Simbiosis: es complicada

Muchos organismos están encerrados en relaciones co-dependientes con los microbios que viven dentro de ellos. Pero a veces estos microbios residentes son anfitriones de huéspedes aún más pequeños.

Arte: Natalya Zahn

¿Has oído hablar de hierba de pánico tropical, también conocido como dichonthelium lanuginosum? Probablemente no. Pero si ha visitado el Parque Nacional de Yellowstone en el oeste de Estados Unidos, es posible que haya visto sus frondosas membranas saliendo del lodo abrasador de las cuencas de géiseres, manantiales geotérmicos o ollas de barro. El nombre del césped ofrece una pista de su temperamento febril: es una de las pocas plantas que puede sobrevivir en los suelos geotérmicos ardientes del parque.

La respuesta a por qué radica en el concepto de simbiosis.

¿Qué es la "simbiosis"?

A fines de la década de 1870, los científicos alemanes Albert Frank y Heinrich Anton de Bary introdujeron el término "simbiosis" a la biología. Del griego para "juntos" y "vivir", tenía la intención de describir un tipo de relación recientemente identificada entre organismos. Los líquenes, descubrieron los científicos, en realidad están compuestos de un hongo y una alga en una alianza íntima y mutuamente beneficiosa. La alga utiliza la luz solar para producir alimento para el hongo, mientras que el hongo ofrece minerales, agua y refugio. Resultó ser un hallazgo revolucionario.

En más de un siglo desde entonces, se ha descubierto que las simbiosis juegan un papel esencial en el desarrollo y la supervivencia de casi todos los organismos. Los humanos, los animales, las plantas, los corales y los insectos dependen en gran medida de los microbios, que, a su vez, dependen de sus anfitriones. Considere las bacterias intestinales que apoyan la salud humana y animal, las algas que alimentan los arrecifes de coral o las mitocondrias que hacen funcionar nuestras células. Resulta que estas relaciones de dar y recibir con el microbioma son esenciales para la vida en la tierra. Son tan universales y fundamentales, de hecho, que a principios de este año, algunos científicos pidieron una reasignación general del Árbol de la Vida de Darwin para tenerlos en cuenta.

Simbiosis de "muñeca rusa"

Para comprender cuán elaboradamente pueden enredarse algunas simbiosis con microbios, es útil echar un vistazo a los llamados simbiontes de muñecas rusos. Al igual que las figuras de arte popular de colores brillantes por las que llevan su nombre, los organismos en estas asociaciones encajan perfectamente uno dentro del otro en arreglos de especies múltiples, a veces también conocidas como endosimbiosis anidadas. Un insecto o planta huésped contendrá un hongo, virus o bacteria, que a su vez engulle a otro hongo, virus o bacteria, y los tres cooperan para asegurar su sobrevivencia. Estos autoestopistas complementarios pueden trabajar juntos para permitir que el huésped metabolice ciertos alimentos difíciles de digerir, como sangre de vertebrados o savia o madera de plantas, o pueden ayudar al huésped a defenderse de los agresores, o proporcionar alguna ventaja de supervivencia en entornos extremos.

¿Una hierba que puede sobrevivir a temperaturas cercanas al punto de ebullición?

Tome esas hierbas de pánico que aman la tierra chisporroteante en el parque de Yellowstone. Los científicos saben desde hace mucho tiempo que los hongos endofíticos crecen dentro del césped y que, juntos, el césped y los hongos pueden resistir temperaturas de más de 149 grados Fahrenheit. Solo, ninguno de los organismos puede soportar el calor: no pueden sobrevivir más de 100 grados cuando se separan. Pero en 2006, los científicos financiados por los NIH identificaron un virus que vive dentro de ese hongo. Lo que parecía un matrimonio de por vida entre dos parejas era, de hecho, una especie de poligamia. Cuando se eliminó el virus, tanto el hongo como la hierba perdieron su resistencia al calor. Cuando se reintrodujo el virus, la resistencia al calor regresó. La parte precisa que desempeña el virus en esta relación no se comprende completamente, pero los investigadores creen que los osmoprotectores, como la trehalosa, la glicina betaína y la taurina, que ayudan a los organismos a sobrevivir a los desequilibrios hídricos extremos, pueden estar involucrados. Un pigmento llamado melanina, que se dice que mejora la tolerancia al estrés de los hongos que habitan en las rocas, y las proteínas de choque térmico también pueden desempeñar un papel.

