleo es el daño a la fauna. (crédito a: modificación de obra por NOAA; crédito b: modificación de obra por GOLUBENKOV, ONG: Saving Taman)

Conexión cotidiana: microbios en el cuerpo humano

Las bacterias comensales que habitan nuestra piel y tracto gastrointestinal nos hacen un sinfín de cosas buenas. Nos protegen de patógenos, nos ayudan a digerir nuestros alimentos y producen algunas de nuestras vitaminas y otros nutrientes. Estas actividades se conocen desde hace mucho tiempo. Más recientemente, los científicos han reunido evidencia de que estas bacterias también pueden ayudar a regular nuestro estado de ánimo, influir en nuestros niveles de actividad e incluso ayudar a controlar el peso al afectar nuestras elecciones de alimentos y patrones de absorción. El Proyecto Microbioma Humano ha iniciado el proceso de catalogación de nuestras bacterias normales (y arqueas) para que podamos entender mejor estas funciones.

Un ejemplo particularmente fascinante de nuestra flora normal se relaciona con nuestros sistemas digestivos. Las personas que toman altas dosis de antibióticos tienden a perder muchas de sus bacterias intestinales normales, permitiendo que una especie naturalmente resistente a los antibióticos llamada Clostridium difficile crezca demasiado y cause problemas gástricos severos, especialmente diarrea crónica (Figura\(\PageIndex{4}\)). Obviamente, tratar de tratar este problema con antibióticos sólo lo empeora. Sin embargo, se ha tratado exitosamente dando a los pacientes trasplantes fecales de donantes sanos para restablecer la comunidad microbiana intestinal normal. Se están realizando ensayos clínicos para garantizar la seguridad y efectividad de esta técnica.

Figura\(\PageIndex{4}\): Esta micrografía electrónica de barrido muestra Clostridium difficile, una bacteria Gram-positiva en forma de varilla que causa diarrea severa. La infección ocurre comúnmente después de que la fauna intestinal normal es erradicada por antibióticos. (crédito: modificación del trabajo por CDC, HHS; datos de barra de escala de Matt Russell)

Los científicos también están descubriendo que la ausencia de ciertos microbios clave de nuestro tracto intestinal puede plantarnos para una variedad de problemas. Esto parece ser particularmente cierto con respecto al adecuado funcionamiento del sistema inmune. Existen hallazgos intrigantes que sugieren que la ausencia de estos microbios es un importante contribuyente al desarrollo de alergias y algunos trastornos autoinmunes. Actualmente se están realizando investigaciones para probar si agregar ciertos microbios a nuestro ecosistema interno puede ayudar en el tratamiento de estos problemas, así como en el tratamiento de algunas formas de autismo.

Resumen

Los patógenos son solo un pequeño porcentaje de todos los procariotas. De hecho, nuestra vida no sería posible sin procariotas. El nitrógeno suele ser el elemento más limitante en los ecosistemas terrestres; el nitrógeno atmosférico, el mayor reservorio de nitrógeno disponible, no está disponible para los eucariotas. El nitrógeno puede ser “fijo” o convertido en amoníaco (NH ₃) ya sea biológica o abióticamente. La fijación biológica de nitrógeno (BNF) es realizada exclusivamente por procariotas. Después de la fotosíntesis, el BNF es el segundo proceso biológico más importante de la Tierra. La fuente más importante de BNF es la interacción simbiótica entre las bacterias del suelo y las leguminosas.

La biorremediación microbiana es el uso del metabolismo microbiano para eliminar contaminantes. La biorremediación se ha utilizado para eliminar los químicos agrícolas que se filtran del suelo al agua subterránea y al subsuelo. Los metales y óxidos tóxicos, como los compuestos de selenio y arsénico, también se pueden eliminar mediante biorremediación. Probablemente uno de los ejemplos más útiles e interesantes del uso de procariotas con fines de biorremediación es la limpieza de derrames de petróleo.

La vida humana sólo es posible por la acción de los microbios, tanto los del medio ambiente como aquellas especies que nos llaman hogar. Internamente, nos ayudan a digerir nuestros alimentos, producir nutrientes cruciales para nosotros, protegernos de microbios patógenos y ayudan a entrenar nuestro sistema inmunológico para que funcione correctamente.

Notas al pie

1. 1 http://www.cbd.int/convention/articles/?a=cbd-02, Convenio de las Naciones Unidas sobre la Diversidad Biológica: Artículo 2: Uso de Términos.

Glosario

Fijación biológica de nitrógeno

conversión de nitrógeno atmosférico en amoníaco realizada exclusivamente por procariotas

biorremediación

uso del metabolismo microbiano para eliminar contaminantes

biotecnología

cualquier aplicación tecnológica que utilice organismos vivos, sistemas biológicos o sus derivados para producir o modificar otros productos

nódulo

nueva estructura en las raíces de ciertas plantas (leguminosas) que resulta de la interacción simbiótica entre la planta y las bacterias del suelo, es el sitio de fijación de nitrógeno