Anabaena, la comunicación entre bacterias

Cuando se habla de seres vivos, lo primero en lo que pensamos son animales, plantas u otros organismos macroscópicos. Solemos concebirlos como un todo, un ser compacto. Para que dicha complejidad sea posible, es necesaria una gran comunicación y diferenciación entre cada una de las células que lo forman. Es decir, procesos que hagan que cada célula desempeñe una función distinta y que cambie su actuación.

Hace más de 1.500 millones de años se formaron los primeros organismos pluricelulares. Desde ese punto hasta la actualidad; animales, plantas y hongos han podido evolucionar hasta dar estructuras muy complejas, como es el caso del cuerpo humano. El movimiento en animales o el crecimiento orientado hacia la luz de las plantas, conocido como fototropismo, sólo son posibles gracias a que las células se han ido diferenciando y creando formas de comunicarse durante este tiempo. Para poder entender cómo pudo comenzar este proceso y de qué forma tiene lugar hoy en día, es más simple estudiar un organismo con un nivel de comunicación intercelular como es el caso de la cianobacteria Anabaena.

Anabaena es un género de cianobacterias, es decir, un grupo de bacterias azules capaces de realizar la fotosíntesis. Vive formando filamentos de células unidas como las cuentas de un collar. Este género se caracteriza, a pesar de aparentar ser primitivas, por tener la capacidad de diferenciarse a nivel celular de un modo parecido a los tejidos de plantas superiores. Podríamos decir que se reparten las tareas, de la misma manera que unos tejidos de las plantas superiores se encargan de transportar agua y otros de realizar, por ejemplo, la fotosíntesis. Por ello, al explicar cómo funciona Anabaena podemos intuir el origen de la vida pluricelular de las plantas modernas. Hay que tener en cuenta que esto es una analogía simplificada del funcionamiento en el origen de los seres pluricelulares, ya que tanto Anabaena como las plantas que observamos han tenido el mismo tiempo para evolucionar.

La NASA pretende producir proteínas (vacunas y alimento) en el espacio gracias a B. subtilis y  Anabaena en su proyecto PowerCell.

Pero, ¿qué hace tan especiales a estos individuos? Para saberlo, hay que observar su estrategia evolutiva, que consiste en la obtención de nitrógeno atmosférico. Como ocurre en muchas plantas, y en otras formas de vida, uno de los principales limitantes para el desarrollo de Anabaena es el nitrógeno. El nitrógeno es, junto a elementos como el fósforo u otros micro y macronutrientes, imprescindible para el desarrollo de la vida. Todos los seres vivos lo necesitan, como se puede apreciar en la agricultura: un campo sin suficiente nitrógeno y nutrientes en el suelo, es yermo. Este elemento es muy abundante en la atmósfera, pero los vegetales no pueden tomarlo directamente, y deben obtenerlo del agua o el suelo. El éxito de Anabaena reside precisamente en haber desarrollado la maquinaria necesaria para tomar el nitrógeno atmosférico y formar moléculas que sí pueden ser aprovechadas por la célula. Este proceso se conoce como fijación, sin embargo, tiene un inconveniente, se hace en ausencia total de oxígeno.

El hecho de producir oxígeno durante la fotosíntesis podría parecer incompatible con la fijación; para solucionar este conflicto, posee células diferenciadas en compartimentos distintos. La fotosíntesis se realizará en todas las células excepto en los heterocistos, unas células diferenciadas encargadas de fijar el nitrógeno.

Los heterocistos han desarrollado varios métodos para evitar la interferencia del oxígeno en la fijación de nitrógeno. Sus principales métodos son un engrosamiento de su pared celular y una respiración rápida, separándolo del medio y agotando el poco oxígeno que consigue entrar. En este propicio ambiente captan el nitrógeno del aire y lo fijan en forma de amoniaco, que puede ser empleado por la célula.

Esto lleva a preguntarnos, ¿cómo consigue Anabaena dirigir la diferenciación de los individuos de su colonia, si son independientes entre sí? La respuesta está en la comunicación entre las células, como ocurre en organismos superiores. Aunque se sigue investigando y descubriendo nuevas formas de comunicación en este alga, explicaremos algunos de sus procesos.

En un ambiente carente de nitrógeno, las células que realizan la fotosíntesis no pueden completar el ciclo de Krebs. En lugar de dar sus productos finales, se queda estancado en un producto intermedio, el 2-oxoglutarato (2-OG). La acumulación de este producto en las nuevas células actúa como señal de emergencia, cambiando el modo en el que el ADN es leído. Tras esta señal, la bacteria “ignora” las instrucciones relativas a la fotosíntesis y comienza a leer las relativas a la fijación de nitrógeno, engrosamiento de membrana y diferenciación.

Existe otro proceso que inhibe la formación de heterocistos. Éste provoca la formación de los heterocistos con cierto espacio y regularidad en el filamento, evitando la acumulación de células fijadoras en un mismo punto y estableciendo una equidistancia entre estas. La molécula que inhibe la diferenciación aún se desconoce, aunque sabemos que esta sustancia es elaborada por el heterocisto y difundida hacia las células de ambos lados a lo largo del filamento, formando un gradiente y disminuyendo su concentración hasta que no llega nada a una célula, que se diferenciará como heterocisto. El beneficio de esta estrategia radica en que los heterocistos establecen un intercambio de nutrientes con el resto de células a través de la membrana. Por ejemplo, usan el amoniaco obtenido de la fijación de nitrógeno atmosférico para hacer glutamina, un aminoácido que ceden a las células fotosintéticas y que éstas reparten entre ellas.

Estos procesos son un buen ejemplo de diferenciación y comunicación que ayudan a entender cómo funciona la coordinación entre las distintas células de organismos superiores. Todos los organismos, al igual que Anabaena, usan moléculas para influir en otras células, cambiando sus procesos internos. Debido a millones de años de selección natural se obtienen sistemas como el endocrino o la comunicación vegetal por medio de hormonas, aumentando la capacidad de adaptación de los individuos. Y todos ellos tuvieron un comienzo en una agrupación simple de células.