¿Cómo sobreviven ciertos microorganismos en ambientes extremos?

Vivir a más de 100 °C, en las aguas del Mar Muerto, en el fondo de la Fosa de las Marianas, en el espacio, bajo radiaciones 3.000 veces superiores a las que resultan mortales para los humanos… En lo que se refiere a resistir condiciones extremas, ningún animal o planta se acerca a las bacterias.

Y es que si bien es cierto que los humanos somos los seres vivos más inteligentes y hemos sido capaces de desarrollar increíbles tecnologías, desde el punto de vista físico, somos organismos muy sensibles a las perturbaciones ambientales.

Necesitamos unas concentraciones de oxígeno muy específicas para poder respirar, a la que suben ligeramente las temperaturas ya evitamos salir a la calle, al sumergirnos unos pocos metros en una piscina ya nos duelen los oídos por efecto de la presión, la radiación nos mata si está en dosis altas… Las bacterias resistenten estas y muchas otras condiciones, incluso a límites extremos.

Pero, ¿cómo consiguen unos organismos aparentemente tan sencillos como las bacterias no solo sobrevivir en ambientes extremos, sino desarrollarse y reproducirse sin problemas, estableciendo ese lugar tan hostil como su “hogar”? Esto es lo que analizaremos en el artículo de hoy.

¿Qué son las bacterias extremófilas?

Como su propio nombre indica, las bacterias extremófilas son aquellas capaces de sobrevivir, crecer y reproducirse en condiciones extremas, es decir, que pueden colonizar ambientes en los que hay uno (o varios) parámetros físicos o químicos a unos límites que imposibilitan el desarrollo de otras formas de vida.

Existen muchas especies extremófilas distintas y están adaptadas a unas condiciones que suponen un reto para la vida. Pero es que las bacterias fueron los primeros habitantes de la Tierra, por lo que han tenido tiempo de sobras para adaptarse a cualquier ambiente imaginable.

Y es que las bacterias llevan en la Tierra más de 3.000 millones de años. Mucho más que el tiempo que el que llevan las plantas (530 millones de años) o los mamíferos (220 millones de años); por no hablar de la especie humana (250.000 años). Las bacterias han tenido mucho más tiempo para que la evolución actúe sobre ellas y les permita adaptarse a cualquier condición.

Las bacterias extremófilas son las que viven en ambientes en los que, antes de su descubrimiento, se creía que la vida era absolutamente imposible, pues ningún animal o planta conocido es capaz de soportar esas condiciones durante mucho tiempo sin morir. Y las bacterias no solo no mueren, sino que crecen y se reproducen sin problemas.

Esta adaptación es posible ya que a lo largo de los millones de años, la evolución ha hecho que algunas especies desarrollen mecanismos y estrategias para aguantar estas condiciones tan inhóspitas. Porque las bacterias son las formas de vida más simples, pero esta sencillez es precisamente lo que permite que resistan tanto.

¿Cómo se adaptan las bacterias a los ambientes extremos?

No hay ningún lugar de la Tierra que no pueda ser colonizado, al menos, por una especie de bacteria. No importa si no hay luz o oxígeno, las temperaturas son extremadamente altas o bajas, la presión es muy elevada, prácticamente no hay nutrientes, hay mucha radiación, hay mucha acidez… Siempre habrá una especie bacteriana capaz de crecer ahí.

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Para conseguirlo, las bacterias, que son organismos unicelulares, han desarrollado algunas estrategias para reducir el impacto que estas condiciones tan extremas tienen en su integridad. A continuación vemos estas adaptaciones.

1. Síntesis de proteínas termoestables

En el ámbito de la biología, las proteínas lo son todo. Están involucradas en todos los procesos fisiológicos que ocurren en nuestro cuerpo. Y esto es así en todas las formas de vida, desde los animales hasta las plantas, incluyendo las bacterias. Y uno de los principales motivos por los que los seres vivos somos tan sensibles a las altas temperaturas es porque, pasados los 50 °C, las proteínas empiezan a desnaturalizarse.

Este proceso de desnaturalización consiste en que, debido a las altas temperaturas, las proteínas pierden su estructura y, por lo tanto, su funcionalidad. Y sin proteínas funcionales, las células empiezan a morir inevitablemente.

Y esto sucede así en todos los seres vivos excepto en algunas especies de bacterias como por ejemplo “Pyrococcus furiosus”, un microorganismo cuya temperatura predilecta de crecimiento es la de la ebullición del agua, es decir, 100 °C. Y es que de hecho es capaz de sobrevivir hasta los 120 °C, mucho más que cualquier otro ser vivo.

Esto es posible porque esta bacteria se ha adaptado a sintetizar proteínas termoestables, unas moléculas con una estructura distinta a la de las proteínas que producimos los otros organismos y que no se “rompe” por acción de las altas temperaturas. Estas proteínas aguantan mucho más sin desnaturalizarse y, por lo tanto, la bacteria sigue siendo funcional incluso a temperaturas tan elevadas.

