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Contenido principal

Diversidad y clasificación de los procariontes

Diferentes grupos de procariontes. Relaciones evolutivas de las bacterias y arqueas. Extremófilas.

Puntos más importantes:

  • Los dos dominios procariontes, Bacteria y Archaea, se separaron en las etapas tempranas de la evolución de la vida.
  • Las bacterias son muy diversas y varían desde las patógenas que causan enfermedades, hasta las fotosintetizadoras y simbiontes beneficiosas.
  • Las arqueas también son diversas, pero ninguna es patógena y muchas viven en ambientes extremos.
  • Un método de secuenciación de ADN llamado metagenómica le permite a los científicos identificar nuevas especies de bacterias y arqueas, incluso aquellas que no pueden ser cultivadas.

Introducción

Los procariontes, que incluyen tanto a las bacterias como las arqueas, se encuentran prácticamente en todas partes: en cada ecosistema, en cada superficie de nuestras casas ¡e incluso en nuestros propios cuerpos! Algunos viven en ambientes demasiado extremos para otros organismos, tales como las fuentes hidrotermales en el fondo del océano.
Crédito de imagen: "Fumarola negra en el océano Atlántico", por P. Rona (dominio público).
Aunque se encuentran en todas partes, los procariontes son difíciles de detectar, contar y clasificar. Las especies de procariontes que conocemos en la actualidad son una pequeña fracción de todas las que se piensa que existen1. De hecho, el concepto mismo de "especie" se complica en el mundo de los procariontes.
En este artículo, primero veremos los grupos principales de procariontes. Luego, exploraremos por qué a menudo es difícil identificarlos y clasificarlos. Finalmente, veremos cómo los métodos de secuenciación nos ayudan a tener una mejor idea de los procariontes que nos rodean.

Un "árbol genealógico" de los procariontes

Durante mucho tiempo, los procariontes se clasificaron en un solo dominio (el grupo taxonómico más grande).
Sin embargo, el trabajo de Carl Woese en los años 1970 mostró que los procariontes se pueden dividir en dos linajes, o líneas de descendencia distintos: Archaea y Bacteria. Hoy en día, se considera que estos grupos forman dos de los tres dominios de la vida. El tercer dominio (Eukarya) incluye todos los eucariontes, tales como plantas, animales y hongos.2
Crédito de imagen: "Estructura de los procariontes: Figura 3" de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0).
Desde que se separaron hace millones de años, tanto las Bacteria como las Archaea se han dividido en muchos grupos y especies.

Bacteria

El dominio Bacteria contiene 5 grupos principales: proteobacterias, clamidias, espiroquetas, cianobacterias y bacterias grampositivas.
Las proteobacterias se subdividen en cinco grupos, alfa a epsilon. Las especies en estos grupos tienen una amplia variedad de estilos de vida. Algunas viven en simbiosis con plantas, otras viven en las fuentes hidrotermales debajo del mar, y otras más causan enfermedades humanas como las úlceras estomacales (Helicobacter pylori) e infecciones alimentarias (Salmonella).
Crédito de la imagen: "Estructura de los procariontes: Figura 4," por OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Créditos originales del trabajo: “Rickettsia rickettsia”: modificación del trabajo de CDC; crédito “Spirillum minus”: modificación del trabajo por Wolframm Adlassnig; crédito “Vibrio cholera”: modificación del trabajo de Janice Haney Carr, CDC; crédito “Desulfovibrio vulgaris”: modificación del trabajo de Graham Bradley; crédito “Campylobacter”: modificación del trabajo de De Wood, Pooley, USDA, ARS, EMU; datos de la barra de escala por Matt Russell.
Los otros cuatro grupos principales de bacterias son igualmente diversos. Las clamidias son patógenos que viven dentro de células hospederas, mientras que las cianobacterias son fotosintetizadores que fabrican la mayor parte del oxígeno de la Tierra. Las espiroquetas incluyen a bacterias inofensivas y bacterias dañinas como la Borrelia burgdoferi que causa la enfermedad de Lyme. Lo mismo sucede con las bacterias grampositivas, que varían desde bacterias probióticas en el yogur hasta Bacillus anthracis que causa el ántrax4.
Crédito de la imagen: "Estructura de los procariontes: Figura 5," por OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Créditos de la imagen original: “Chlamydia trachomatis”: modificación del trabajo de Dr. Lance Liotta Laboratory, NCI; crédito “Treponema pallidum”: modificación del trabajo del Dr. David Cox, CDC; crédito “Phormidium”: modificación del trabajo de USGS; crédito “Clostridium difficile”: modificación del trabajo de Lois S. Wiggs, CDC; datos de la barra de escala de Matt Russell.

