Todavía nos falta por descubrir el 99,999 % de los microbios

Si un marciano (un extraterrestre, ya sé que los marcianos
no existen) llegara a la Tierra, seguro que lo primero que preguntaría es
cuántas formas de vida (o especies) hay en nuestro planeta. Y desgraciadamente
deberíamos contestarle que no tenemos ni idea, todavía no las hemos contado
todas. Bueno, algo de idea sí que tenemos y algunas estimaciones sí que se han
hecho, pero la respuesta no es fácil. El primer problema es que todavía no nos
hemos puesto de acuerdo es definir qué es una especie biológica: el concepto de especie
varía según hables con un zoólogo, un botánico o un microbiólogo. Además, los cambios
en la taxonomía, en la clasificación de los seres vivos, son frecuentes porque
se descubren nuevas especies, se reordenan clasificaciones anteriores o se
detectan sinónimos (la misma especies con dos nombres distintos, por ejemplo).
La respuesta, por tanto, no es sencilla.

De las especies de animales y plantas que tenemos
catalogadas hasta ahora (más de 1,2 millones de especies, incluidos todos los
eucariotas), la mayoría son insectos (cerca 900.000), luego los arácnidos (unos
100.000) y los moluscos (unos 85.000). Existen unas 4,5 veces más especies de
animales que de plantas. Aunque es un tema controvertido, se han hecho algunas
estimaciones de cuántas especies existen realmente. Para ello, los autores se
basan en datos de distribución global, relación entre especies distintas,
patrones ecológicos y taxonómicos, … y pueden llegar a estimar o extrapolar el
número de especies existentes. Según una publicación de 2011 (1), el número de
especies estimadas es el siguiente:

Hay seres vivos que se extinguirán antes de que sepamos incluso de que
existen

Esto hace una estimación total de 8,7 millones de especies de seres
vivos eucariotas (células con núcleo), de los cuáles 2,2 millones son
acuáticos. ¿Y esto es mucho o poco? Pues depende. Si estas estimaciones son
correctas, cerca del 86% de los seres vivos terrestres y el 91% de los marinos
todavía esperan ser descubiertos. Solo tenemos catalogado cerca del 13% de las
especies del planeta. Se calcula que cada año se descubren unas 6.200 especies
nuevas, por lo que necesitaremos unos 1.200 años para describir con detalle
todos esos millones de especies que están ahí fuera pero que todavía no
conocemos. Además, como cada año se extinguen varios cientos de especies, habrá
algunos seres vivos que se extinguirán antes de que sepamos incluso de que
existen. Todavía hay mucho trabajo para los biólogos, … y mucho más para los
microbiólogos, porque estimar el número de microorganismos, (células
procariotas, sin núcleo) todavía es mucho más difícil.

Comparación del número de especies estimadas con el número de especies descritas, según grupos taxonómicos. (Fuente: ref. 1).

Hasta hace pocos años los microorganismos que conocíamos los
conocíamos porque los podemos crecer in
vitro en medios de cultivo. Así, somos capaces de identificar unas 10.800
especies de microorganismos cultivables (exactamente hay catalogadas 10.358
bacterias y 502 arqueas). Pero realmente, ¿cuántas especies de microbios hay en
el planeta?

Las nuevas técnicas de secuenciación masiva nos han
permitido tener acceso a datos de una multitud de microorganismos no
cultivables. Algunos se han dedicado a estimar la cantidad de microorganismo
que hay en los ecosistemas. Por ejemplo, se calcula que el número de bacterias
en nuestro cuerpo es de unas 3,8 x 10¹³ (bacterias y arqueas), y han
estimado que el número total de microorganismos en el planeta es de 10³⁰,
esto es un uno seguido de treinta ceros, una cantidad inmensa, trillones de
billones de microbios. Hay muchos microorganismos, pero es que además están por
todas partes. Los microorganismos tienen una enorme diversidad metabólica,
taxonómica y funcional. Los datos del metabolismo demuestran que estos microorganismos
son capaces de colonizar todos los hábitats acuáticos y terrestres, todos los
ecosistemas y todo tipo de hospedadores. Mediante técnicas de secuenciación
masiva, el Proyecto Microbioma Global (Earth Microbiome Project) ha catalogado unos 10 millones de especies de
microbios, de los cuales solo el 29% se han detectado dos veces. Pero, ¿son
esas todas las bacterias y arqueas diferentes que hay en el planeta? Pues parece que se quedan cortos.

