Bacterias gigantes

Pero como hemos dicho otras veces, en biología el único dogma que hay es que en biología no hay dogmas: siempre encontramos una excepción, uno que se sale de la norma establecida, incluso más excepcional que las propias excepciones. La Naturaleza nunca deja de sorprendernos.

Ahora se acaba de describir lo que de forma comparativa podríamos definir como una autentico “dinosaurio” bacteriano: la bacteria más grande jamás vista, un “monstruo” con una longitud superior a 9.000 micras, ¡una bacteria de casi un centímetro de largo!

Comparación de tamaño de algunos organismos procariotas (verde) y eucarióticas (azul) en una escala logarítmica. (Fuente: ref. 1).

Mediante microscopía de fluorescencia, rayos X y microscopía electrónica junto con la secuenciación del genoma, han caracterizado una bacteria relacionada con la ya campeona Thiomargarita que han denominada Thiomargarita magnifica, con unas características biológicas únicas y excepcionales.

Se trata de una gammaproteobacteria oxidante del azufre fijadora de CO2 y de metabolismos autótrofo, aislada de los manglares marinos tropicales de isla Guadalupe en las Antillas.

Los análisis de imágenes revelan que el interior del organismo está repleto de copias del genoma, una poliploidía masiva sin precedentes, con más de medio millón de copias del genoma. Esto es el mayor número de copias de genoma para una sola célula jamás descrito hasta ahora. Cuando se analiza y se secuencia una de las copias, se observa que esta bacteria contiene 11.788 genes, el triple de lo que normalmente contiene un procariota “normal” (unos 4.000 genes), un genoma tan grande como la levadura de panadería S. cerevisiae pero más genes que el hongo modelo Aspergillus nidulans (con unos 9.500 genes).

Posee además un ciclo de desarrollo dimórfico donde las copias del genoma se segregan de forma asimétrica en lo que parecen aparentes células hijas. Pero cada filamento es una celda continua sin tabiques de división, incluidas las constricciones parciales hacia el polo apical. Sólo los pocos brotes más apicales están separados del filamento por una constricción y constituyen auténticas células hijas.

Montaje de microscopía óptica de la mitad superior de una célula de T. magnifica (B), con una parte basal rota que revela una morfología tubular debido a la vacuola central grande (V) y numerosos gránulos de azufre intracelulares esféricos (S). Montaje de microscopía electrónica (E-G) de la constricción apical de una célula, con el citoplasma limitado a la periferia. En F ampliación del área marcada en E, con gránulos de azufre. En G mayor aumento del área marcada en F que muestra esas estructuras membranosas con el genoma y ribosomas, a modo de “pepitas”. (Fuente: ref. 1).

La parte interior de la célula está rellena de una gran vacuola que ocupa más del 70% del volumen. El citoplasma queda, por tanto, restringido a una fina capa en la periferia de la célula con gránulos de azufre dispersos.

Los filamentos de Thiomargarita magnífica de casi un centímetro de largo representan en realidad células individuales con el material genético y los ribosomas localizados en compartimentos rodeados de un nuevo tipo de membrana, estructuras a modo de “pepitas”.

Montaje de microscopía electrónica. En E, una sección delgada del citoplasma. En F y G a mayor aumento, esas estructuras delimitadas por una membrana y que contienen numerosos ribosomas que aparecen como pequeños gránulos densos en electrones (Fuente: ref. 1).

Modelo propuesto para la organización subcelular en Thiomargarita magnifica mostrando cómo el orgánulo tipo “pepita” aumentan en gran medida el área de superficie de las supuestas membranas bioenergéticas. (Fuente: ref. 1).

Todas estas características celulares únicas probablemente permitan que este organismo puede crecer a un tamaño inusualmente grande y eludir las limitaciones biofísicas y bioenergéticas en el crecimiento.

