Escrito en piedra

En su oficina del Edificio 68, Dianne Newman guarda una roca esférica pulida rayada con bandas de hierro. Encontradas en todos los continentes, estas rocas son la fuente más común de mineral de hierro. Y para Newman, especímenes como este de hace 2.400 millones de años brindan información que podría ayudar a desentrañar una parte muy complicada de la historia de la Tierra. ¿Cuándo empezaron los microbios antiguos a producir el oxígeno que respiramos y qué tipo de microbios eran?

Newman no planeaba dedicar su carrera a explorar tales cuestiones. Llegó al MIT en 1993 para obtener una maestría en ingeniería, pensando que trabajaría en el campo durante unos años antes de ir a la facultad de derecho para convertirse en abogada de patentes. Pero una clase de microbiología ambiental la dejó fascinada por la diversidad de los metabolismos de las bacterias, las reacciones químicas que realizan para vivir. Aprendí que las bacterias pueden comer compuestos tóxicos y transformarlos en benignos, recuerda. Un proyecto que indujo a las bacterias a convertir el arsénico en un material semiconductor hizo que se interesara en cómo las bacterias podrían haber dado forma a la composición química de la Tierra, y se trasladó al departamento de geociencias, donde obtuvo su doctorado. Después de siete años en Caltech, se unió a la facultad del MIT en 2007 como profesora de biología y geobiología.

Esta historia fue parte de nuestro número de noviembre de 2008

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Los microbios son los mejores químicos del planeta, se maravilla Newman. Lo suficientemente bueno, de hecho, para haber remodelado su entorno. Cuando nuestro sistema solar se formó hace 4.500 millones de años, la atmósfera de la Tierra estaba casi desprovista de oxígeno. Las primeras formas de vida unicelulares, que surgieron hace unos 3.800 millones de años, probablemente vivían en los mares y tenían metabolismos que no requerían oxígeno ni lo producían como subproducto. Algunos de ellos subsistían a base de hierro; sus procesos metabólicos cambiaron el estado químico del hierro y crearon los depósitos en la roca de Newman. Otros probablemente se alimentaron de azufre.

Y entonces sucedió algo que haría posible la vida animal y vegetal tal como la conocemos. Algunas bacterias comenzaron a usar la luz solar para dividir el agua en hidrógeno, que usaban para producir combustible, y oxígeno, que liberaban como desechos. Gracias a la fotosíntesis oxigénica, la atmósfera y el agua del océano más superficial tenían niveles significativos de oxígeno hace unos 2.400 millones de años; Hace unos 540 millones de años, los niveles de oxígeno eran comparables a los que se ven hoy.

La cuestión de qué organismo comenzó a producir oxígeno y cuándo es uno de los grandes misterios de la historia de la Tierra. Es un problema realmente difícil pero realmente seductor, dice Newman.

Para responder, Newman y otros en el MIT y en todo el mundo se enfocan en rocas como la de su oficina. Al igual que los huesos de dinosaurio, los restos de bacterias que vivían en los mares antiguos se incorporaron a la roca durante millones (en el caso de las bacterias, miles de millones) de años. Los investigadores saben que ciertos compuestos se producen solo a través de procesos llevados a cabo en organismos vivos, por lo que cuando ven tales compuestos en una roca, significa que la roca refleja rastros de vida antigua. Los geobiólogos interpretan estos fósiles bacterianos comparando los compuestos químicos que contienen con los creados por bacterias modernas que todavía dependen de procesos metabólicos antiguos. A través de dicho análisis, esperan precisar qué microbios fabricaron los compuestos químicos que quedan en las rocas. Hay que observar la función de estos químicos en muchos organismos vivos, dice Newman. Este tipo de lógica nos vincula con el pasado.

Uno de los rastros químicos más importantes que dejan las bacterias antiguas es un grupo de compuestos llamados 2-metil-BHP. En 1999, Roger Summons, profesor de geobiología del MIT, y sus colegas encontraron estos compuestos en rocas de 2.500 millones de años de la cuenca de Hamersley en el oeste de Australia. Estas rocas, de una mina de hierro, son similares a la pulida en la oficina de Newman. Hoy en día, los fotosintetizadores productores de oxígeno llamados cianobacterias son los principales productores de estos BHP. Por esta razón y muchas otras, incluidas ciertas características del sitio de Hamersley, Summons y otros han interpretado el hallazgo como evidencia de que las cianobacterias estaban llevando a cabo la fotosíntesis moderna hace 2.500 millones de años. La lógica era que estos compuestos están hechos por cianobacterias; las cianobacterias realizan la fotosíntesis oxigenada; por lo tanto, la fotosíntesis oxigénica estaba ocurriendo en ese momento, dice Newman.

