Adaptaciones al frío: ¿Cómo sobreviven los microorganismos polares?

Daniela Morales Sánchez

¿Alguna vez te has preguntado cómo es la vida en los polos? Seguramente te imaginas un lugar muy frío e inhóspito. Pero la realidad es que las regiones de los Polos, Ártico y Antártico son lugares únicos que están llenos de vida, incluyendo vida humana [1]. Vivir ahí es un reto ya que el ambiente polar es extremo y oscilante.

Fíjate que, en verano, aunque aún hace frío, la máxima temperatura promedio que se registra es de 15 grados en un día caluroso, tomando como ejemplo la ciudad más al norte de Noruega llamada Tromsø (en donde, en ese tiempo, las personas se visten con shorts, camisetas e incluso trajes de baño en los parques de la ciudad).

El reto en ese periodo es poder dormir con la luz solar las 24 horas del día, durante el “sol de medianoche”. ¡Sí! ¡Las 24 horas! Que es cuando el sol se mantiene sobre el horizonte durante 24 horas (Figura 1A). Por otro lado, durante el invierno polar el sol no sale, es decir, el sol se mantiene por debajo del horizonte, por lo tanto, hay oscuridad (por algunos minutos es parcial, o sea, se experimenta un crespúsculo) las 24 horas del “día” (Figura 1B).

Curiosamente, en esos lugares existen microorganismos extremófilos, es decir, que viven en condiciones extremas como las que predominan en los polos. Estos microorganismos adaptados al frío son llamados psicrófilos, lo que significa que viven a temperaturas menores a 5 grados centígrados. Ahí se pueden encontrar virus, bacterias, microalgas, lombrices y pequeños crustáceos [2].

Estos organismos sobreviven, además del frío intenso, a condiciones cambiantes y extremas de luz, oscuridad, radiación UV, disponibilidad de agua y nutrientes y salinidad. O sea, viven felices durante el verano e invierno polares [2].

Entonces, ¿cómo le hacen estos organismos polares para sobrevivir al ambiente polar? Tomaremos como ejemplo a las microalgas polares.

Microalgas polares: el secreto está en sus membranas celulares

Las microalgas son microorganismos fotosintéticos, como las plantas, que usan la luz del sol y el dióxido de carbono como fuentes de carbono y energía para vivir y reproducirse y a cambio producen oxígeno (de hecho, producen ~60% más oxígeno que las plantas). Estos pequeños microorganismos, que solo pueden ser observados a través de un microscopio (Figura 2), también producen clorofila y diferentes pigmentos, como lo hacen las plantas [2]. De hecho, la carne del salmón es de color rosa porque consumen microalgas que producen un pigmento rosa, como las microalgas de la figura 2B.

En condiciones no tan extremas, las microalgas polares están ampliamente distribuidas en lagos y arroyos, suelo húmedo, bancos de nieve (Figura 3) y bloques de hielo en derretimiento dentro del mar. En condiciones ya más extremas, como es el caso de los desiertos polares en donde solo hay hielo, éstas sobreviven entre los canales que se forman en el hielo donde hay humedad y luz suficiente para su crecimiento. La diversidad de las microalgas polares es controlada por varios factores ambientales de los cuales, la presencia de agua líquida y la temperatura, son los más importantes [2].

Entonces, para sobrevivir en estos lugares, las microalgas polares han desarrollado diversos mecanismos adaptativos, uno de ellos es el enriquecimiento de sus membranas celulares con ácidos grasos poli-insaturados o PUFAs por sus siglas en ingles [2]. Los ácidos grasos son ácidos carboxílicos de cadena larga que se clasifican en saturados, mono y poli-insaturados dependiendo del número de dobles enlaces que se encuentran entre sus átomos de carbono (Figura 4).

PUFAs como mecanismo de adaptación a los ambientes fríos

Las membranas celulares de las microalgas polares controlan el transporte de los nutrientes y los productos de desecho metabólico hacia dentro y fuera de la célula, entre otras funciones importantes. Por lo tanto, mantener la fluidez y flexibilidad de ésta bajo condiciones de temperaturas congelantes es de suma importancia (Figura 5). Esto se logra cuando los ácidos grasos que componen a la membrana celular disminuyen su temperatura de solidificación y pierden su estructura rígida [2, 3] para hacerse fluidos y flexibles. Es decir, cuando pasan de ser grasas saturadas -como la manteca- a ser grasas o aceites insaturados, como el aceite de salmón.

