Extremófilos: las fronteras de la supervivencia

1) Introducción.

Los extremófilos son microorganismos que viven en condiciones extremas. La propia palabra extremófilo, procede el griego y significa "amante de lo extremo".

Estos organismos habitan en ambientes tan hostiles que hace tan sólo unos años se ha desarrollado el interés por su estudio. Anteriormente se creía que la vida en estas condiciones era prácticamente imposible. Es como si una vez iniciada la vida, ésta sea capaz de adaptarse a casi cualquier nicho húmedo.

En la astrobiología, el estudio de los extremófilos tienen gran importancia, pues los científicos han descubierto que algunos de estos organismos reunen las condiciones necesarias como para poder sobrevivir en determinados ambientes extraterrestres.

2) Las fronteras de la supervivencia.

El funcionamiento de la biología celular se ve afectado por tres parámetros: la temperatura, la acidez y la salinidad. Los diferentes organismos sobreviven bajo distintos rangos de estas condiciones

a) La temperatura.

Sabemos que la vida precisa de agua líquida. Por ello, los límites de la supervivencia están determinados por la congelación del agua y por la transformación de ésta en vapor. Pero hay otros factores, a parte de la temperatura, que alteran el punto de congelación y el punto de ebullición del agua. Por ejemplo, las bolsas de agua salada inmersas en hielo sólido, pueden mantenerse líquidas hasta los -20ºC. Y el agua en las zonas más profundas del océano sólo empiezan a hervir a 400ºC.

Aunque la supervivencia a bajas temperaturas no suele plantear problemas, existen ciertos factores que delimitan el desarrollo y la actividad de las células. El mayor problema que hay que salvar a bajas temperaturas es que las proteínas de las células, sobre todo las enzimas, se tornan muy rígidas. Para superar este contratiempo, estas células adaptadas a estos ambientes han desarrollado enzimas con enlaces mucho más endebles, lo que permite mantener el metabolismo de la célula a  muy bajas temperaturas. El incoveniente, es que esta adaptación les ha provocado que a tan sólo 20ºC, estas bacteria empiecen a cocerse.

En cambio, los organismos amantes del calor, se enfrentan al problema contrario. Sus enzimas han evolucionado hasta desarrollar enlaces adicionales para no deshacerse en pedazos con las altas temperaturas.

b) La acidez.

La acidez se evalúa con la escala pH, que mide la concentración de protones en una disolución. La escala de pH típicamente va de 0 a 14 en disolución acuosa, siendo ácidas las disoluciones con pH menores a 7 (el valor del exponente de la concentración es mayor, porque hay más iones en la disolución) y alcalinas las que tienen pH mayores a 7. El pH = 7 indica la neutralidad de la disolución (cuando el disolvente es agua).

Las concentraciones de protones son un mecanismo fundamental que emplean las células para transformar energía.

Si el pH es muy bajo, los enlaces de las proteínas se pueden ver alterados. Para protegerse, las bacterias adaptadas a estos entornos insertan más aminoácidos en sus proteínas para mantener su estructura. Pero si el ambiente es muy básico, los organismos se enfrentan a condiciones muy bajas de iones de hidrógeno, por lo que han aprendido a apropiarse de ellos para su supervivencia.

c) La salinidad.

En el agua pura sobreviven una gran cantidad de organismos. Pero en un entorno salino, las células se encuentran con la dificultad de que en el ambiente en el que se encuentran, la diferencia de concentración del agua entre el interior y el exterior de la célula es muy diferente. 

Se llama ósmosis al proceso por el que el agua tiende a migrar a las regiones con mayor concentración de solutos, es decir, de la más diluida a la menos diluida. Por ello, las células que viven en ambientes salinos corren el riesgo de que todo el agua de  su interior se desplace al exterior. Para evitarlo, bombean el sodio, lo que previene que tengan una alta salinidad en su estructura, lo que provocaría una desnaturalización de las proteínas.

 Clasificación de los extremófilos.