Un millón de millones de especies de microbios diferentes

Se ha publicado una nueva estimación del número de especies
de microbios que puede albergar la Tierra (2). Los autores han realizado una
compilación de miles de datos de biodiversidad a escala global incluyendo el
inventario más completo de datos moleculares hasta ahora consultado. Combinando
todos los datos, los autores estiman que en la Tierra habitan hasta un billón
(un millón de millones, 10¹²) de especies de microbios
diferentes. La biodiversidad microbiana
es por tanto mucho más grande de lo que se creía hasta ahora, y muchísimo mayor
que las estimaciones de animales y plantas (8,7 millones como hemos visto). Si
solo conocemos unas 10.800 especies y la estimación es de un millón de
millones, desconocemos el 99,999% de los microbios que hay ahí fuera.
Efectivamente, hay mucho trabajo todavía pendiente.

Aquí te lo cuento en el primer capítulo de la serie «Los microbios en el museo» de #microBIOscope: biodiversidad microbiana

Por cierto, estos autores confirman un dato que ya conocíamos,
que Pelagibacter ubique  (3) y  Prochlorococcus marinus (4) son las
bacterias más abundantes del planeta (10²⁸-10²⁷,
respectivamente). Son bacterias muy pequeñicas (menos de una micra), del grupo
de las rikettsias y de las cianobacterias, y que pertenecen ambas al picoplancton
marino. Hay un billón de microbios distintos ahí fuera, pero algunos concretos
son muy abusones.

Para saber más:

(1) How many species are there on Earth and in the ocean?
Mora C, y col. PLoS Biol. 2011. 9(8):e1001127. doi:
10.1371/journal.pbio.1001127.

(2) Scaling laws predict global microbial diversity. Locey KJ, y col. Proc Natl Acad Sci U S A.
2016. 113(21):5970-5. doi: 10.1073/pnas.1521291113.

(3) SAR11 clade dominates ocean surface bacterio plankton communities.

Morris RM, y col. Nature. 2002. 420(6917):806-10.

(4) Present and future global distributions of the marine Cyanobacteria Prochlorococcus and Synechococcus. Flombaum P, y col. Proc Natl
Acad Sci U S A. 2013. 110(24):9824-9. doi: 10.1073/pnas.1307701110.

Con la colaboración de:

Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT) – Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (antes Ministerio de Economía, Industria y Competitividad)

aparecen en la nueva versión del árbol de la vida

El árbol de la vida (The tree of life) es uno de los 
sistemas de organización de los seres vivos más importantes en biología.
Los primeros intentos de clasificar los organismos en un “árbol de la vida” se
basaba en sus características físicas y metabólicas. Con los métodos
moleculares basados en la comparación de secuencias de genes aumentaron la
diversidad de las ramas del árbol porque ya no era necesario la observación
directa de los organismos. Hasta ahora estas comparaciones se limitaban a un
gen, el de la subunidad pequeña del RNA
ribosomal (SSU rRNA, small subunit
ribosomal RNA). Para ello, a partir de una muestra de DNA del organismo, se
amplificaba el gen SSU rRNA con oligonucleótidos (primers) específicos y universales (en principio para todos los organismos),
se secuenciaba y se comparaba con las secuencias del mismo gen del resto de
organismos. La comparación de las secuencias del gen SSU rRNA demuestra que la
vida se organiza en tres líneas evolutivas, denominadas dominios: Bacteria
y Archaea (que representan células procariotas, es
decir sin núcleo), y Eukarya (células eucariotas, con
núcleo). Este árbol filogenético
universal reveló dos hechos evolutivos importantes: no todos los
procariotas están estrechamente relacionados desde el punto de vista evolutivo,
y el dominio Archaea presenta una relación más próxima al
dominio Eukarya que al dominio Bacteria.

El árbol filogenético universal, basado en la comparación de las secuencias del gen SSU rRNA.

Sin
embargo, este método también tienen sus limitaciones. Por una parte, existen
muchos organismos en la naturaleza (sobre todo microbios) que todavía no somos capaces de cultivar en
el laboratorio y no los podemos aislar y de los que hasta ahora no teníamos
información sobre ellos (la “materia oscura” del mundo microbiano). Por otra, los
primers no son tan universales como
se creía al principio: existen organismos
cuyas secuencias divergen de esos primers
universales y no podemos tener información sobre su gen SSU rRNA.

Existen más de 30.500 genomas
secuenciados de los tres dominios de la vida, Bacteria, Arquea y Eukarya (datos
de septiembre de 2015).

La metagenómica se basa en la secuenciación
masiva de todo el DNA de una muestra ambiental. El resultado son cientos de
miles de secuencias de fragmentos del genoma. Luego, nuevos métodos bioinformáticos
permiten enlazar esos fragmentos (como un puzle) y completar (o casi completar)
la secuencia de todo el genoma de un organismo concreto. Con esta técnica no es
necesario aislar el organismo, no tenemos necesidad de cultivarlo en el
laboratorio. Ni siquiera es necesario tener un genoma de referencia previo para
compararlo. Además, esta aproximación genómica nos proporciona información
sobre el potencial metabolismo del
organismo, información que puede ser empleada para relacionarlo con el
resto de organismos y clasificarlo.