Algunos han sugerido que quizá este nuevo microorganismo suponga un eslabón intermedio en la evolución desde las células procariotas hacia la estructura eucariota más compleja y repleta de orgánulos en su interior. Sin embargo, más que el “eslabón perdido” es muy probable que se trate de un fenómeno de adaptación evolutiva a una condición y ambiente selectivo muy determinado. Una muestra más de que la biodiversidad microbiana es fascinante y nunca deja de sorprendernos.

(1) A centimeter-long bacterium with DNA compartmentalized in membrane-bound organelles. Volland, JM, y col. doi: https://doi.org/10.1101/2022.02.16.480423 (este artículo todavía no ha sido revisado y publicado y está accesible solo en forma de pre-print)

Las bacterias se ven a simple vista: ¿verdadero o falso?

Te lo cuento en este capítulo de la serie «Los microbios en el museo» de #microBIOscope:

Siempre nos ha sorprendido el encontrar en la naturaleza animales de tamaños excepcionales. En el océano viven las especies más grandes del planeta. Lo primero que seguro nos viene a la cabeza son esas imágenes de calamares gigantes. Algunos pueden llegar a tener una longitud de 13 m desde la punta de la aleta hasta las puntas de los dos tentáculos más largos. Estos calamares, del género Architeutis, son los invertebrados más grandes que existen. Sabemos muy poco de ellos porque viven las profundidades de los océanos, a miles de metros de profundidad. De hecho, han sido los restos encontrados en los estómagos de los cachalotes los que han permitido conocer las características anatómicas de estos cefalópodos.

Las primeras fotografías tomadas de estos calamares con vida y en su medio naturales son de 2004, y la primera película es de finales de 2006.

Este tipo de calamares es un magnífico ejemplo de lo que se conoce como gigantismo abisal. Existen muchos invertebrados en las profundidades marinas que son de gran tamaño, mucho mayor que el de las especies similares que viven en aguas someras o en la superficie terrestre. Por ejemplo, algunos pulpos, el centollo japonés, el arenque rey, o algunas especies de caracoles y bivalvos.

¿Por qué las especies más grandes viven en los océanos? 

En primer lugar, en el medio acuático nuestro peso es despreciable. La gravedad obliga a los animales que viven en la superficie de la tierra a soportar con sus patas su propio peso. Así, cuanto más grande sea un animal, más fuerte y pesado tendrá que ser su esqueleto. Por ello, en la práctica existen límites físicos al tamaño que un organismo puede alcanzar en tierra. En el mar, nuestro peso se contrarresta por el peso equivalente a nuestro volumen en agua, así que podemos decir que no es un problema porque  flotamos. El tamaño de los animales marinos ya no es un limitante para el movimiento (aunque sí lo es su forma).

En segundo lugar, el océano ofrece un recurso alimenticio tremendamente abundante que no puede encontrarse en el medio terrestre. Suspendidas en el agua de los océanos podemos encontrar enormes cantidades de nutrientes (y organismos) que pueden alimentar a numerosas especies, que viven “simplemente” de lo que se encuentran flotando. Existen miles de especialistas en filtrar el agua del océano: desde gigantes como las ballenas, hasta otros más pequeños, como las esponjas, los corales o los mejillones. Una ballena azul es capaz de meterse varios miles de litros de agua de un solo “bocado”, y junto a ellos varios kilos de alimento. También se ha sugerido que el gigantismo de algunos animales marinos sea una adaptación a la pérdida de calor.

¿Y qué pasa con las bacterias? ¿Cuál es la bacteria más grande que se conoce? 

El tamaño medio de una bacteria, como Escherichia coli por ejemplo, es de unas pocas micras (un micra es un millón de veces más pequeño que un metro, un milímetro equivale a 1.000 micras). Como el poder de resolución del ojo humano es de unos 0,2 mm (200 micras), dos puntos que estén más cerca de esa distancia no vamos a poder verlos como separados. Por eso, necesitamos microscopios para poder ver las bacterias.

