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Metagenómica: en busca de la diversidad oculta

No tenemos ni idea de en qué consiste la práctica totalidad de la vida sobre la Tierra.

Estudios publicados en 2006 revelan que la diversidad microbiana en los océanos puede ser hasta 100 veces mayor de la esperada. Quizá hay 10 millones de especies en ellos. En tierra, en un gramo de suelo de una localidad boscosa de Noruega, se encontraron de 4.000 a 5.000 especies de bacterias de desconocidas (más o menos las que están catalogadas en el manual más completo de bacteriología sistemática). En una localidad costera separada sólo unos kilómetros, se halló un número similar de especies diferentes a las anteriores. Hay que pensar también en las bacterias de las profundidades de la Tierra, las de los ambientes extremos y las de los fondos marinos muy profundos. Quizá hay 400 millones de especies bacterianas en la biosfera. Los otros grupos de organismos casi seguro que aportan también varias decenas de millones de especies. Tras muchos siglos de ímprobo trabajo taxonómico hemos conseguido identificar un millón y medio de especies aproximadamente.

En el estudio sobre los océanos, los científicos descubrieron que la mayoría de las especies de microbios detectadas estaban representadas por un pequeño número de individuos. No se conoce el significado de esta enigmática distribución. Quizá esta “rara biosfera” provee a los organismos mayoritarios ciertas sustancias que necesitan, o bien constituye un contingente de reserva, formado por supervivientes natos con escasos requerimientos, que pueden prosperar en caso de catástrofes que diezmen a las especies mayoritarias.

¿Cómo abordar el estudio de esta ingente biodiversidad oculta? La mayoría de los microorganismos no pueden distinguirse por caracteres externos y llevar a cabo su cultivo para estudiar en detalle su metabolismo y genética es un proceso caro, tedioso y prolongado, en el pequeño porcentaje de casos en que se consigue. Además, aparte de caracterizar la diversidad, habría que estudiar su papel en los ecosistemas.

La metagenómica es la disciplina reciente que está permitiendo que nos asomemos a la apabullante diversidad biológica de los ecosistemas. En lugar de estudiar el genoma entero de los distintos organismos, se usa una técnica similar a la creada por la empresa Celera Genomics para secuenciar velozmente el genoma humano. Se toma el genoma de todos los organismos de la muestra mezclados y se parte en secuencias relativamente cortas. Aunque estas secuencias no aportan mucha información sobre la bioquímica y el metabolismo del organismo, sus marcas particulares sí sirven al menos para distinguir a las distintas especies presentes en la muestra y hacernos una idea de su número y la distancia genética aproximada que las separa. Se pueden estudiar genes clave para el metabolismo o genes con grandes repercusiones ecológicas, como los relacionados con los ciclos del carbono y del nitrógeno, implicados en el cambio climático. La metagenómica sirve también para estudiar la respuesta de los ecosistemas en conjunto ante determinados factores y para comprobar cómo se modifican los genomas en respuesta a los estímulos.

El procedimiento que se sigue en los estudios metagenómicos es, a grandes rasgos, el siguiente: se escoge una muestra representativa de la comunidad y las células de los organismos se rompen mediante métodos físicos o químicos. Una vez que el ADN se encuentra libre, se separa del resto de la muestra por procedimientos convencionales. El ADN genómico se corta en fragmentos más pequeños mediante enzimas de restricción. Posteriormente, los fragmentos se ligan a vectores (plásmidos) que los transportan hasta el interior de organismos de fácil cultivo y expresión como la bacteria Escherichia coli. Esto permite que el ADN de los organismos desconocidos se multiplique, pueda expresarse y ser estudiado. Las células transformadas de E. coli se hacen crecer sobre medios selectivos, de forma que sólo las células portadoras de los vectores puedan crecer. Se consigue así la construcción de “bibliotecas” metagenómicas. Para analizar el material genético de estas genotecas, se realizan tanto análisis fenotípicos, basados en las actividades enzimáticas adquiridas por E. coli, como análisis genotípicos, basados en la comparación de las secuencias con las bases de datos de ADN de microbios conocidos.

Una aplicación muy interesante de la metagenómica es la posibilidad de descifrar el “genoma humano verdaderamente completo”, es decir, considerando a los seres humanos como ecosistemas que albergan gran cantidad de otros organismos que actúan como parásitos y simbiontes: ácaros de nuestra piel, gusanos intestinales, hongos y otros microorganismos eucariotas, bacterias de nuestro aparato digestivo y arqueobacterias generadoras de metano del tramo final de nuestro intestino. Así podremos evaluar mejor la respuesta global del “ecosistema humano” ante factores de estrés, administración de fármacos, etc.

La inmensa mayoría de los organismos que se observan al microscopio no crecen en los medios de cultivo al uso; por tanto, siguen sin estar caracterizados bioquímicamente. Es posible que entre ellos pervivan reliquias de formas de vida antiquísimas de la Tierra, no basadas en los ácidos nucleicos y las proteínas. No es imposible que también haya seres vivos alienígenas, venidos de otros lugares del sistema solar, con bioquímicas aún más exóticas. Quizá esta “vida extraña” se desarrolle en ambientes demasiado extremos para los organismos conocidos.