Científicos descubren una nueva forma de compartir información genética en un microbio común del océano

Desde los trópicos hasta los polos, desde la superficie del mar hasta cientos de metros bajo tierra, los océanos del mundo están repletos de uno de los organismos más diminutos: un tipo de bacteria llamada Prochlorococcus, que a pesar de su diminuto tamaño es colectivamente responsable de una porción considerable de producción de oxígeno de los océanos. Pero la notable capacidad de estos diminutos organismos para diversificarse y adaptarse a entornos tan profundamente diferentes sigue siendo un misterio.

Ahora, una nueva investigación revela que estas diminutas bacterias intercambian información genética entre sí, incluso cuando están muy separadas, mediante un mecanismo previamente no documentado. Esto les permite transmitir bloques enteros de genes, como los que les confieren la capacidad de metabolizar un tipo particular de nutriente o de defenderse de los virus, incluso en regiones donde su población en el agua es relativamente escasa.

Los hallazgos describen una nueva clase de agentes genéticos involucrados en la transferencia horizontal de genes, en la que la información genética se transmite directamente entre organismos, ya sean de la misma especie o de especies diferentes, a través de medios distintos a la descendencia lineal. Los investigadores han denominado a los agentes que llevan a cabo esta transferencia «tycheposons», que son secuencias de ADN que pueden incluir varios genes completos, así como secuencias circundantes, y pueden separarse espontáneamente del ADN circundante. Luego, pueden ser transportados a otros organismos por uno u otro posible sistema de transporte, incluidas pequeñas burbujas conocidas como vesículas que las células pueden producir a partir de sus propias membranas.

La investigación, que incluyó el estudio de cientos de genomas de Prochlorococcus de diferentes ecosistemas de todo el mundo, así como muestras de diferentes variantes cultivadas en laboratorio, e incluso procesos evolutivos llevados a cabo y observados en el laboratorio, se informa hoy en la revista. Celdaen un artículo de los ex postdoctorados del MIT Thomas Hackl y Raphaël Laurenceau, visitando al postdoctorado Markus Ankenbrand, la profesora del Instituto Sallie «Penny» Chisholm y otras 16 personas en el MIT y otras instituciones.

Chisholm, quien desempeñó un papel en el descubrimiento de estos organismos ubicuos en 1988, dice sobre los nuevos hallazgos: «Estamos muy entusiasmados porque es un nuevo agente de transferencia horizontal de genes para las bacterias y explica muchos de los patrones». que vemos en Prochlorococcus en la naturaleza, la increíble diversidad». Ahora que se cree que es el organismo fotosintético más abundante del mundo, las diminutas variantes de lo que se conoce como cianobacterias también son los más pequeños de todos los fotosintetizadores.

Hackl, que ahora trabaja en la Universidad de Groningen en los Países Bajos, dice que el trabajo comenzó estudiando las 623 secuencias genómicas reportadas de diferentes especies de Prochlorococcus de diferentes regiones, tratando de descubrir cómo podían perder o ganar funciones particulares con tanta facilidad. a pesar de su aparente falta de cualquiera de los sistemas conocidos que promueven/impulsan la transferencia horizontal de genes, como plásmidos o virus conocidos como profagos.

Lo que Hackl, Laurenceau y Ankenbrand investigaron fueron «islas» de material genético que parecían ser puntos críticos de variabilidad y que a menudo contenían genes asociados con procesos de supervivencia clave conocidos, como la capacidad de asimilar nutrientes esenciales y, a menudo, limitantes, como el hierro, o nitrógeno o fosfatos. Estas islas contenían genes que variaban enormemente entre diferentes especies, pero siempre ocurrían en las mismas partes del genoma y, a veces, eran casi idénticos incluso en especies muy diferentes, un fuerte indicador de transferencia horizontal.

