La bacteria más grande del mundo desafía a la microbiología

La definición de bacteria por la RAE como "microorganismo unicelular sin núcleo diferenciado" está en entredicho. La especie Thiomargarita magnifica alcanza fácilmente el centímetro de longitud y se puede ver a simple vista, incluso es más grande que algunas moscas. Si por microorganismo o microbio se entienden aquellos que hay que ver al microscopio, esta ya no lo sería.

Los primeros ejemplares los encontró en 2009 el investigador francés Olivier Gros del Institut de Systématique, Évolution, Biodiversité, cuando en los manglares de la isla de Guadalupe, en el sur del Caribe, descubrió unos finos y extraños filamentos blancos adheridos a hojas de mangle en descomposición bajo el agua. Al principio no se sabía lo que eran. 

Vista de los manglares de la isla francesa de Guadalupe donde se tomaron las muestras de la bacteria más grande del mundo. / Hugo Bret

Cinco años más tarde, en 2015, otro miembro del equipo, la científica mexicana Silvina González Rizzo, realizó los análisis moleculares que permitieron identificar a este organismo como una bacteria del azufre, y también propuso su nombre científico, según explica a SINC: "Se incluyó en el género Thiomargarita por su similitud filogenetica con Thiomargarita namibiensis, la bacteria más grande hasta aquel momento, con 750 micras (no llega al milímetro), localizada en Namibia; y el nombre de 'magnifica' se debe a su tamaño (magnus en latín es grande), aunque también pensé que quedaba bien por el significado que tiene esta palabra en español".

Después, Jean Marie Volland, uno de los estudiantes de doctorado que se había formado con Olivier Gros en Guadalupe, obtuvo una plaza de investigador en los laboratorios LRC y JGI (Berkeley Lab) en California. El instrumental de estas instituciones en EE UU permitieron secuenciar el genoma de T. magnifica, así como describir su estructura tridimensional. Aunque se publicó un preprint en febrero, los resultados del trabajo del equipo franco-estadounidense se han presentado esta semana en la revista Science.

Los autores confirman que esta colosal bacteria se puede ver a simple vista y que es unas 50 veces más grande que otras gigantes conocidas, lo que hace replantear el tamaño máximo que pueden alcanzar estos microorganismos. Pero, además, la compleja estructura que han encontrado en su interior, con una distribución inédita del ADN, desafía aún más los conceptos tradicionales de las células bacterianas.

Volland incide en estos dos aspectos: "Esta bacteria es muy, muy grande, miles de veces más que otras de tamaño normal. Por hacer una comparación, descubrirla es como encontrarse con un ser humano que fuera tan alto como el monte Everest. Y lo segundo, que creo que es aún más emocionante, es que tienen unas estructuras que compartimentan el ADN, algo único que no se ha observado antes en las bacterias".

ADN en 'pepitas' o pepins

Lo habitual en una célula bacteriana es que su ADN flote libremente en el citoplasma, pero en T. magnifica está en compartimentos llamados pepins unidos a la membrana, una innovación característica de células más complejas. Estos orgánulos, que también incorporan ribosomas, son metabólicamente activos, según los análisis de los autores, y la actividad se produce en toda la longitud de la célula bacteriana, en lugar de solo en su extremo de crecimiento.

"Sabemos que los pepins almacenan el código genético de la célula. El ADN se lee y se traduce en proteínas en su interior, y parece que también participan en la producción de energía para la célula, pero estamos lejos de comprender todo el alcance de sus funciones bioquímicas", comenta Volland a SINC, "y tampoco sabemos cómo se forman y si desempeñan o no un papel en el tamaño gigante de la célula".

Modelo propuesto para la organización subcelular de T. magnifica, con sus pepins o 'pepitas' cerca de la membrana. Estos orgánulos contienen ADN y ribosomas para realizar la síntesis de proteínas. / J. M. Volland et al./Science

"El nombre de pepins viene del francés, donde significa 'semillas o pepitas', como las de la sandía, el kiwi y otras frutas", aclara González Rizzo, que coincide con su colega: "Por ahora no sabemos mucho sobre ellos, ya que es la primera vez que se han observado e identificado en organismos procariontes como las bacterias. Probablemente se van a necesitar cultivos estables de T. magnifica para estudiar en detalle la formación, bioquímica y funciones de los pepins". 

Todavía no se ha cultivado

De hecho, el estatus actual de la bacteria más grande del mundo es de Candidatus (Ca.) Thiomargarita magnifica. El primer término se utiliza cuando una especie o género está bien caracterizado, pero aún no se ha logrado cultivar.

