(Phys.org)-A lo largo de su carrera, la famosa bióloga Lynn Margulis (1938-2011) sostuvo que el mundo de los microorganismos tiene un impacto mucho mayor en toda la biosfera -el mundo de todos los seres vivos- de lo que los científicos suelen reconocer. Ahora, un equipo de científicos de universidades de todo el mundo ha recogido y recopilado los resultados de cientos de estudios, la mayoría de ellos realizados en la última década, sobre las interacciones entre animales y bacterias, y ha demostrado que Margulis tenía razón. Los resultados combinados sugieren que las pruebas que apoyan el punto de vista de Margulis han alcanzado un punto de inflexión, exigiendo que los científicos reexaminen algunas de las características fundamentales de la vida a través de la lente de las relaciones complejas y codependientes entre las bacterias y otras formas de vida muy diferentes.
El proyecto de revisar la investigación actual sobre las interacciones entre animales y bacterias comenzó cuando algunos científicos reconocieron la importancia de las bacterias en sus propios campos de estudio. Para Michael Hadfield, profesor de biología de la Universidad de Hawai en Manoa, el reconocimiento creció durante muchos años mientras estudiaba la metamorfosis de los animales marinos. Descubrió que ciertas bacterias influyen en las larvas marinas para que se asienten en lugares concretos del fondo marino, donde se transforman en juveniles y viven el resto de su vida.
«Una vez que determinamos que unas bacterias específicas de la biopelícula proporcionan un ligando esencial y único para estimular las larvas de un gusano marino de distribución mundial, nuestra investigación avanzó de forma natural hacia un estudio de la porción del genoma bacteriano responsable de la señalización, y hacia otras especies, donde encontramos los mismos genes implicados», dijo Hadfield a Phys.org. «Viniendo de diferentes perspectivas en el estudio de las interacciones entre animales y bacterias, y reconociendo muchas más, Margaret McFall-Ngai y yo discutimos ampliamente la situación actual y luego decidimos intentar reunir a un número importante de expertos en varios enfoques del estudio de las interacciones entre bacterias y animales para redactar un documento como el que tienes entre manos. Propusimos una «reunión de catálisis» sobre el tema al Centro Nacional de Síntesis Evolutiva (NESCent) de la Fundación Nacional de la Ciencia, que fue financiada, y el proyecto se puso en marcha.»
Las bacterias nos rodean
En muchos aspectos, es fácil comprobar el destacado papel que desempeñan las bacterias en el mundo. Las bacterias fueron una de las primeras formas de vida que aparecieron en la Tierra, hace unos 3.800 millones de años, y lo más probable es que sobrevivan mucho después de que los humanos hayan desaparecido. En el actual árbol de la vida, ocupan una de las tres ramas principales (las otras dos son Archaea y Eucarya, a la que pertenecen los animales). Aunque las bacterias son extremadamente diversas y viven en casi toda la Tierra, desde el fondo del océano hasta el interior de nuestros intestinos, tienen algunas cosas en común. Tienen un tamaño similar (unos pocos micrómetros), suelen estar formadas por una sola célula o por unas pocas, y sus células no tienen núcleo.
Aunque los científicos saben desde hace muchos años que los animales sirven de huésped a las bacterias, que viven especialmente en el intestino, en la boca y en la piel, investigaciones recientes han revelado lo numerosos que son estos microbios. Los estudios han demostrado que los humanos tenemos unas 10 veces más células bacterianas en nuestro cuerpo que células humanas. (Sin embargo, el total de bacterias pesa menos de media libra porque las células bacterianas son mucho más pequeñas que las humanas).
Aunque algunas de estas bacterias simplemente conviven con los animales, sin interactuar mucho, algunas de ellas interactúan mucho. A menudo asociamos las bacterias con «gérmenes» o patógenos causantes de enfermedades, y las bacterias son responsables de muchas enfermedades, como la tuberculosis, la peste bubónica y las infecciones por SARM. Pero las bacterias también hacen muchas cosas buenas, y la reciente investigación subraya el hecho de que la vida animal no sería la misma sin ellas.
«El número real de especies bacterianas en el mundo es asombrosamente enorme, incluyendo las bacterias que ahora se encuentran dando vueltas por la Tierra en las capas más altas de nuestra atmósfera y en las rocas de las profundidades del fondo marino», dijo Hadfield. «Luego hay que añadir todas las de todos los entornos posibles que se puedan imaginar, desde los pozos negros hasta las aguas termales, y en todo y prácticamente en todos los organismos vivos». Por tanto, la proporción de todas las especies bacterianas que son patógenas para las plantas y los animales es seguramente pequeña. Sospecho que la proporción que es beneficiosa/necesaria para las plantas y los animales es igualmente pequeña en relación con el número total de bacterias presentes en el universo, y seguramente la mayoría de las bacterias, desde esta perspectiva, son «neutras». Sin embargo, también estoy convencido de que el número de microbios beneficiosos, incluso de microbios muy necesarios, es mucho, mucho mayor que el número de patógenos.»
