Extracto: Ramas genéticas en el árbol de la vida

La eterna búsqueda de reescribir el árbol de la vida
Por Carrie Arnold - Nova Next


El fondo del océano es uno de los lugares más misteriosos del planeta, pero la microbióloga Karen Lloyd de la Universidad de Tennessee, Knoxville, quiso ir más allá de eso. En 2010 fue postdoctoral en la Universidad de Aarhus en Dinamarca y Lloyd quiso ver qué microbios vivían a más de 400 pies bajo el fondo marino.

Al igual que casi todos los microbiólogos que hacen este tipo de censo, se basó en 16S rRNA secuenciación para determinar quién estaba allí. Desarrollado por el microbiólogo Carl Woese a finales de los años setenta, la técnica busca variaciones en el gen 16S rRNA, común a todos los organismos (es clave para convertir el ADN en proteína, uno de los procesos más fundamentales de la vida). Cuando Lloyd comparó lo que había visto bajo el microscopio con lo que sus datos de secuenciación decían, sin embargo, sabía que sus resultados de ADN estaban perdiendo una gran parte de la vida oculta bajo el océano.

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Estudiando a los incultos

Típicamente, para estudiar microbios, los científicos los han cultivado en una cultura pura de un solo individuo. Aunque son útiles para estudiar estos organismos en el laboratorio, la mayoría de los microbios viven en comunidades complejas de muchos individuos de diferentes especies. A partir de principios de la década de 2000, las tecnologías de secuenciación genética habían avanzado hasta el punto en que los investigadores podían estudiar el complejo conjunto de genomas microbianos sin necesariamente necesitar cultivar cada organismo individual. Conocido como metagenómica, el campo comenzó con los científicos centrados en los genes que se encontraron en la naturaleza, lo que sugeriría cómo cada especie o cepa de microbios podría sobrevivir en diferentes entornos.

Así como Woyke estaba duplicando la secuenciación de una sola célula, Banfield comenzó a usar la metagenómica para obtener una imagen más matizada y detallada de la ecología microbiana. Los problemas a los que se enfrentaba, aunque muy diferentes a los de Woyke, no eran menos molestos. Al igual que Woyke, Banfield se centró en entornos extremos: respiraderos hidrotermales acre en el fondo del océano que eructó una vil mezcla de ácido sulfúrico y humo; Un acuífero que fluye a través de relaves de minas tóxicas en Rifle, Colorado; Una salina en el perpetuo desierto de Atacama, en Chile; Y el agua encontrada en la mina de la montaña del hierro en California norteña que es algo del más ácido encontró dondequiera en la tierra. También como Woyke, Banfield sabía que la identificación de la gama completa de microbios que viven en estos entornos infernales significaría alejarse del uso del conjunto estándar de cebadores de rRNA 16S. El tema principal que Banfield y sus colegas enfrentaron fue averiguar cómo ensamblar la mezcla de material genético que aislaron de sus muestras en genomas discretos.


Una red de conectividad calculada por Banfield y sus colaboradores muestra cómo las diferentes proteínas ilustran las relaciones entre los diferentes microbios.

La solución no era una nueva técnica de laboratorio, sino una forma diferente de procesar los datos. Los investigadores obtienen su información metagenómica dibujando una muestra de un entorno particular, aislando el ADN y secuenciándolo. El proceso de secuenciación rompe cada genoma en trozos más pequeños de ADN que las computadoras luego vuelven a montar. Reacondicionar un solo genoma no es nada diferente de ensamblar un rompecabezas, dice Laura Hug, microbióloga de la Universidad de Waterloo en Ontario, Canadá, y ex postdoc en el laboratorio de Banfield.

Cuando se enfrentan a un solo rompecabezas, la gente suele elaborar una estrategia, como ensamblar todas las esquinas y bordes, agrupar las piezas restantes en diferentes colores y ponerlas lentamente juntas. Es una tarea difícil con un único genoma, pero es aún más difícil en la metagenómica. "En metagenomics, usted puede tener cientos o incluso miles de rompecabezas, muchos de ellos pueden ser todos azules, y no tienes idea de cómo se ve la imagen final. Las computadoras tienen que averiguar qué piezas azules van juntas e intentar extraer un rompecabezas completo y preciso de este revoltijo ", dice Hug. No es sorprendente que los primeros días de la metagenómica estuvieran llenos de genomas incompletos y mal montados.

El avance de Banfield ayudó a domar la tarea. Ella y su equipo desarrollaron un mejor método para binning, el nombre formal para el proceso de computadora que clasifica a través de la pila de piezas de rompecabezas de ADN y las organiza en un producto final. Como su laboratorio hizo mejoras, fueron capaces de estudiar un creciente rango de ambientes en busca de microbios raros y extraños. El progreso fue rápido. En la década de 1980, la mayoría de las bacterias y arqueas que los científicos sabían acerca de encajar en 12 principales phyla. Para 2014, los científicos habían aumentado ese número a más de 50. Pero en un único documento de Nature en 2015, Banfield y sus colegas añadieron 35 phyla adicionales de bacterias al árbol de la vida.


El último árbol de la vida fue producido cuando Banfield y sus colegas agregaron otros 35 grupos principales, conocidos como phyla.

Debido a que los investigadores no sabían esencialmente nada acerca de estas bacterias, los denominaron "radiación candidata de los phyla", o CPR, el equivalente bacteriano de la DPANN de Woyke. Al igual que las arqueas, estas bacterias se agruparon debido a sus similitudes entre sí y sus diferencias marcadas con otras bacterias. Banfield y sus colegas estimaron que los organismos CPR pueden abarcar más del 15% de todas las especies bacterianas.

"Esto no era como descubrir una nueva especie de mamífero", dice Hug. "Fue como descubrir que los mamíferos existieron en absoluto, y que están a nuestro alrededor y no lo sabíamos".

Nueve meses después, en abril de 2016, Hug, Banfield y sus colegas utilizaron los últimos estudios para construir un nuevo árbol de vida. Su resultado reafirmó el árbol original de Woese de 1978, mostrando a los seres humanos y, de hecho, a la mayoría de las plantas y animales, como simples ramas. Este nuevo árbol, sin embargo, era mucho más lleno, con mucho más ramas y ramas y una más rica variedad de follaje. Gracias en gran parte a los esfuerzos de Banfield y Woyke, nuestra comprensión de la vida ya no es un árbol recién nacido, sino un árbol joven que madura rápidamente y se está convirtiendo en un adulto plenamente arraigado.