Por su parte, Volland añade otros retos que quedan por delante: "Ahora tenemos muchas más preguntas que al principio del proyecto. Desconocemos cómo se mantiene la estructura celular general de esta bacteria. Sabemos que se alimenta de azufre y que es quimiosintética, lo que significa que es capaz de utilizar el dióxido de carbono para producir biomoléculas complejas, pero no conocemos su función ecológica, y tampoco dónde se pueden encontrar más o lo abundante que es en la naturaleza".

¿Qué ventaja tiene ser gigante?

Otra de las cuestiones clave es explicar por qué las células de Thiomargarita magnifica son tan grandes. "Ha evolucionado hacia el gigantismo, lo que significa que ser gigante le ha dado una ventaja selectiva, pero no sabemos cuál y todavía no tenemos datos para responder a esta pregunta", reconoce el investigador.

"Sin embargo –apunta– existen algunas hipótesis en la comunidad científica para explicar por qué otras bacterias grandes se han hecho tan grandes. Una es que convertirse en un gigante puede ser una forma de escapar del depredador y, de hecho, si te haces cientos de veces más grande que él, ya no tienes que preocuparte de que te coma. Otra hipótesis es que convertirse en una larga célula filamentosa puede ser ventajoso para aprovechar mejor la energía química que está disponible en el entorno de las grandes bacterias del azufre".

Filamento individual de Thiomargarita magnifica. / Jean-Marie Volland

En cualquier caso, los autores sospechan que la compleja organización de su membrana probablemente es la que ha permitido a esta bacteria adquirir su tamaño récord, sorteando las limitaciones biofísicas y bioenergéticas típicas asociadas a este tipo de microorganismos.

En un artículo paralelo que también se publica en Science, la microbióloga Petra Anne Levin de la Universidad Washington en San Luis (EE UU) valora el trabajo de sus colegas: "Este descubrimiento se suma al grupo de grandes bacterias del azufre y ayuda a resolver el rompecabezas sobre qué factores limitan el tamaño de las células".

Bacterias todavía más grandes

Levin considera poco probable que T. magnifica represente el límite superior de tamaño celular bacteriano y que, como demuestra este trabajo, "las bacterias son infinitamente adaptables, siempre sorprendentes, y nunca se deben subestimar". Podría ser solo cuestión de tiempo que aparezca otra aún mayor.

El catedrático Ignacio López-Goñi de la Universidad de Navarra, miembro de la Sociedad Española de Microbiología (SEM), también destaca otros aspectos de este estudio: "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, el mayor número para una sola célula jamás descrito".

Triple de genes que un procariota 'normal'

"Y cuando se secuencia una de las copias –prosigue–, se observa que esta bacteria contiene 11.788 genes, el triple de lo que normalmente lleva un procariota [grupo de las bacterias y arqueas, organismos sin núcleo], un genoma tan grande como el de la levadura de panadería S. cerevisiae [un eucariota, con núcleo definido]".

Comparación del tamaño de sistemas modelo de bacterias (verde) y eucariotas (azul) en una escala logarítmica. / J. M. Volland et al./Science

"Además posee un ciclo de desarrollo dimórfico (dos tipos morfológicos diferentes) 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 –subraya López-Goñi–, incluidas las constricciones parciales hacia el polo apical. Solo los pocos brotes más apicales están separados del filamento por una constricción y constituyen auténticas células hijas".

Se cuestionan principios fundamentales de la biología

La coautora González Rizzo considera que el descubrimiento de Thiomargarita magnifica "nos hace replantear y cuestionar ciertos principios fundamentales de la biología y la evolución de los seres vivos. En particular, sobre el mundo procariota y las nuevas versiones aparentemente posibles de este tipo de seres vivos".

"Debido a su gran tamaño celular, que puede alcanzar hasta 2 cm de longitud, pero sobre todo, a la presencia de esos 'organelos' unidos a la membrana en donde se encuentra el material genético, como en el caso de las células eucariotas, puede ser considerada como la primera y única bacteria que tiene hasta la fecha esta capacidad, desafiando así nuestro concepto de célula bacteriana", añade.

La investigadora mexicana concluye con una reflexión: "El descubrimiento de esta bacteria sugiere que otras gigantes y complejas también pueden estar 'escondidas' a plena vista, haciendo que lo invisible se haga visible".

Algunos de los autores del estudio superpuestos sobre el fondo del manglar de Guadalupe. De izquierda a derecha: Tanja Woyke, Jean-Marie Volland, Olivier Gros, Silvina González-Rizzo y Shailesh Date. / Imagen de fondo de Hugo Bret, y composición de Susan Brand (Berkeley Lab)