De ahí la importancia de entender la relevancia de los ácidos grasos poli-insaturados (PUFAs), que se caracterizan por tener numerosas insaturaciones (Figura 4). El incremento de estos PUFAs es uno de los mecanismos de adaptación al frío más documentado en varias especies de microalgas [2, 3]. Específicamente, las microalgas polares incrementan el contenido de PUFAs en los fosfolípidos, que son moléculas que forman parte de la membrana celular y que están compuestas por ácidos grasos. Sin embargo, es aún más relevante el incremento de PUFAs en los galactolípidos, que también forman parte de las membranas de los cloroplastos que es donde se realiza el proceso de la fotosíntesis.

La evidencia de una alta presencia de familias de genes que codifican para enzimas involucradas en la producción de PUFAs, como las conocidas como “desaturasas”, en la microalga polar Coccomyxa subellipsoidea, resalta la importancia de la regulación de la síntesis de PUFAs en condiciones de frío extremo en microalgas polares [4]. Las enzimas llamadas “desaturasas” son las responsables de insertar las insaturaciones en los ácidos grasos.

Biotecnología con microalgas polares y PUFAs

Los PUFAs tienen una gran importancia terapéutica. Dado que los humanos no podemos sintetizarlos en nuestro cuerpo, debemos obtenerlos de diversas fuentes que pueden incorporarse a la dieta humana habitual para mantener la salud. Los PUFAs proporcionan protección contra varias enfermedades como la osteoartritis, el cáncer, los trastornos autoinmunes y enfermedades cardiacas. Además, tienen efectos antiinflamatorios [3].

Se presta especial atención a los ácidos grasos omega-3 y omega-6 (por ejemplo, el EPA, DHA y ARA) que usualmente se encuentran en los peces de agua fría, aunque ellos los obtienen de las microalgas, ya que tampoco los pueden sintetizar por sí mismos.

Como ves, la producción y comercialización de PUFAs es muy importante. Es por ello que se están llevando a cabo investigaciones para producirlos de manera sostenible. Por ejemplo, en nuestro laboratorio de biotecnología microalgal en el IBT, estamos realizando estudios en microalgas polares como Chlamydomonas sp. RCC2488 malina para investigar cómo le hace esta microalga para sobrevivir a altas intensidades de luz, como las que predominan en el Ártico, y al mismo tiempo, producir altas cantidades de PUFAs.

Además, hemos encontrado que las microalgas polares, si se comparan con las microalgas tropicales que crecen a una temperatura promedio de 25 ºC, tienen productividades de biomasa (que es la cantidad de masa celular que se produce por día) similares cuando se cultivan en el laboratorio (Figura 6). Curiosamente, se creía lo contrario, ya que se pensaba que estos microorganismos polares crecían lenta y pobremente debido a las bajas temperaturas a las que están acostumbradas (figura 6) [5].

Por consiguiente, las microalgas polares tienen un gran potencial (si se entienden bien sus mecanismos de adaptación a condiciones extremas) para la producción de PUFAs y otras substancias de interés comercial, como pigmentos de uso terapéutico, alimentario y cosmético, proteína para consumo humano y animal, antioxidantes, y hasta biocombustibles como el biodiesel y el hidrógeno. Por esta razón, es importante seguir investigándolas como lo estamos haciendo en nuestro laboratorio de biotecnología microalgal del IBt.

Referencias

1. Gustabo Sposob (2024). Clima polar. Enciclopedia Humanidades. https://humanidades.com/clima-polar/. Ultima edición: 14 de marzo, 2024. Consultado: 7 de mayo, 2024.
2. Lyon B., Mock T. (2014). Polar microalgae: new approaches towards understanding adaptations to an extreme and changing environment. Biology 3: 56-80. DOI: 10.3390/biology3010056
3. Hishikawa D., Valentine W., Lizuka Y., Shindou H., Shimizu T. (2017). Metabolism and functions of docosahexaenoic acid containing membrane glycerolipids. FEBS Letters 591: 2730-2744. DOI: 10.1002/1873-3468.12825
4. Blanc G., Agarkova I., Grimwood J., Kuo A., Brueggeman A., et al. (2012). The genome of the polar eukaryotic microalga Coccomyxa subellipsoidea reveals traits of cold adaptation. Genome Biology 13. DOI: 10.1186/gb-2012-13-5-r39.
5. Hulatt C., Berecz O., Skarstad E., Wijffels R., Kiron V. (2017) Polar snow algae as valuable source of lipids? Bioresource Technology 235: 338-347.

Fuente: ibt.unam.mx