Orígenes de los animales y coevolución
Desde nuestros humildes comienzos, las bacterias pueden haber desempeñado un importante papel ayudando en los orígenes de los organismos multicelulares (hace unos 1.000 o 2.000 millones de años) y en los orígenes de los animales (hace unos 700 millones de años). Los investigadores han descubierto recientemente que uno de los parientes vivos más cercanos de los animales multicelulares, un choanoflagelado unicelular, responde a las señales de una de sus bacterias presa. Estas señales hacen que las células de los choanoflagelados que se dividen conserven las conexiones, lo que lleva a la formación de colonias bien coordinadas que pueden haberse convertido en organismos multicelulares. Sin embargo, estas cuestiones de origen han sido objeto de un intenso debate, y los científicos tienen muchas hipótesis sobre cómo surgieron estas formas de vida. Un papel bacteriano en estos procesos no excluye otras perspectivas, pero añade una consideración adicional.
Después de ayudar a poner en marcha a los animales, las bacterias también desempeñaron un papel importante para ayudarles en su camino evolutivo. Aunque tradicionalmente se ha pensado que el desarrollo de los animales está dirigido principalmente por el propio genoma del animal en respuesta a factores ambientales, investigaciones recientes han demostrado que el desarrollo de los animales puede considerarse mejor como una orquestación entre el animal, el medio ambiente y la coevolución de numerosas especies microbianas. Un ejemplo de esta coevolución puede haber ocurrido cuando los mamíferos desarrollaron la endotermia, o la capacidad de mantener una temperatura constante de aproximadamente 40 °C (100 °F) por medios metabólicos. Esta es también la temperatura a la que los compañeros bacterianos de los mamíferos trabajan con una eficiencia óptima, proporcionando energía a los mamíferos y reduciendo su necesidad de alimentos. Este hallazgo sugiere que la temperatura preferida por las bacterias puede haber ejercido una presión de selección sobre la evolución de los genes asociados a la endotermia.
Señalización bacteriana
La evidencia de una alianza muy arraigada entre animales y bacterias también surge en los genomas de ambos grupos. Los investigadores estiman que alrededor del 37% de los 23.000 genes humanos tienen homólogos con bacterias y arqueas, es decir, están relacionados con genes encontrados en bacterias y arqueas que derivaron de un ancestro común.
Muchos de estos genes homólogos permiten la señalización entre animales y bacterias, lo que sugiere que han sido capaces de comunicarse e influir en el desarrollo del otro. Un ejemplo es el descubrimiento de Hadfield y su grupo de que la señalización bacteriana desempeña un papel esencial en la inducción de la metamorfosis en algunas larvas de invertebrados marinos, en las que las bacterias producen señales asociadas a determinados factores ambientales. Otros estudios han descubierto que la señalización bacteriana influye en el desarrollo normal del cerebro de los mamíferos, afecta al comportamiento reproductivo tanto de los vertebrados como de los invertebrados y activa el sistema inmunitario de las moscas tsetsé. Las sustancias químicas olfativas que atraen a algunos animales (incluidos los humanos) a sus posibles parejas también son producidas por las bacterias residentes de los animales.
La señalización bacteriana no sólo es esencial para el desarrollo, sino que también ayuda a los animales a mantener la homeostasis, manteniéndonos sanos y felices. Como han demostrado las investigaciones, las bacterias del intestino pueden comunicarse con el cerebro a través del sistema nervioso central. Los estudios han descubierto que los ratones que carecen de ciertas bacterias presentan defectos en las regiones del cerebro que controlan la ansiedad y el comportamiento depresivo. La señalización bacteriana también desempeña un papel esencial en la vigilancia del sistema inmunitario de los animales. La alteración de estas vías de señalización bacteriana puede provocar enfermedades como la diabetes, la enfermedad inflamatoria intestinal y las infecciones. Los estudios también sugieren que muchos de los patógenos que causan enfermedades en los animales han «secuestrado» estos canales de comunicación bacteriana que originalmente evolucionaron para mantener un equilibrio entre el animal y cientos de especies bacterianas beneficiosas.
La señalización también aparece en el ámbito más amplio de los ecosistemas. Por ejemplo, las bacterias presentes en el néctar de las flores pueden cambiar las propiedades químicas del néctar, influyendo en el modo en que los polinizadores interactúan con las plantas. Los bebés nacidos por vía vaginal tienen bacterias intestinales diferentes a las de los nacidos por cesárea, lo que puede tener efectos duraderos. Y las bacterias que se alimentan de animales muertos pueden repeler a los carroñeros animales -organismos 10.000 veces más grandes que ellos- produciendo olores nocivos que indican a los carroñeros que se mantengan alejados.
En el intestino
En los primeros animales, las bacterias intestinales desempeñaron un papel importante en la nutrición al ayudar a los animales a digerir sus alimentos, y pueden haber influido en el desarrollo de otros sistemas de órganos cercanos, como los sistemas respiratorio y urogenital. Asimismo, la evolución de los animales probablemente impulsó la evolución de las bacterias, a veces en nichos muy especializados. Por ejemplo, el 90% de las especies bacterianas de los intestinos de las termitas no se encuentran en ningún otro lugar. Esta especialización también significa que la extinción de cada especie animal provoca la extinción de un número desconocido de linajes bacterianos que han evolucionado junto con ella.