2. Membranas celulares muy resistentes

La membrana celular es una estructura que recubre a todas las células, delimitándolas y protegiendo sus estructuras internas, es decir, moléculas, material genético, proteínas, lípidos… Todo. Cualquier célula de un ser vivo está recubierta por una membrana, la cual es bastante resistente. Pero tiene un límite.

Hay muchas condiciones que pueden romper esta membrana. Y si sucede esto, la célula muere. Las presiones elevadas y la acidez alta son dos de las situaciones que tienen un mayor impacto en la integridad de la membrana celular.

Esto explica que las sustancias ácidas nos quemen y que muramos si somos sometidos a presiones muy elevadas, como las que hay en las profundidades del mar. Sin embargo, algunas especies de bacterias han sido capaces de desarrollar una membrana celular con una composición distinta a la de los otros seres vivos.

Disponen de una cantidad lípidos y proteínas de membrana muy específica que hacen que sea mucho más difícil que se rompa. Por ello, hay microorganismos como “Helicobacter pylori”, capaz de crecer en nuestro estómago, un ambiente increíblemente ácido. Otro ejemplo es “Shewanella benthica”, una bacteria que se encuentra en el fondo de la Fosa de las Marianas, el punto más profundo del océano (a 11 km), con una presión 1.000 veces mayor a la que hay a nivel del mar.

3. Evitar la cristalización de estructuras celulares

Los seres vivos solemos morir de frío cuando se llega a las temperaturas de congelación del agua ya que se forman cristales en las estructuras celulares. Nos congelamos porque nuestras células lo hacen. Y esto sucede en todos los organismos, excepto en algunas bacterias.

Hay bacterias capaces de sobrevivir y desarrollarse sin problemas por debajo de los 0 °C, ya que disponen de mecanismos celulares que evitan la cristalización del agua intracelular. Y es que las células son en más de un 70% agua, por lo que en teoría, a estas temperaturas, esta debería convertirse en hielo.

Bacterias como “Polaromonas vacuolata” es capaz de sintetizar proteínas que inician procesos térmicos y fisiológicos que evitan que el agua en su interior se congele, manteniendo la integridad de las estructuras celulares intacta aunque se encuentre a temperaturas tan bajas. Esto le permite sobrevivir y colonizar ambientes como por ejemplo las aguas de la Antártida. Se ha visto que llega a soportar temperaturas de -12 °C.

4. Aumentar la retención de agua

Todos los seres vivos necesitamos agua para sobrevivir. Y las bacterias no son ninguna excepción. Incluso las más resistentes necesitan agua. Por ello, muchos mecanismos de conservación de los alimentos se basan en privar a estas bacterias del agua necesaria para crecer. La sal, por ejemplo, hace que las células pierdan el agua, por lo que se deshidratan y mueren.

La mayoría de bacterias son muy sensibles a los ambientes salinos ya que comportan su muerte. Pero, evidentemente, hay algunas especies a las que la presencia de sal no les afecta para nada. Disponen de mecanismos para retener el agua en su interior y evitar la deshidratación.

Un ejemplo de ello es “Haloferax volcanii”, capaz de sobrevivir en, quizás, uno de los ambientes más extremadamente salados del mundo: el Mar Muerto. Ninguna otra forma de vida puede crecer en él. Sin embargo, este microorganismo dispone de mecanismos celulares que evitan que el agua se pierda por osmosis (el fenómeno que explica que las células pierdan agua si hay mucha sal en el ambiente), por lo que no se deshidratan. Por lo tanto, lo que hacen es inhibir el proceso de osmosis.

5. Mecanismos de corrección de daños genéticos

Decimos que la radiación (si está en dosis elevadas) es mortal porque es cancerígena. Y es cancerígena porque incrementa las mutaciones en nuestras células, es decir, alteraciones en el material genético de ellas. Todos los seres vivos son sensibles a la radiación ya que no disponen de estrategias para “reparar” de forma tan rápida estos daños en los genes, por lo que las células afectadas terminan muriendo o desarrollando cáncer.

Pero, evidentemente, hay bacterias capaces de aguantar la radiación, incluso a dosis que nos matarían en cuestión de segundos. El más claro ejemplo es “Deinococcus radiodurans”, una bacteria que ganó el Récord Guinness a “bacteria más resistente del mundo”, pues es capaz de sobrevivir a dosis de radiación 3.000 veces más altas de la que resulta mortal para los otros seres vivos.

Esto es posible ya que esta bacteria dispone de unos mecanismos de reparación del material genético mucho más eficientes que los de otros organismos, por lo que aunque la radiación vaya dañando su ADN, hay moléculas que corrigen los errores antes de que la viabilidad celular se vea comprometida. Además, esta bacteria guarda varias copias de su material genético para que, en caso de que en algún momento no pueda revertir el daño, tenga otra copia “guardada”.

Referencias bibliográficas

• Jha, P. (2014) “Microbes Thriving in Extreme Environments: How Do They Do It?”. International Journal of Applied Sciences and Biotechnology.
• Gómez, F. (2016) “Guía específica de trabajo sobre Vida en ambientes extremos”. Investiga I+D+I.
• Goswami, S., Das, M. (2016) “Extremophiles: a Clue to Origin of Life and Biology of Other Planets”. Everyman’s Science.