Un elenco rotativo de bacterias ayuda a los bichos alimenticios a sobrevivir con dietas bajas en nutrientes

A veces, los socios en estos arreglos de trillizos, aunque técnicamente no pueden vivir el uno sin el otro, tienen problemas de compromiso. La mayoría de las cochinillas, por ejemplo, contienen bacterias anidadas dentro de otras bacterias que cooperan para fabricar ciertos nutrientes esenciales. Por ejemplo, el huésped y sus residentes internos contienen cada uno uno o más de los nueve genes necesarios para fabricar un aminoácido esencial llamado fenilalanina, sin el cual el cochinillo no podría sobrevivir con su típica dieta pobre en nutrientes. Algunos investigadores han especulado que los co-simbiontes deben transportar metabolitos entre ellos para completar la síntesis del aminoácido. Y, sin embargo, qué bacterias específicas se asocian con las cochinillas ha cambiado con el tiempo y entre las especies. Mientras que la bacteria externa, un insecto llamado Tremblaya, tiende a permanecer constante, la identidad de la interna es muy variable. (Aunque siempre de un único linaje conocido como Sodalis). Los científicos saben esto porque muchas cochinillas no solo dependen del ADN de sus residentes actuales, sino que también contienen el ADN de las bacterias que ya no residen en ellas, el ADN robado les ayuda a producir nutrientes que sus residentes actuales no pueden. Pero aún no se comprende con qué precisión ocurre este intercambio dentro y fuera de las bacterias internas y su ADN.

Si bien algunos de los socios en los arreglos de trillizos colonizan a sus anfitriones a través del medio ambiente o se integran en el ADN del huésped, como vimos con las cochinillas, otros se transmiten socialmente, de un huésped a otro, o se dividen junto con la célula huésped. Los últimos dos medios son utilizados por las termitas, cuyos simbiontes intestinales, protistas tipo ameba, a su vez contienen sus propios simbiontes bacterianos. Juntas, las bacterias y los protistas trabajan para permitir que la termita digiera la madera. Aunque la mayoría de los protistas intestinales se pierden cada vez que una termita se muda, lo que ocurre tres veces a medida que madura, los protistas se reabastecen durante la transferencia de alimentos o líquidos entre los miembros de la colonia de termitas. (Las termitas y otros insectos sociales comúnmente participan en el intercambio de alimentos líquidos regurgitados, un proceso llamado trofilaxis). Mientras tanto, los endosimbiontes bacterianos se dividen cada vez que los protistas de las termitas se dividen, reproduciéndose.

¿Que significa todo esto?

Entonces, ¿cómo evolucionaron estos arreglos de Russian Doll? Esa es una pregunta que los científicos aún están desconcertando, pero al menos para la termita y sus simbiontes, el proceso parece haber ocurrido mientras la especie todavía se estaba desarrollando en su forma actual. En un artículo de 2007 publicado en Molecular Ecology, un equipo internacional de científicos describió un proceso de cospeciación entre termitas, protistas y bacterias basado en el análisis genético. Fue el primer estudio de coespeciación en una simbiosis de múltiples especies.

Las simbiosis de especies múltiples pueden llegar a ser más comunes de lo que creemos. El año pasado, los investigadores descubrieron que la mayoría de los líquenes contienen dos hongos, no uno. Es una idea fascinante, dado que los líquenes iniciaron el estudio de alianzas tan beneficiosas para ambos.

I Contain Multitudes es una serie de videos de varias partes dedicada a explorar el maravilloso mundo oculto del microbioma. La serie es presentada por el escritor científico Ed Yong y producida por HHMI Tangled Bank Studios en asociación con la Sala 608.