Los científicos también han descubierto que las bacterias del intestino humano se adaptan a los cambios en la dieta. Por ejemplo, la mayoría de los estadounidenses tienen un microbioma intestinal optimizado para digerir una dieta rica en grasas y proteínas, mientras que los habitantes de las zonas rurales del Amazonas (Venezuela) tienen microbios intestinales más adecuados para descomponer los carbohidratos complejos. Algunas personas en Japón incluso tienen una bacteria intestinal que puede digerir algas. Los investigadores creen que el microbioma intestinal se adapta de dos maneras: añadiendo o eliminando determinadas especies de bacterias y transfiriendo los genes deseados de una bacteria a otra mediante la transferencia horizontal de genes. Tanto el huésped como las bacterias se benefician de este tipo de relación simbiótica, que los investigadores creen que está mucho más extendida de lo que se pensaba.
El panorama general
En conjunto, los estudios recientes han demostrado que los animales y las bacterias tienen historias que están profundamente entrelazadas, y dependen unos de otros para su propia salud y bienestar, así como la de sus entornos. Aunque los investigadores se centraron exclusivamente en las interacciones entre animales y bacterias, prevén que tendencias similares de codependencia y simbiosis son universales entre otros grupos, como Archaea, hongos, plantas y animales. Esta mezcla, que antes se consideraba una excepción, se está convirtiendo en la norma, tal y como predijo Margulis hace muchas décadas. Debido a estas relaciones simbióticas, los científicos proponen aquí que las propias definiciones de organismo, medio ambiente, población y genoma se han desdibujado y deben ser revisadas. Puede ser, por ejemplo, que los animales se consideren mejor como ecosistemas de microbios huéspedes que como individuos.
Además, los científicos predicen que los recientes descubrimientos sobre las interacciones entre animales y bacterias probablemente requerirán que los biólogos modifiquen significativamente su visión de la naturaleza fundamental de toda la biosfera. En esta línea, ya se están llevando a cabo proyectos de investigación a gran escala, como el Proyecto del Microbioma Humano y el Proyecto del Microbioma de la Tierra, para investigar la amplia gama de bacterias en los sistemas individuales y globales, y ver lo que sucede cuando las bacterias son perturbadas.
Al final, los científicos esperan que los resultados promuevan una mayor colaboración interdisciplinar entre científicos e ingenieros de diferentes campos para explorar la nueva frontera microbiana. Argumentan que estos descubrimientos deberían revolucionar la forma en que se enseña la biología desde el nivel de la escuela secundaria en adelante, centrándose más en las relaciones entre las bacterias, sus compañeros animales y todas las demás formas de vida.
«Es difícil resumir una sola ‘conclusión más importante’, aparte de la advertencia a los biólogos que estudian los animales, desde el comportamiento hasta la fisiología y la ecología hasta la biología molecular, de que, independientemente del proceso que crean que están estudiando, deben buscar y considerar un papel importante para las bacterias», dijo Hadfield. «En muchos casos, esto puede requerir asociaciones más allá de los límites tradicionales de la investigación, lo que significa que los zoólogos deben colaborar con los microbiólogos para avanzar en su investigación, que los biólogos moleculares deben colaborar con los biólogos de todo el organismo, etc. Queremos que el mensaje de «Animales en un mundo bacteriano» sea un llamamiento a la necesaria desaparición de las antiguas fronteras entre los departamentos de ciencias de la vida (por ejemplo, departamentos de zoología, botánica, microbiología, etc.) en las universidades, y las sociedades (por ejemplo, la Sociedad Americana de Microbiología, etc.). También queremos que el mensaje se difunda en las clases de colegios y universidades, desde los cursos de introducción a la biología hasta los cursos avanzados en las diversas áreas temáticas de nuestro trabajo.»
Los resultados cambiarán profundamente la forma en que los científicos de esta colaboración continúen con sus propias áreas de investigación, dijo Hadfield.
«Cada uno de los autores de nuestro trabajo lleva a cabo una investigación básica en una o más áreas de las interacciones entre animales y bacterias que se discuten en el trabajo, y cada uno continuará centrándose en su propia especialidad, estoy seguro», dijo. «Sin embargo, también estoy segura de que las interacciones desarrolladas durante la composición y redacción del artículo (a partir de nuestra reunión del NESCent en octubre de 2011, cuando la mayoría de nosotros nos reunimos por primera vez) tendrán un impacto en nuestra propia investigación y nos harán establecer nuevas colaboraciones con otros laboratorios. Eso ya ha ocurrido en mi caso; tengo una nueva colaboración con el grupo de Dianne Newman en CalTech, un grupo excepcional de bacteriólogos que nos están ayudando a hacer una investigación mucho más profunda de los productos genéticos bacterianos responsables del desarrollo de las larvas.»
Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences