Extremófilos: las verdaderas cucarachas

Las cucarachas. Esos seres tan conocidos por su asquerosidad… y por sus facultades para sobrevivir a una guerra nuclear, según la cultura popular. Y es que, aunque no pueden sobrevivir a una explosión nuclear (ya quisieran… ellas y todos), sí que pueden sobrevivir a dosis de radiación muy altas para el ser humano (pueden sobrevivir a dosis entre 6 y 15 veces más altas). ¿Son las cucarachas el superviviente definitivo? 

Pues la respuesta es… ¡no! Las cucarachas no son los bichos más resistentes que hay por ahí, aunque aguanten mejor la radiación que los seres humanos (y puedan sobrevivir una temporada sin cabeza… aunque algunos para lo que la usan podrían emularlas). Y es que en casi todos los ambientes extremos hay pequeños campeones que dejan a las cucarachas a la altura del betún. En los últimos meses, hemos estado viendo en Hablando de Ciencia cómo funcionan las centrales nucleares, y uno de los efectos más temidos de estas energías es su capacidad para dañar seres vivos. 

¿Chernobyl? No está mal para las vacaciones… 

Deinococcus radiodurans

Primero veamos quienes son estos extraños seres. Durante mucho tiempo, el cinturón de campeón lo ostentó Deinococcus radiodurans, una bacteria que se aisló por primera en 1956 vez de latas de carne tratadas con radiación para esterilizarlas y aumentar su tiempo de conservación. Esta bacteria (una gram positiva generalmente considerada una bacteria del suelo) puede resistir dosis más de 1000 veces mayores a las que matarían a un ser humano, y más de 200 veces de las dosis de radiación letales para cucarachas. Contrariamente a muchos microorganismos resistentes a condiciones extremas, no se trata de una arquea, sino de una bacteria típica. En cuanto a su metabolismo, Deinococcus radiodurans no sólo realiza la respiración aeróbica de forma normal, sino que también puede utilizar azufre como aceptor último de electrones (es decir, en vez de convertir oxígeno en agua, puede convertir azufre en ácido sulfhídrico), aunque también puede utilizar oxígeno de la forma habitual. 

Para que nos hagamos una idea, la dosis letal de radiación para seres humanos se considera de 10 Sievert (Sv) en una sola exposición. Mientras tanto, este pequeño gran bicho puede llegar a crecer tras dosis mayores de 10.000 Sv (a) (15.000 Sv según algunas fuentes -b-). Y las peores noticias sobre Fukushima se dieron cuando se midieron niveles ligeramente superiores a 10 Sv por hora en algunas partes de la propia central. Algunos datos sobre el desastre de Chernobyl sitúan la radiación en el entorno del núcleo en 300 Sv por hora (1), algo que es letal de forma casi inmediata para cualquier ser humano (un par de minutos bastan para recibir la dosis letal, aunque la muerte no sería inmediata en ese caso), pero que las bacterias más resistentes a la radiación podrían aguantar durante horas (2).

Thermococcus gammatolerans

Sin embargo, en 2003 este antiguo campeón fue desbancado por un nuevo descubrimiento, que no sólo aguanta excepcionalmente bien la radiación, sino también las altas temperaturas: Thermococcus gammatolerans. En este caso estamos hablando de una arquea, es decir, un microorganismo que, evolutivamente, está entre las bacterias y los eucariotas. Curiosamente, en este grupo se encuadran la mayoría de los microorganismos extremófilos, probablemente por algunas características como su peculiar membrana. En este caso, nuestra bacteria es capaz de  aguantar hasta 30.000 Sv de dosis de radiación, aproximadamente el doble que el anterior campeón. Y eso aparte de vivir en chimeneas volcánicas de las dorsales oceánicas a unos 88ºC de temperatura óptima (aguanta hasta 95ºC). En resumen, un auténtico superviviente. Y, sin embargo, no es ni de lejos el campeón en la categoría de los amantes del calor, que aguanta a una temperatura bastante superior a los 100ºC… pero ese es un tema para otro artículo.

Pero… ¿qué nos hace la radiación? 

Todos habréis visto películas en las que se muestran los efectos de la radiación como vómitos, hemorragias internas, quemaduras horrendas en la piel….  los efectos a nivel celular (causa última de estos efectos tan visibles), son bien diferentes. Para empezar, las radiaciones ionizantes (3) provocan la aparición de los temidos radicales libres en gran cantidad, creando especies altamente reactivas en el agua de la célula que alteran otros compuestos químicos presentes en las mismas. Esto, por supuesto, afecta a todo el metabolismo celular, haciendo que muchos compuestos presentes en la célula pasen a ser inútiles. 

Sin embargo, el efecto más destacado de estas moléculas es dañar el ADN (4). ¿Cómo? Uno de los radicales que se forman es el radical hidroxilo (OH^–). Al interactuar con con las cadenas de ADN, esto provoca su rotura, bien en una sola cadena o en las dos. Cuando se produce en una sola cadena, esto no supone un gran problema, puesto que el organismo tiene buenos mecanismos para reparar estas situaciones (no en vano, es bastante habitual que se produzcan normalmente en el organismo, y a veces hasta es necesario generar estas roturas, por ejemplo para la replicación de plásmidos en muchas bacterias). Sin embargo, en ocasiones se puede producir una rotura en ambas cadenas en zonas cercanas, y esto puede llevar a la pérdida completa de segmentos de ADN, algo que sí puede ser un problema bastante grave, dependiendo de la zona del genoma donde se produzca. 

Esquema de la apoptosis. Como véis, un proceso muy bien regulado por necesidad

Cuando estas roturas se producen en células que forman parte de un ser complejo, como por ejemplo nosotros, normalemnte se desatan mecanismos de apoptosis. Esto quiere decir que las células se suicidan antes de que se produzca un mal funcionamiento que afecte al resto del organismo. En el caso de seres unicelulares, las células sólo mueren cuando no son viables, cuando han perdido demasiado material genético o las moléculas que median en este metabolismo están demasiado afectadas para seguir funcionando. Por supuesto, los microorganismos, además de esta ventaja para la supervivencia frente a la radiación respecto a nuestras propias células, tienen una desventaja importante: no tienen piel. Y es que las diferentes capas de la piel paran la mayoría de la radiación antes de que alcance células más sensibles (recordemos que la epidermis son células que ya están muertas). 

Pero ante todo esto, una pregunta salta a la vista. ¿Cómo se las apañan nuestras bacterias para sobrevivir a estos problemas? 

La supervivencia tiene truco

En el caso de Thermococcus gammatolerans, no he podido encontrar estudios realmente esclarecedores sobre sus mecanismos de resistencia a la radiación. Sin embargo, en el caso de Deinococcus radiodurans, debido a que lleva mucho más tiempo descubierta, sí que hay muchos más datos, así que vamos a centrarnos en el antiguo campeón. 

Para empezar, su gran habilidad para resistir radiacion tiene un poco de truco. Y es que Deinococcus radiodurans no tiene una sola copia de su material genético, como muchas especies, o dos copias, como nosotros (eso no es exactamente cierto, puesto que en nuestro caso cada una de las copias procede de un padre y no son completamente iguales… pero sí que muchos genes están duplicados, aunque sean diferentes variantes), sino que mantiene en todo momento entre 4 y 10 copias de su ADN. ¿Qué quiere decir esto? Bueno, pues que si una de ellas resulta dañada, no es un gran problema. Incluso podría sobrevivir (en el caso de que el daño en el ADN no dispare mecanismos de destrucción del mismo, que los hay en todas las bacterias) si varias de esas copias resultaran dañadas en regiones diferentes. Sin embargo, frente a dosis de radiación como las que este microorganismo aguanta, esto no sería suficiente, además de que no parece ser excesivamente importante, pues las cepas con 4 copias tienen una resistencia a la radiación similar a las que tienen 10 copias de su material genético.  

El caso es que se sabe que los mecanismos de esta bacteria no previenen el daño recibido por el ADN (presenta aproximadamente el mismo número de roturas en el ADN que Escherichia coli ante las mismas dosis de radiación), así que la diferencia debe estar en otra parte. Por ejemplo, en la organización del genoma. Nuestra bacteria tiene un genoma muy condensado. Esto parece ayudar a que los fragmentos cortados por la radiación no se separen de su zona original, mejorando así las posibilidades de que se repare la ruptura antes de que se produzca la separación. También puede ayudar la acumulación del catión manganeso (Mn²⁺), que se presenta en esta bacteria. Este catión actúa anulando parcialmente los efectos de otros radicales libres, como el superóxido, que afectan a las proteínas, evitando que la radiación se cargue todo el metabolismo de la célula. 

Sin embargo, la mayor diferencia de Deinococcus radiodurans respecto a otras bacterias es la mayor presencia de mecanismos de reparación del ADN. Además del mecanismo habitual de reparación de roturas del ADN, el mecanismo RecA (que permite la reparación de hebras de ADN por recombinación con otras copias del material genético presentes, de ahí la importancia de tener varias copias del material genético en parte), cuenta con otros muchos mecanismos independientes de esta proteína. Uno de estos mecanismos es una forma de reparar roturas de doble cadena en el ADN sin que se produzcan errores en la corrección (las aparición de errores cuando se usa el sistema RecA es bastante común). Este sistema se basa en regiones solapantes de los fragmentos dañados.