Ahora,
un grupo de californianos (junto con algún japonés) han empleado la tecnología
metagenómica para proponer una nueva versión del árbol de la vida en alta definición,
como si viéramos el árbol con una mayor
resolución. Y el resultado es muy interesante.

Han
construido su árbol de la vida usando unos 2.000 genomas completos obtenidos de
bases de datos públicas más otros 1.011
nuevos genomas reconstruidos a partir de muestras de DNA obtenidas de
diferentes ambientes. Estos eran por tanto genomas de organismos no cultivados en el laboratorio. Las muestras de DNA
las han obtenido de varios ecosistemas: un sistema acuífero superficial, simas
profundas marinas del Japón, cortezas salinas del desierto de Atacama, suelo de
verdes praderas californianas, un geiser rico en CO₂ y hasta de la
boca de un par de delfines (como ves los autores se han divertido de lo lindo en
la fase de recogida de muestras).

Una
vez obtenidas las secuencias de DNA y montados los genomas, compararon las de 16 proteínas ribosomales de cada organismo.
De esta forma, obtuvieron un árbol en HD (alta definición), con mucha mayor resolución
que los árboles clásicos obtenido al comparar una sola secuencia del gen 16S rRNA.
Usaron secuencias de proteínas ribosomales para evitar artefactos que se
podrían originar si se emplean genes con funciones distintas y sujetos a
diferentes procesos evolutivos. Además, los genes ribosomales siempre están
localizados juntos en una pequeña región del genoma en Bacteria y Archaea. Para
la construcción del árbol se incluyeron un representante por género de todos
los géneros para los que existe un genoma completo secuenciado (o al menos un
borrador de alta calidad).

En esta nueva versión del árbol
de la vida se han incluido 3.083 organismos.

El
nuevo árbol de la vida en alta definición. Incluye 92 phyla de Bacteria, 26 de Archaea, y los cincos supergrupos de Eukarya. Se señala con un punto rojo los
linajes que no tienen un representante aislado y cultivado.

Se trata del primer árbol de la
vida publicado desde el desarrollo de las técnicas metagenómica. Ha requerido
un total de 3.840 horas de trabajo computacional del superordenador CIPRES.

En nuevo
árbol demuestra que el dominio Bacteria
es el que más linajes tiene, el más diverso. La mayor biodiversidad genética se encuentra entre las bacterias. Archaea es menos abundante y menos diverso
que Bacteria. La baja diversidad
genética de Eukarya es esperable, debido a su comparativamente reciente
evolución.

El
resultado es compatible además con la idea de que los eucariotas evolucionaron
como quimeras vía fusiones endosimbiónticas en las que participaron tanto bacterias
como arqueas. El dominio Eukarya
incluye protistas, hongos, plantas y animales, y se ramifica a partir de Archaea, en concreto del grupo TACK. Estos análisis
filogenéticos apoyan la hipótesis de que la arquea Lokiarchaeota y Eukarya
poseen un mismo ancestro común.

Otro
dato interesante, es que a diferencia de los que se pensaba, la clase Proteobacteria del dominio Bacteria, no es un grupo monofilético,
sino que tiene orígenes evolutivos más diversos.

Pero
lo más innovador de este árbol en alta
definición es la aparición en escena de un gran número de linajes sin representante
aislado, no cultivados (los puntos rojos en la figura de arriba). La
mayoría de estos se agrupan además dentro de una misma región del árbol,
denominada CPR (Candidate Phyla Radiation).
Según esto el domino Bacteria se divide claramente en dos
linajes. Los géneros incluidos en este nuevo grupo CPR tiene algunas
características comunes (además de ser no cultivables): todos tiene el genoma
pequeño, la mayoría poseen capacidades metabólicas restringidas, carecen del
ciclo del ácido cítrico, cadena respiratoria y tienen una limitación de
síntesis de nucleótidos y aminoácidos, por lo que muchos son simbiontes. No
está claro si esto es debido a pérdida progresiva de capacidades o que por el
contrario son características heredadas de una forma ancestral de vida con un
metabolismo primitivo muy simple.

En resumen,
la inclusión de nuevos genomas de linajes microbianos previamente desconocidos ha
expandido enormemente el árbol de la vida. Esto demuestra la importancia de
incluir datos genómicos independientes del cultivo para tener una imagen más
real del árbol de la vida.