Hace algún tiempo, se pensaba que la vida sólo existía en un número muy limitado de ambientes y  con unas condiciones muy bien definidas. No obstante, este pensamiento ha sido descartado puesto que se ha encontrado vida en prácticamente todos los rincones explorados, incluso en aquellos que se consideraba que no reunían las condiciones necesarias para albergar rastros de vida. 

Así tenemos que estos ambientes considerados inhabitables por el hombre, son hogar de distintos microorganismos, capaces de habitar en estos nichos ecológicos y, no solo adaptarse fácilmente, sino también florecer y desarrollar su metabolismo básico sin problema alguno. Es más, muchos de estos microorganismos necesitan de estas condiciones para poder subsistir.

En primer lugar, debemos comenzar definiendo el término: “extremófilo”. Un extremófilo es un microorganismo que vive en condiciones extremas, entendiéndose por tales aquellas que son muy diferentes a las que viven la mayoría de las formas de vida en la Tierra. La palabra extremófilo proviene del griego filo, que significa afecto o amor. Es decir, el significado de extremófilo es "amante" de las condiciones extremas.

Estas condiciones extremas, fuera de las comúnmente llamadas “normales”, podríamos resumirlas en:

-Temperaturas muy elevadas (44 – 121 °C) o bajas (-2, – 20°C)

-Alta salinidad (NaCl 2-5M)

-Alta alcalinidad (pH arriba de 8) y/o alta acidez (pH menor de 4)

 Existen varias clases de extremófilos y se clasifican atendiendo al ambiente en el que viven.

1)Termófilos

Thermus acuaticus

 Estos organismos tienen un crecimiento óptimo en temperaturas situadas entre los 70-80°C. Sus hábitats comunes son las fuentes termales volcánicas terrestres, termales submarinas, etc. La adaptación de estos organismos es debido a la alta estabilidad térmica de sus enzimas. 

 Ejemplos: 

- Bacterias Thermus acuaticus: crecen a Tº mayores de 70°C 

- Sulfolobus acidocaldarius: crece a partir de 85°C

- Pyrolobus fumarii: temperatura óptima de crecimiento es de 105°C. 

2)Psicrófilos

Arthrobacter

 Estos organismos presentan un desarrollo óptimo a bajas temperaturas. (Desde los 20ºC hasta los -5ºC). Las proteínas poseen unas características que hacen que pierdan su rigidez y ganen flexibilidad en su estructura para la realización de sus funciones catalíticas en las condiciones de bajas temperaturas. Las membranas contienen mayor proporción de ácidos grasos no saturados, permitiendo así que su fluidez y capacidad de transporte se mantenga bajo condiciones muy frías. 

Ejemplos: 

- Bacterias gram negativas: Moraxella, Psychrobacter, Polaribacter, Moritella, Vibrio y Pseudomonas.

- Bacterias gran positivas: Arthrobacter, Bacillus y Micrococcus.

- Arqueas: Methanogenium, Methanococcoides y Halorubrum. 

- Hongos y levaduras: Penicillium, Cladosporium, Cándida y Cryptococcus 

3)Alcalófilos 

Son organismos que viven en ambientes con pH por encima de 9.  Sus hábitats son muy básicos, como lagos sódicos y suelos muy carbonatados. Estos organismos necesitan aislar el interior de la célula del medio alcalino exterior, ya que algunas moléculas especialmente las hechas de ARN se rompen a pH superior a 8.

Ejemplos: 

- Bacterias aeróbicas no marinas, muchas especies de Bacillus Spirulina (cianobacterias) Arqueas.

- Algunos alcalofilos son también halófilos, la mayor parte de estos pertenecen al dominio Archaea. 

4)Halófilos 

"halobacterium"

Se refiere a los organismos que habitan en medios con presencia abundante de sales. Sus hábitats son zonas litorales, salinas y lagunas salobres. En organismos normales, la sal hace que mueran por deshidratación debido a la ósmosis. Si el entorno es salino, con mucha concentración de sales, el agua del interior de las células tiende a salir hacia su exterior. Es decir, se desecan y mueren. Uno de los mecanismos que han desarrollado, es el de albergar en el interior de sus tejidos, concentraciones de un soluto compatible a las sales (como ácido polihidroxibutírico o PHB) mayores que en el exterior. Así el agua penetra por ósmosis. La mayoría de estos halófilos pertenecen al dominio Archaea. 