Newman cree que su propia investigación arroja dudas sobre esta conclusión. Ella ha estado estudiando otra cepa de bacterias que producen BHP: las llamadas bacterias púrpuras, que no pueden usar agua para producir oxígeno. En cambio, oxidan hierro, hidrógeno o varios compuestos orgánicos. Estamos tratando de averiguar la función de los [BHP] en ​​las células que los producen hoy, dice. Nuestros hallazgos preliminares indican que los BHP no tienen una conexión directa con la fotosíntesis. Summons, que colabora con Newman en algunas de sus investigaciones, no se toma su escepticismo como algo personal; confía en que su trabajo conducirá a importantes conocimientos sobre estos compuestos y, especialmente, por qué y cómo los producen las bacterias. Sin embargo, también señala que sus hallazgos no refutan la teoría de que los rastros químicos dejados por las cianobacterias se conservan en Hamersley.

Mientras tanto, el trabajo de Newman con compuestos bacterianos conocidos como fenazinas está esclareciendo un problema más inmediato que el misterio de cómo surgió nuestro aire rico en oxígeno. Al cambiar la forma en que los científicos entienden estas moléculas orgánicas, su investigación podría conducir a nuevos tratamientos para las infecciones bacterianas crónicas.

Las fenazinas se han clasificado durante mucho tiempo como metabolitos secundarios, subproductos de los procesos que producen compuestos metabólicos más críticos. También se sabe desde hace mucho tiempo que actúan como antibióticos. Pero Newman ha demostrado que las fenazinas también tienen efectos profundos sobre la supervivencia y el desarrollo microbianos.

Newman tuvo la idea de esta investigación mientras estudiaba bacterias que, por extraño que parezca, usan rocas que contienen hierro para respirar. Los humanos usan oxígeno para quemar el carbono en, digamos, un sándwich de atún, creando energía; el papel del oxígeno es aceptar electrones del carbono. El hierro juega un papel similar para las bacterias que respiran rocas, que obtienen su energía cuando transfieren los electrones en compuestos que contienen carbono, como la glucosa, al hierro en las rocas. No es respirar en el sentido humano: el hierro en sí no ingresa a las células, ya que el oxígeno ingresa a nuestros pulmones. Más bien, las bacterias que respiran rocas pasan una corriente eléctrica al hierro utilizando moléculas que actúan como lanzaderas de electrones. Estas moléculas transportan electrones de una célula bacteriana a la siguiente y, en última instancia, a la superficie de una roca ferrosa, como las manos de un público que transporta a una estrella de rock que hace surf. Newman y sus colegas plantean la hipótesis de que las fenazinas podrían actuar como transbordadores de electrones en otras bacterias.

Si tienen razón, su conocimiento podría tener implicaciones más amplias, porque aborda lo que Newman llama un problema genérico al que se enfrentan las bacterias que crecen en cualquier superficie. Pocas bacterias viven solas. Independientemente de dónde y cómo obtengan su energía, ya sea que saboreen los azúcares en las grietas de los dientes o sorban el azufre de los respiraderos submarinos, la mayoría de las bacterias viven en comunidades espesas y pegajosas llamadas biopelículas. Dentro de una biopelícula, algunos de ellos estarán más cerca que otros de los químicos que necesitan para llevar a cabo sus reacciones de producción de energía. Mientras Newman pensaba en la forma en que las bacterias que respiran hierro usan lanzaderas de electrones para transportar sus electrones desde las profundidades de una biopelícula hasta la superficie de una roca, se dio cuenta de que las bacterias que crecen en biopelículas en nuestros cuerpos podrían hacer algo similar.

Newman decidió probar la importancia de las fenazinas producidas por el patógeno humano Pseudomonas aeruginosa, que causa infecciones crónicas graves en personas que tienen fibrosis quística o cuyo sistema inmunológico se ha visto comprometido. Al vivir en los pulmones, estas bacterias se encontrarían con el mismo problema que las rocas que respiran a mundos de distancia: las que se encuentran en el medio de la biopelícula estarían aisladas de un sustrato energético importante, en este caso el oxígeno.

Para probar si estas bacterias podrían usar fenazinas para superar los desafíos de la vida comunitaria, los investigadores del laboratorio de Newman diseñaron dos cepas mutantes de ellas. Una cepa no podía producir fenazinas, mientras que la otra las producía en grandes cantidades. Cuando Newman y sus colaboradores cultivaron la bacteria en placas de Petri, vieron diferencias en la arquitectura de sus comunidades. La cepa superproductora creció en una capa tersa y suave, esparcida como Los Ángeles. La cepa libre de fenazina también se extendió por un área grande, pero creció en torres altas, construidas como la ciudad de Nueva York, presumiblemente para maximizar la exposición de cada célula al oxígeno del aire.

Estos resultados son prometedores; ahora Newman debe realizar pruebas para ver cómo crecen las dos cepas mutantes en el pulmón. Si Pseudomonas necesita fenazinas para sobrevivir, los investigadores podrían, en teoría, desarrollar terapias que eviten que las bacterias las sinteticen o las utilicen; que podría ayudar a erradicar las infecciones crónicas.

El acceso al oxígeno hoy en día es un problema tan grande como el acceso a un mineral en el pasado, dice Newman. Son precisamente esas conexiones las que hacen de la geobiología una veta rica y sorprendente de conocimiento, no solo sobre la historia del planeta sino sobre nuestro presente.

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