Una vista a la biosfera rara: Arqueas productoras de metano de tapetes microbianos laminados hipersalinos

Alejandro López Cortés

En el fondo de los estanques de concentración del agua de mar, de la empresa Exportadora de Sal, S.A. de C.V., (ESSA) en Guerrero Negro B.C.S., se desarrollan sistemas autosustentables, en una escala de milimetros a centimetros, con una intrincada y compleja interacción de poblaciones de microorganismos con diversos metabólismos, asociados a minerales sumergidos en grandes moléculas (polímeros), que hacen a tales entidades un ecosistema completo. A simple vista, muestran patrones de laminación colorida resultado de variaciones químicas (oxígeno) y físicas (intensidad de luz) verticales, donde cada coloración la constituyen grupos biológicos con diferentes funciones ecológicas, denominados tapetes microbianos

Dichos ecosistemas estan constituidos por microorganismos que emplean la luz como fuente de energía, fototrófos, representados por cianobacterias y bacterias fototrófas, con función ecológica de productores primarios, a través de la fijación de dióxido de carbono (CO₂), para la síntesis de materia orgánica. Además de una gran diversidad de microorganismos del tipo bacteria y arquea, involucradas en la degradación de la materia orgánica producida por los productores primarios, resultando en un sistema altamente eficiente en la transformación de la materia y la energía

La degradación completa de la materia orgánica en tapetes microbianos de ESSA se realiza por parte de arqueas productoras de metano principalmente a partir de moleculas metiladas (metilotrofía), como la trimetilamina (TMA), bien representada en animales marinos como los peces, dando un olor desagradable característico

Uno de los objetivos del proyecto de la convocatoria de Ciencia de Frontera 2019 intitulado “Investigaciones modernas de la biosfera rara en ambientes hipersalinos: Desentrañando la diversidad y el metabolismo poco explorado de las arqueas metanogénicas” fue la caracterización profunda de la comunidad microbiana, bacteria y arquea de tapetes hipersalinos a través de secuenciación de última generación de genes particulares útiles para detectar poblaciones muy diversas con bajas abundancias relativas de arqueas productoras de metano (metanógenas)

Para antes del desarrollo de este proyecto, se reconocía a la metanogénesis metilotrófica como única vía metabólica representada para el ambiente hipersalino de ESSA. Sin embargo, hemos encontrado ADN que sugiere existen otros tipos bioquímicos que resultan en la producción de metano: metanógenos hidrogenotróficos y metanógenos metilotróficos dependientes de hidrógeno, también llamados metil reductores, lo que amplía el espectro metabólico para la producción de metano

, representado por grupos de baja abundancia relativa, muy diversos y desconocidos, llamada “biosfera rara”. Estos microorganismos desempeñan un papel primordial para el funcionamiento y estabilidad de la comunidad como reservorios casi ilimitados de diversidad genética y funcional e impulsando los ciclos biogeoquímicos a escala global.

Además, de su relevancia ecológica, también son de gran importancia en biotecnología, por ser una fuente alterna de combustibles al uso del petróleo.

Nuestras perspectivas están dirigidas a ampliar el conocimiento de la diversidad microbiana que incluye la biosfera rara y el metabolismo desconocido de las arqueas metanógenas en ambientes con salinidades superiores al agua de mar (> a 3.5%), a través de enfoques metagenómicos. Nuestros resultados ampliará el conocimiento sobre las rutas metabólicas no exploradas involucradas en la

producción del metano con el propósito biotecnológico de contar con nuevos combustibles alternos al petróleo. Además, desde la perspectiva ecológica será posible entender la participación de las arqueas productores de metano en la degradación completa de la materia orgánica, producida por las cianobacterias fotosintéticas del tapete microbiano laminado, lo que resulta en un sistema altamente eficiente en términos de flujo de materia y energía.

Figura 1. A. Vista aérea de Exportadora de Sal, S.A. de C.V. Fuente:

Google Earth. La imagen muestra al fondo, en azul, el Océano Pacífico,

que penetra en la Laguna Ojo de Liebre. En verde oscuro, se indica el remate de la Laguna, mientras que los grandes estanques de concentración de ESSA, donde se encuentran los tapetes microbianos, se indican en color verde claro. Los estanques pequeños de la parte superior de la imagen, son los cristalizadores de sal. B. Vista panorámica del estanque somero de ESSA, Área 1. Se observa en el piso del estanque estructuras poligonales correspondientes a los tapetes microbianos. Fuente: Alejandro López Cortés. C. Sección transversal de un tapete microbiano laminado. Se aprecian las capas verde, marrón, roja y negra en el primer centímetro del tapete, de arriba hacia abajo. Fuente: Alejandro López

Cortés.

Figura 2. Ciclos biogeoquímicos en tapetes microbianos laminados de ESSA.

Figura 3. Diagrama esquemático de la secuencia de degradación de la materia orgánica en tapetes microbianos. A) Procesos bioquímicos desempeñados por la compleja comunidad microbiana de los tapetes durante la degradación de la materia orgánica. B) Grupos tróficos: a) bacterias fermentativas; b) bacterias acetogénicas; c) bacterias homoacetogénicas; d) arqueas metanogénicas. CO₂: dióxido de carbono. CH₄: metano. C) Fuentes naturales de trimetilamina cuya degradación permite la formación de metano en este entorno.

Figura 4. Esquema de la metodología empleada en estudios metagenómicos,

para la caracterización de la composición y estructura microbiana, anotación de genes funcionales y filogenia de comunidades microbianas de tapetes laminados. ADN= Ácido desoxirribonucleico; PCR = Reacción en Cadena de la Polimerasa.

Figura 5. Tres tipos metabólicos de producción de metano basados en el uso de sustratos orgánicos (compuestos metilados) e inorgánicos (H₂+CO₂), por arqueas metanogénicas.