Resulta difícil imaginar que un organismo (humano o de cualquier otro ser vivo) pueda reaccionar en forma preventiva a una escala de tiempo muy superior a la duración de su propia vida, para prepararse, desde un punto de vista fisiológico, por ejemplo, para las temperaturas que se espera que imperen dentro de unos siglos. Sin embargo, en cierto sentido, esto es lo que hacen algunos linajes de cianobacterias de la especie Synechococcus elongatus utilizados en laboratorio. Se trata de unos seres unicelulares que viven de la luz y realizan fotosíntesis, y cuyo ciclo de vida dura aproximadamente un día, según lo reveló la bióloga brasileña Maria Luisa Jabbur, investigadora del Centro John Innes, en el Reino Unido, en un artículo publicado en septiembre en la revista Science. Cuando estas bacterias reciben un “aviso” de la llegada del invierno, inmediatamente se preparan, aunque la llegada del frío solamente se produzca varias generaciones después.
Jabbur viene estudiando el reloj biológico de estas cianobacterias desde su pasantía durante la carrera de grado, como parte del antiguo programa brasileño Ciencia sin Fronteras, en la Universidad Vanderbilt (EE. UU.). “Las cianobacterias constituyen un excelente modelo para estudiar los ritmos circadianos, y durante mucho tiempo la investigación con ellas se centró en cuestiones de mecanismos y evolutivas, que son mucho más fáciles de estudiar en ellas que en modelos eucariotas”, dice. “Creo que la cuestión de la fotoperiodicidad se dejó de lado”. Cuando se percató de este vacío en los estudios sobre el reloj interno de las cianobacterias durante un período más prolongado, en su doctorado, nuevamente en Vanderbilt, le propuso un experimento a su director de tesis, el biólogo estadounidense Carl Johnson, quien en la década de 1990 participó en la identificación de tres genes (kaiA, kaiB y kaiC) implicados en el reloj circadiano de estos organismos, junto a los biólogos japoneses Takao Kondo y Masahiro Ishiura, de la Universidad de Nagoya, y a la bióloga molecular estadounidense Susan Golden, de la Universidad de California en San Diego.
La propuesta parecía absurda, pero el investigador no se opuso a la creatividad de su alumna, para ser coherente con la sentencia que atesoraba en un pequeño papel pegado en la puerta de su despacho: “El progreso es obra de los jóvenes científicos que experimentan con lo que los viejos científicos dicen que no funcionaría”.
“Se necesitaban pocos reactivos, lo único que perdería era mi propio tiempo, que calculé que serían una o dos semanas, entonces valía la pena”, recuerda Jabbur. Funcionó al primer intento y solo tardó una semana en regresar con la respuesta en dos placas de Petri, según un reportaje publicado en octubre en Quanta, una revista estadounidense de periodismo científico. Ambas mostraban puntos verdes que eran las colonias bacterianas y habían sido sumergidas en agua helada para simular la llegada del invierno, pero una de ellas se había mantenido bajo condiciones de días característicos del verano, con más horas de luz que de oscuridad, antes de ser expuesta al frío. La otra contenía descendientes de un linaje bacteriano que había recibido el “aviso” de la llegada del invierno mediante un cambio en las condiciones de luz que implicaba más horas en la oscuridad. Esta segunda placa contenía una mayor abundancia de puntos verdes, señal indiscutible de supervivencia y reproducción, creando colonias más prósperas. Parecía un contrasentido, al fin y al cabo, estos organismos obtienen su alimento a partir de la luz.
El resultado hizo que mereciera la pena rehacer el experimento para efectuar una observación más detallada, con tres grupos de cianobacterias expuestas durante ocho días a distintos tratamientos, reflejando las estaciones bien diferenciadas, típicas de las zonas templadas: ocho horas de luz y 16 de oscuridad diarias, simulando el invierno; la misma cantidad de horas de luz y oscuridad, características de una estación intermedia, e iluminadas durante 16 horas, como si fuera verano, siempre a 30 grados Celsius (ºC), la temperatura preferida por estas bacterias. Bajo esas condiciones, las generaciones de microorganismos se sucedían hasta que la investigadora recogía muestras que sumergía en el hielo dentro de pequeños tubos de plástico. “Cada tanto extraía algunas gotas del medio de cultivo con bacterias en el hielo y las ponía en placas nuevas para evaluar cuántas células habían sobrevivido”, recuerda Jabbur. Al cabo de unos cinco días, las bacterias se habían reproducido en cantidad suficiente como para posibilitar el recuento de los puntos verdes: eran tres veces más abundantes en las que habían sido expuestas a la iluminación de invierno, lo que indicaba que las generaciones anteriores se habían adaptado a las condiciones frías, aunque no habían estado expuestas directamente a éstas. El proyecto, que era una mera curiosidad secundaria, acabó convirtiéndose en el eje principal de su doctorado y le valió ganarse un nombre en este campo. “Es un resultado que la gente asocia conmigo”.
Carl Johnson / Universidad Vanderbilt La nota en la puerta del despacho de Carl Johnson que dio vía libre a la estudiante para llevar a cabo un experimento inusitadoCarl Johnson / Universidad Vanderbilt
Un reloj modelo
Según la física Gisele Oda, coordinadora del Laboratorio de Cronobiología del Instituto de Biociencias de la Universidad de São Paulo (IB-USP), las cianobacterias cumplieron un papel central en la evolución del conocimiento de la cronobiología, al haber derribado, desde los años 1980 en adelante, la noción arraigada de que el reloj biológico solo estaría presente en organismos con núcleos celulares organizados, ausentes en este tipo de microorganismos. “A partir de ellas, se demostró que todos los seres vivos, incluso los unicelulares, con y sin núcleo en sus células, poseen ritmos circadianos”, dice la investigadora, quien no participó en el estudio, pero conoció a Jabbur en su época de estudiante en el IB-USP.
Oda estudia cómo distinguen los días largos de los días cortos unos roedores subterráneos conocidos como tucutucos [Ctenomys spp.], a pesar de que pasan la mayor parte del tiempo sin ver la luz (lea en Pesquisa FAPESP edición nº 261). “El caso de las cianobacterias fue aún más sorprendente porque muestran estacionalidad y, por si fuera poco, consiguen determinar que el día es más largo en verano que en invierno, siendo que cada ejemplar no llega a vivir un día completo”, compara. “Pensábamos que había que vivir 24 horas, como mínimo, para poder discernir que el día es más largo que la noche en verano”.
El biólogo Carlos Hotta, del Instituto de Química (IQ) de la USP, coordina un grupo especializado en el estudio de los ritmos circadianos de las plantas y también declaró estar sorprendido por el hecho de que las bacterias posean un mecanismo para percibir un lapso de tiempo tan amplio. Hotta no participó en el estudio y define al reloj biológico de las cianobacterias como un mecanismo completamente distinto al de otros organismos, con un oscilador central que define el ritmo basándose únicamente en las proteínas y sus interacciones, así como formas de detectar el ambiente y llevar información al organismo.
Jabbur explica que esta especie tiene unos 2.700 genes, entre los que se encuentran los tres identificados por Johnson y sus colaboradores. Cada día, kaiC experimenta un proceso químico de ganancia y pérdida de moléculas de fósforo, como resultado de las interacciones entre kaiA y kaiB. Este ciclo de fosforilación y desfosforilación está sincronizado con el día y la noche y tiene lugar mediante reacciones químicas cíclicas que solo dependen de las proteínas, sin necesidad de una activación continua de los genes y de la transcripción genética.
Luísa Jabbur / John InnesLas cianobacterias cultivadas en placas de Petri fueron expuestas a diferentes condiciones de luminosidad para simular las estaciones del añoLuísa Jabbur / John Innes
Desde el punto de vista del laboratorio, este sistema químico basado en proteínas significa que los experimentos pueden realizarse de forma simplificada dentro de tubos de ensayo, sin la presencia de las células propiamente dichas. “Ello hace de este un sistema especialmente bueno para el estudio cronobiológico y nos permite, por ejemplo, dejar el reloj en pausa durante una parte del ciclo”, dice la investigadora, quien al concluir su doctorado se instaló en el laboratorio del biólogo británico Antony Dodd, en el Reino Unido, que investiga cómo afecta la regulación circadiana a la adaptación de las plantas y los microorganismos a las fluctuaciones ambientales.
Y pudo comprobar que, cuando son expuestas a días cortos, las cianobacterias cambian la composición de su membrana, con pliegues en los fosfolípidos que la hacen menos rígida, un proceso conocido como desaturación. “Lo hacen de manera anticipada”. Con una membrana más permeable, aumenta el intercambio de moléculas entre las células y el medio, lo que contribuye a su supervivencia en invierno.
“Para las plantas, la capacidad de anticiparse a las estaciones es fundamental e implica definir cuándo producir flores o perder las hojas”, compara Hotta. La que carezca de la capacidad de conocer la hora del día y la estación del año se encontrará en desventaja evolutiva. Pero, para entender cómo un organismo se encuentra preparado para hacer frente a algo que excede con creces su tiempo de vida, es necesario migrar el punto de vista evolutivo hacia un enfoque en el que la selección natural actúe sobre el linaje, y no sobre la bacteria individual, según se afirma en el artículo de la revista Science.
Este estudio consolida la noción de la fotoperiodicidad como un fenómeno muy antiguo y apunta un modelo para estudiar sus mecanismos y su evolución. A propósito, las cianobacterias entienden de antigüedad evolutiva: este tipo de organismos existen desde hace unos 3.500 millones de años y han contribuido a crear la posibilidad de vida en la Tierra al producir grandes volúmenes de oxígeno a través de la fotosíntesis.
“Pretendemos utilizar a las cianobacterias como modelo para entender cómo pueden evolucionar las respuestas fotoperiódicas frente al cambio climático: básicamente, someterlas a un escenario como el que se prevé que imperaría en 2100 y observar cómo evolucionan al cabo de unos años expuestas a estas condiciones”, propone Jabbur. Las soluciones que ellas implementen, por ejemplo, podrían orientar el cultivo de plantas alimenticias en forma más productiva.
Este artículo salió publicado con el título “Un reloj biológico sorprendente” en la edición impresa n° 348 de febrero de 2025.
Artículo científico
JABBUR, M. L.et al. Bacteria can anticipate the seasons: Photoperiodism in cyanobacteria. Science. v. 385, n. 6713, p. 1105-11. 5 sep. 2024.