Pero los genomas no mostraron ninguna de las características habituales asociadas con lo que se conoce como elementos genéticos móviles, por lo que inicialmente esto siguió siendo un rompecabezas. Gradualmente se hizo evidente que este sistema de transferencia y diversificación de genes era diferente de cualquiera de los otros mecanismos que se han observado en otros organismos, incluidos los humanos.

Nuevos elementos integradores y plasticidad genómica en ecosistemas oceánicos. Crédito: Celda (2023). DOI: 10.1016/j.cell.2022.12.006

Hackl describe lo que encontraron como algo así como un juego de LEGO genético, con trozos de ADN agrupados de manera que casi instantáneamente podrían conferir la capacidad de adaptarse a un entorno particular. Por ejemplo, una especie limitada por la disponibilidad de determinados nutrientes podría adquirir los genes necesarios para mejorar la absorción de ese nutriente.

Los microbios parecen usar una variedad de mecanismos para transportar estos tycheposons (un nombre derivado del nombre de la diosa griega Tyche, hija de Oceanus). Uno es el uso de vesículas de membrana, pequeñas burbujas que se desprenden de la superficie de una célula bacteriana y se liberan con tycheposons en su interior. Otra es «secuestrar» infecciones de virus o fagos y permitirles transportar los tycheposons junto con sus propias partículas infecciosas, llamadas cápsides. Estas son soluciones eficientes, dice Hackl, «porque en el océano abierto, estas células rara vez tienen contactos de célula a célula, por lo que les resulta difícil intercambiar información genética sin un vehículo».

Y, efectivamente, cuando se estudiaron las cápsidas o vesículas recolectadas en el océano abierto, «en realidad están bastante enriquecidas» en estos elementos genéticos, dice Hackl. Los paquetes de codificación genética útil «en realidad nadan en estas partículas extracelulares y potencialmente pueden ser absorbidos por otras células».

Chisholm dice que «en el mundo de la genómica, hay muchos tipos diferentes de estos elementos», secuencias de ADN que pueden transferirse de un genoma a otro. Sin embargo, «este es un nuevo tipo», dice ella. Hackl agrega que «es una familia distinta de elementos genéticos móviles. Tiene similitudes con otros, pero no tiene conexiones muy estrechas con ninguno de ellos».

Si bien este estudio fue específico para Prochlorococcus, Hackl dice que el equipo cree que el fenómeno puede ser más generalizado. Ya han encontrado elementos genéticos similares en otras bacterias marinas no relacionadas, pero aún no han analizado estas muestras en detalle. «Se han descrito elementos análogos en otras bacterias, y ahora pensamos que pueden funcionar de manera similar», dice.

«Es una especie de mecanismo plug-and-play, donde puedes tener piezas con las que puedes jugar y hacer todas estas combinaciones diferentes», dice. «Y con el enorme tamaño de la población de Prochlorococcus, puede jugar mucho y probar muchas combinaciones diferentes».

Nathan Ahlgren, profesor asistente de biología en la Universidad de Clark que no estuvo asociado con esta investigación, dice: «El descubrimiento de los tycheposons es importante y emocionante porque proporciona una nueva comprensión mecánica de cómo Prochlorococcus puede intercambiar nuevos genes, y, por lo tanto, características ecológicamente importantes. Tycheposons proporciona una nueva explicación mecánica de cómo se hace». Él dice: «Tomaron una forma creativa de pescar y caracterizar estos nuevos elementos genéticos ‘ocultos’ en los genomas de Prochlorococcus».

Agrega que las islas genómicas, las partes del genoma donde se encontraron estos tycheposons, «se encuentran en muchas bacterias, no solo en bacterias marinas, por lo que el trabajo futuro sobre tycheposons tiene implicaciones más amplias para nuestra comprensión de la evolución de los genomas bacterianos».

El equipo incluyó investigadores del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT, la Universidad de Würzburg en Alemania, la Universidad de Hawái en Manoa, la Universidad Estatal de Ohio, Oxford Nanopore Technologies en California, el Laboratorio Bigelow de Ciencias Oceánicas en Maine y Wellesley College.