Además, el mecanismo RecA está modificado. En una bacteria normal, la cadena rota se une a la proteína RecA, que después la une a una de las cadenas completas, dejando su pareja libre. Esto permite que se genere una nueva cadena completa a partir de la cadena completa libre, mientras que se repara la cadena anteriormente incompleta usando como molde la que está completa. En Deinococcus radiodurans vemos una solución diferente. La proteína RecA se une a la cadena en buen estado, y después une el ADN dañado. Es algo extraño, porque lo normal sería que RecA reaccionara directamente ante el daño, y no que se uniera a las cadenas «sanas». La función que desempeña esta variación en la resistencia a la radiación de nuestro subcampeón es aún desconocida. 

Comparación entre los mecanismos RecA de E. coli y D. radiodurans. Sacado de [d]

Como vemos, D. radiodurans cuenta con un buen arsenal de mecanismos para protegerse de la radiación. Pero aún queda por responder una pregunta y es… ¿por qué? ¿Para qué necesita todos estos mecanismos de resistencia a la radiación esta bacteria, si en el planeta apenas han existido condiciones que se acerquen, y todas han sido posteriores a la aparición de esta bacteria y no en todo su habitat? Como se dijo anteriormente, Deinococcus radiodurans es una bacteria del suelo. Y además no es el único microorganismo de este tipo que presenta una inusitada resistencia a la radiación, compartida entre varios microorganismos del suelo que son resistentes a la desecación. Esto llevó a investigar los daños que producía la desecación en el ADN y… ¡sorpresa! Resulta que son muy similares a los que provoca la radiación. Así que parece que un poco de falta de agua es lo único que le hace falta a los microorganismos para que empiecen a aparecer variantes que puedan sobrevivir a un holocausto nuclear. 

Como curiosidad, este bichito tiene una resistencia a la radiación tan elevada que algunos astrobiólogos llegaron a proponer (sin ninguna prueba por el momento) que el microorganismo en cuestión había evolucionado en Marte y había llegado a la Tierra en un meteorito. Aunque, la verdad, es una hipótesis bastante rocambolesca y me parece bastante más plausible lo de la desecación. 

 Jesús Rodríguez

(1) Llegados aquí, tengo que decir que los datos de la fuente original que se cita están en Roentgen, que es una unidad que cuenta con varias definiciones y depende del material emisor de la radiación (razón por la que no he usado esos datos). Además, desconozco qué factores de conversión se han usado para convertir Gray y Sievert, pero no me cuadra con los habituales (entre 1 y 20 para radiaciones corpusculares, 1:1 para EM). Visto lo visto, no considero los datos ninguna maravilla, pero es lo más claro que he encontrado.

(2) Los datos originales de las dosis administradas a los microorganismos están en Gray (Gy) y rad, pero se puede hacer el cambio fácilmente a Sievert (Sv). El cambio inverso es un poco más complicado en radiaciones complejas que incluyen radiaciones corpusculares, como las radiaciones que provienen de explosiones nucleares o accidentes en reactores de fisión nuclear. 

(3) No, las radiaciones de teléfonos móviles, antenas, televisiones y demás parafernalia no causan estos efectos. Esto sólo es válido para radiaciones de alta energía, por encima de la de la luz visible, y todas las citadas están bastante por debajo. No pasa lo mismo con rayos X, ultravioleta (de ahí las quemaduras solares) y, por supuesto, radiación gamma, alfa y beta. 

(4) Además de estos daños, también se puede producir la aparición de dímeros de timina por radiaciones ultravioleta. Sin embargo, aunque esto es dañino, no es comparable a la rotura de cadenas de ADN que se provoca por radiaciones de mayor energía, por eso no lo trato en este caso. Obviamente, la radiación ultravioleta tampoco es un gran problema para estas bacterias. 

Fuentes:

(a) M.J. Daly et al. Accumulation of Mn(II) in Deinococcus radiodurans facilitates gamma-radiation resistance. 

(b) Kira S. Makarova et al. Genome of the extremely radiation-resistant bacterium Deinococcus radiodurans viewed from the perspective of comparative genomics

(c) Effects of radiation on DNA, apuntes del curso Principles of radiation interaction del MIT.

Hablando de Ciencia