Archaea

El dominio Archaea contiene 4 grupos principales. Curiosamente, hasta ahora no se han encontrado arqueas que sean patógenos humanos.
Las arqueas sí viven en nuestro cuerpo y en el de animales, por ejemplo en el intestino, pero todas ellas parecen ser inofensivas o beneficiosas. Aunque existen hipótesis al respecto, nadie sabe todavía exactamente por qué todas las arqueas son "amistosas", es decir por qué no han evolucionado especies que causen enfermedades5.
Junto con las arqueas que disfrutan el ambiente cómodo del intestino humano, hay muchas especies extremófilas que viven en lugares mucho más inhóspitos. Estos incluyen fuentes termales volcánicas, fuentes hidrotermales marinas y lugares muy salados como el Mar Muerto.
Crédito de la imagen: "Estructura de los procariontes: Figura 6," por OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Créditos de la imagen original: “Halobacterium”: modificación del trabajo de NASA; crédito “Nanoarchaeotum equitans”: modificación del trabajo de Karl O. Stetter; crédito “korarchaeota”: modificación del trabajo de la Oficina de la Ciencia del U.S. Dept. of Energy; datos de la barra de escala de Matt Russell.

Los muchos "procariontes misteriosos"

Por muchos años, la estrategia principal en el estudio de los procariontes fue cultivarlos en el laboratorio. Si un organismo se podía cultivar en una placa de agar, o en cultivo líquido, entonces se podría estudiar, analizar y agregar a nuestro catálogo creciente de especies y cepas procariotas.
Sin embargo, algunos procariontes no pueden crecer en un laboratorio (al menos no bajo las condiciones que los investigadores han intentado). De hecho, ¡se estima que el 99% de las bacterias y arqueas no son cultivables!
En estas placas de agar, el medio de cultivo se suplementa con glóbulos rojos. El agar sangre se vuelve transparente en presencia de bacterias hemolíticas de Streptococcus, como se muestra en la placa de la derecha. Crédito de la imagen: Diversidad de los procariontes: Figura 6, por OpenStax College, Biology, (CC BY 4.0). Imagen original de Bill Branson, NCI.
Esto representa un gran hueco en nuestro entendimiento de los procariontes que andan por ahí. Para ponerlo en contexto, hay 8.7 millones de especies de eucariontes conocidas6. Si el problema del cultivo aplicara a los eucariontes de la misma forma que en los procariontes, solo conoceríamos 87 000 de estas especies. Esto resultaría en un árbol de la vida muy sencillo, y una comprensión muy incompleta de lo que son los eucariontes como grupo. Por ejemplo, podríamos saber que existen los animales, pero desconoceríamos por completo lo que se refiere a las plantas u hongos.

¿Qué es una especie procariota?

Para hablar sobre la búsqueda de especies procariotas, probablemente necesitemos definir lo que son. Esto podría parece una pregunta simple, pero es compleja e incluso controvertida si eres un microbiólogo.
Para los eucariontes, la mayoría de los científicos define una especie como un grupo de organismos que pueden cruzarse y tener descendencia fértil. Esta definición tiene sentido para las especies que se reproducen sexualmente, pero no funciona tan bien para los organismos como las bacterias. Estas se reproducen asexualmente, formando clones de sí mismos; no se cruzan.
Los científicos en cambio clasifican a las bacterias y arqueas en grupos taxonómicos de acuerdo con su apariencia, fisiología y genes7. A muchas de ellas se les nombra según la taxonomía linneana tradicional, con un género y una especie, Sin embargo, el asunto que se refiere a la agrupación de los procariontes en especies y cómo hacerlo, sigue siendo motivo de debate entre los científicos. El "concepto de especie" correcto para estos organismos todavía está por definirse8.

La metagenómica: una ventana nueva a los microbios

Los científicos calculan que podría haber millones de especies de procariontes (o grupos semejantes a especies), pero sabemos muy poco de la mayoría de ellas1. Esto está comenzando a cambiar gracias a la secuenciación de ADN a gran escala.
La secuenciación de ADN le permite a los científicos estudiar comunidades procariontes completas en sus hábitats naturales, incluso aquellas especies que no son cultivables en laboratorio y que han permanecido "invisibles" para los investigadores.
El genoma colectivo de una comunidad así se conoce como su metagenoma, y el análisis de las secuencias del metagenoma se llama metagenómica. La metagenómica de los procariontes es una de las áreas de la biología que me parece más increíble y misteriosa.
Por ejemplo, se puede tomar una muestra de ADN de un tapete microbiano de aguas termales, como los hermosos tapetes multicolores que se encuentran en el Parque Nacional de Yellowstone. Incluso una pequeña muestra de esta rica comunidad incluye muchos, muchos individuos de diferentes especies9.
Crédito de imagen: "Tapete de bacterias", por sevenblock CC BY-NC-SA 2.0.
Al secuenciar y analizar las muestras de metagenoma de ADN, en ocasiones los científicos pueden descifrar genomas enteros de especies antes desconocidas. En otros casos, pueden usar información de las secuencias de genes específicos para averiguar qué tipo de procariontes están presentes y cómo se relacionan entre sí o con especies conocidas. Los genes que se encuentran en las muestras de ADN también pueden proporcionar pistas sobre las estrategias metabólicas de los organismos de la comunidad10.

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