Bacillus spp. al microscopio óptico (1.000 aumentos). El tamaño medio de estas bacterias es de unas pocas micras. Tinción negativa con tinta china.

Pero en biología no hay dogmas, excepto el dogma de que siempre hay excepciones al dogma, y la biodiversidad microbiana es algo que no deja de sorprendernos. En 1993 se describió la que entonces fue la bacteria más grande jamás encontrada: Epulopiscium fishelsoni, con un tamaño de 80 x 600 micras, un gigante para el mundo microbiano, mil veces más grande que un E. coli. Se trata de un simbionte que aparece en el intestino de un pez (Acanthurus nigrofuscus) del mar Rojo y de la Gran Barrera de Coral de Australia. Por el tamaño, primero se pensó que era un protista, pero los análisis del 16S rRNA demostraron que se trataba de una bacteria Gram positiva, relacionada con los Clostridium formadoras de endosporas.

Compara el tamaño de Epulopiscium, un protista como Paramecium y la bacteria E. coli: ¡qué pasada!

Sin embargo, el honor de ser “la más grande” solo le duró a Epulopiscium tres años. En 1999 se descubrió una bacteria marina filamentosa capaz de oxidar el azufre, del grupo de las gamma-proteobacterias, con un tamaño de unas 750 micras: Thiomargarita namibiensis. Es una bacteria quimiolitotrófa capaz de oxidar el azufre y el nitrato, por eso los autores le pusieron ese nombre que significa “perlas de azufre de Namibia”. Forma cadenas de células y acumula en su interior altas concentraciones de nitrato en una inmensa vacuola, la cual es responsable del 98% de su tamaño. De momento, es la bacteria más grande que se conoce. Es tan grande que podemos verla a simple vista, sin necesidad de microscopios. 

Thiomargarita namibiensis, la perla del azufre de Namibia, la bacteria más grande que existe, … de momento (750 micras).

Ser pequeño tiene sus ventaja. Cuanto más pequeña es una célula la relación superficie/volumen es mayor por lo que la difusión y el intercambio con el medio exterior es más eficiente, lo que permite un metabolismo más rápido y una mayor velocidad de crecimiento. Si el tamaño crece, acabarás necesitando más estructuras, más orgánulos, compartimentalizando las funciones. No sabemos bien cómo estas bacterias han sido capaces de  aumentar tanto su tamaño manteniendo la estructura procariota. Y de nuevo, las encontramos en los océanos.

Otra curiosidad: ¿y la bacteria más pequeña? En 2013 el grupo del microbiólogo Rodríguez-Valera, descubrieron un grupo de actinobacterias en el Mediterráneo con dos nuevas características que sorprendieron a la comunidad científica. Por un lado, la peculiaridad de su genoma con una cantidad muy baja (33%) de dos de sus componente esenciales, la guanina y la citosina. Y la otra propiedad es que son las bacterias de tamaño más pequeño hasta ahora descritas. Aunque estas bacterias no se pueden cultivar en el laboratorio, han demostrado que estas nuevas actinobacterias (que las denominan Candidatus Pelagibacter ubique) son de forma esférica y de un tamaño muy pequeñito, con un volumen estimado de 0,013 micras cúbicas. Son tan pequeñitas que, como los virus, no las podemos ver ni siquiera al microscopio óptico.

Para saber más:

– The largest bacterium. Angert, E. R. y col. 1993. Nature. 1993. 362 (6417): 239-241.

– Dense populations of a giant sulfur bacterium in Namibian shelf sediments. Schulz, H. N. y col. Science. 1999. 284 (5413): 493-495.

– Big bacteria. H. N. y col. Annual Review of Microbiology. 2001. 55: 105-137.DOI: 10.1146/annurev.micro.55.1.105 

– Metagenomics uncovers a new group of low GC and ultra-small marine Actinobacteria. Ghai R, y col. Scientific Reports. 2013. 3: 2471.

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)