También te puede interesar:

– El árbol que plantó Carl R. Woese

– Dos mejor que tres: un poda en el árbol de la vida

– Sobre el origen de las células eucariotas

A new view of the tree of life. 2016. Hug, L. A. y col. Nature Microbiol. Article number: 16048 (2016). doi:10.1038/nmicrobiol.2016.48

Se ha publicado un
artículo en PNAS sobre la distribución global de la abundancia de
microorganismos en los sedimentos marinos. Han estudiado 34 zonas distintas
del océano Pacífico, de la superficie del suelo marino y hasta un metro de profundidad.
Han extraído las células y han estimado el número de bacterias mediante
técnicas de microscopía de fluorescencia y cálculos matemáticos.

Los resultados muestran
que la distribución global de células microbianas en los sedimentos marinos no
es uniforme y varía mucho entre los distintos sitios de muestreo en varios órdenes
de magnitud. Esta variación depende mucho de la cantidad de sedimentos y de la
distancia de la costa. Han encontrado zonas extremadamente pobres desde el
punto de vista nutricional y por tanto auténticos “desiertos de vida”. En este
trabajo se estima que la abundancia microbiana es de unos 3 x 10²⁹
células. ¿Y esto cuánto es?, pues un 3 seguido de 29 ceros. Un número que ni yo
mismo se nombrar, pero que según una colega matemática es 300.000 millones de trillones. Según los autores, esto corresponde
solo con un 0,6% de la biomasa total de
la Tierra.

 Distribución global de la abundancia de microbios
en los sedimentos marinos. El número de células es menor en zonas más alejadas
de la costa.

Esta estimación de la
abundancia de microbios es mucho menor que otros cálculos anteriores. En 1998
otros autores estimaron que la cantidad de microbios en los sedimentos marinos
era de aproximadamente 35,5 x 10²⁹ células. O sea que según los
nuevos cálculos hay cerca de un  90% menos de microbios de lo que se pensaba.
Las razones de estas diferencias son que ahora los datos son geográficamente más
diversos que los estudios anteriores e incluyen algunas áreas con muy baja
abundancia de células.

Combinando varios
trabajos, el número de procariotas presentes en el agua del mar, el suelo y la
superficie terrestre es de entre 9,2 y 31,7 x 10²⁹ células, lo que
supone entre un 50 y un 78% menos de lo que se creía hasta ahora. 

De todas formas, yo no me
preocuparía mucho, 300.000 cuatrillones de bacterias son muchas bacterias,
siguen siendo muy diversas y aunque supongan menos del 1% de la biomasa total
del planeta su efecto sobre el mismo sigue siendo esencial. 

También puedes oir esta entrada en

El podcast del microbio!

Kallmeyer J, et al. (2012). Global distribution of microbial abundance and biomass in subseafloor sediment. Proc Nat lAcad Sci U S A DOI: 10.1073/pnas.1203849109

Los microorganismos que conocemos sabemos que existen porque somos capaces de cultivarlos en el laboratorio y “verlos”. Sin embargo, estos microorganismos cultivables representan en realidad una pequeña fracción, una minoría, de los que realmente existen en la naturaleza. No tenemos ni idea de la inmensa mayoría de virus y bacterias que hay ahí fuera, sencillamente porque no sabemos cómo cultivarlos.

El objetivo de la Global Ocean Sampling Expedition es descubrir los secretos de los océanos, tomando muestras, y secuenciando y analizando el ADN de los microorganismos que viven en ellos.

  Ya ha habido dos expediciones científicas desde el 2003, que han dado la vuelta al mundo.

Ahora, investigadores del J. Craig Venter Institute han publicado en PLoS ONE un análisis metagenómico de las muestras obtenidas en esas expediciones oceánicas. Estos análisis consisten en la secuenciación de todos los genomas de todos los organismos presentes en la muestra y genera millones de datos que luego hay que saber analizar e interpretar!. Los análisis demuestran la existencia de nuevas secuencias de virus desconocidos y de otros organismos hasta ahora no caracterizados. Es un ejemplo de que cuando hablamos de biodiversidad, a lo que principalmente nos referimos es al mundo microbiano.

De momento se acepta que todos los seres vivos conocidos se incluyen en tres grandes grupos o dominios: Bacterias, Arqueas y Eucariotas. Aunque realmente estos investigadores lo que andaban buscando es la confirmación de que existe un cuarto dominio en el árbol de la vida, su contribución más importante es la metodología de análisis que han desarrollado, que sin duda servirá para seguir explorando ese inmenso universo microbiano todavía desconocido.

Stalking the fourth domain in metagenomic data: searching for, discovering, and interpreting novel, deep branches in marker gene phylogenetic trees. Wu D, et al. PLoS One. 2011 Mar 18;6(3):e18011.