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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.

Figura 1. Noche ( A, fotografía tomada a las 12:58 am en verano del 2021) y día ( B, fotografía tomada a las 1:51 pm en invierno polar del 2022 en la ciudad de Tromsø, Noruega (Fotos por Daniela Morales-Sánchez).
Este texto se obtuvo desde: https://biotecmov.ibt.unam.mx/numeros/37/1.html.
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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.

Figura 2. Microalgas polares. A: Chlamydomonas sp. RCC2488 malina aislada del Mar de Beaufort en el océano Ártico. Foto tomada por Daniela Morales-Sánchez en microscopio de luz visible con una magnificación de 40x. B: Microalgas polares que producen pigmento rojo no identificadas. C: Thalassiosira nordenskioledii, diatomea aislada del océano Ártico (Fotos por cortesía del Dr. Chris Hulatt, Profesor Asociado de la Nord University en Noruega).
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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].

Figura 3. Comunidades de microalgas que producen pigmento rojo visibles a simple vista (A) y con escala de 30 cm (B). (Fotos tomadas en una localidad al norte de Noruega, cortesía del Dr. Chris Hulatt, Profesor Asociado de la Nord University en Noruega).
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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).

Figura 4. Clasificación de los ácidos grasos. Los ácidos grasos saturados son los que no tienen dobles enlaces (insaturaciones) en su estructura, son rígidos y sólidos a temperatura ambiente, como la grasa animal (A). Los ácidos grasos mono-insaturados tienen un doble enlace en su estructura, son un poco más flexibles y líquidos a temperatura ambiente, como el aceite de oliva (B). Y los ácidos grasos poli-insaturados son los que tienen más de un doble enlace en su estructura, son más flexibles y también son líquidos a temperatura ambiente, como el aceite de salmón (C).
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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.

Figura 5. Efecto de la presencia de PUFAs en las propiedades de la membrana celular de una microalga polar. Fluidez: incrementan la difusión de las proteínas de membrana y otras moléculas. Flexibilidad: Facilitan la deformación de la membrana y ayuda a que las proteínas de membrana cambien de forma rápidamente. Defecto de empaquetado: harán que la curvatura de la membrana sea más superficial, o sea menos rígida y rompible, que con la presencia de ácidos grasos mono-insaturados que hacen que la membrana se curve más profundamente. Grosor: La bicapa de ácidos grasos compuesta por PUFAs es más delgada que las compuestas por ácidos grasos saturados y colesterol. Si la membrana es más delgada, se incrementará el paso de iones y moléculas más pequeñas (Adaptado de Hishikawa y cols. [3]).
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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.

Figura 6. Productividad de biomasa de microalgas polares crecidas a su temperatura favorable de entre 6 y 8 °C (barras celestes) y de microalgas tropicales crecidas a su temperatura favorable de entre 25 y 30 °C (barras naranjas) cultivadas en laboratorio en equipos similares (adaptado de Hulatt y cols. [6]). Cada barra representa a una cepa diferente de microalga.
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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

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