Ejemplos:

-género Halobacterium, que viven en entornos como el Mar Muerto, como la Haloarcula marismortui.

4)Acidófilos 

Acidobacterium

Organismos que viven en medios con pH menor de 5. Para soportar el bajo pH, estos organismos emplean una gama de mecanismos, como una superficie de membrana cargada positivamente, una alta capacidad reguladora interna y sistemas únicos de transporte.

 Ejemplos: 

- Ferroplasma acidarmanus, crece en ambientes de pH cercano a cero. 

- Cyanidyum caldariuym, es capaz de vivir en pH cercano a cero manteniendo el interior de la célula en un nivel casi neutro. 

- Acontium cylatium, Cephalosporium sp y Trichosporon cerebriae (eucariotas del reino fungí) 

5)Otros grupos:

- Anhidrobióticos o xerófilos: Viven en ausencia de agua o son capaces de resistir la desecación viviendo con muy poca. Ejemplo: Selaginella lepidophylla
  
-Barófilo o Piezófilo: Se desarrollan en ambientes con presión muy alta (lechos oceánicos profundos de hasta once mil metros de profundidad: fosa de las Marianas)
  
-Criptoendolitos: Organismo de suelos profundos. Viven a muchos metros bajo el suelo, incluso en medio de rocas; el Bacillus infernus fue aislado a 2700 metros bajo la superficie del suelo; el Desulforudis audaxviator fue encontrado entre 1500 y 2800 metros de profundidad, en el suelo de una mina de oro (Cuenca de Witwatersand, Sudáfrica) donde soporta una temperatura de sesenta grados centígrados y un pH de 9,33.

-Metalotolerantes: Organismos que sufren altas concentraciones de metal en su entorno (cobre, cadmio, arsénico, zinc). Por ejemplo, el Ferroplasma y el Cupriavidus metallidurans, o el GFAJ-1El, que tolera el arsénico.
  
-Radiófilo: Soportan gran cantidad de radiación, como la bacteria Deinococcus radiodurans, el Thermococcus gammatolerans, o unos microbios recogidos en los acantilados de Devon, Inglaterra, que consiguieron sobrevivir casi 600 días expuestos a los rayos cósmicos y sin oxígeno.
   
-Poliextremófilos: Acumulan resistencias diversas a varios ambientes hostiles: Deinococcus radiodurans, Kineococcus radiotolerans, el Thermococcus gammatolerans o el Sulfolobus acidocaldarius)

-Los tardígrados: Se deshidratan para quedar como muertos durante cientos de años en condiciones de criptobiosis y pueden resistir en el espacio.

Conclusiones 

 Algunas bacterias pertenecen a varios de estos grupos. La mayor parte de los extremófilos son microrganismos, hay archaeas (arqueobacterias), procariotas (bacterias) y eucariotas. Su pequeño tamaño y el hecho de que su metabolismo es muy adaptable ha permitido que colonicen ambientes que son mortales para seres pluricelulares. Aunque hay que señalar que también hay organismos pluricelulares, sobre todo entre los barófilos.

 Hablar de vida es abarcar un sinnúmero de organismos diversos y distintos. Millones y millones de seres que se encuentran distribuidos en diferentes partes de la Tierra.  No todos los organismos vivientes habitan en un mismo lugar, ni dependen de las mismas condiciones físicas. Cada uno necesita de ambientes determinados para poder realizar sus funciones básicas.  Así que pueden existir rastros de vida en los lugares más recónditos e inesperados. Lugares en los que cualquier otro ser  vivo no podría sobrevivir.  Por último, cabe destacar un proceso fundamental en estos organismos extremófilos: La Adaptación, pues ésta les permite adecuarse al ambiente, y poder desarrollarse y vivir.