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La recompensa genómica imprevista del océano
El océano alberga una colección de microorganismos asombrosamente y sorprendentemente diversa, según un estudio genético masivo publicado hoy. Los hallazgos provienen de la expedición del pionero de la genómica Craig Venter para dar la vuelta al mundo en un yate, recolectando y analizando organismos marinos en el camino. El inesperado nivel de diversidad sugiere que a pesar de los casi 200 organismos que se han secuenciado hasta la fecha, los investigadores apenas han comenzado a arañar la superficie del repertorio genético de la tierra.
Secuenciando el mar : El pionero de la genómica Craig Venter dio la vuelta al mundo en su yate, recolectando muestras del océano para su análisis genómico en el camino.
No hemos entendido mucho sobre nuestro propio planeta y nuestro propio entorno, dijo Venter. Revisión de tecnología desde su barco, el Hechicero II , actualmente en el Mar de Cortés, en México. Nos hemos perdido hasta el 99 por ciento de las formas de vida y la biología que existen. Él dice que las secuencias genéticas generadas por el proyecto tendrán un gran impacto, desde ayudar a los científicos a comprender los ciclos globales del carbono hasta identificar la posible vida en Marte.
Los microorganismos constituyen la mayor parte de la vida en la Tierra y desempeñan un papel importante en el ciclo del carbono y otros ciclos energéticos globales. Sin embargo, debido a que solo alrededor del 1 por ciento de los organismos se pueden cultivar en un laboratorio, identificar y comprender estas criaturas microscópicas es difícil. Ahora, Los métodos de secuenciación de genes en constante mejora desarrollados en los últimos años ofrecen a los microbiólogos una nueva herramienta con la que estudiar el 99 por ciento restante. Los científicos pueden extraer el material genético de una gota de agua de mar y luego secuenciar ese ADN, derivando pistas genómicas de todos los organismos que viven en ese entorno.
Después de un exitoso estudio piloto del Mar de los Sargazos en 2003, Venter se embarcó en una expedición mucho más larga, siguiendo la ruta del barco británico The Desafiador , un viaje de investigación que catalogó 5.000 nuevas especies marinas a finales del siglo XIX. La tripulación viajó casi 6,000 millas a bordo del yate de Venter, recolectando muestras de agua superficial cada 200 millas.
El primer conjunto de resultados, publicado esta semana en tres artículos de la revista Biología PLoS , reveló seis millones de nuevas proteínas, duplicando el número de secuencias de proteínas conocidas. En todos los lugares donde tomamos muestras, encontramos nuevas proteínas, dice Venter.
Los investigadores se centraron principalmente en analizar nuevas secuencias codificantes de proteínas, en lugar de identificar microorganismos específicos, porque la variedad de ADN dificultaba su ensamblaje en genomas individuales. (Las secuencias de ADN generadas a partir de una gota de agua de mar contienen fragmentos de los genomas de muchos microorganismos diferentes. Los científicos comparan esto con tratar de armar un rompecabezas a partir de una caja que contiene algunas piezas de miles de rompecabezas diferentes).
Esta nueva colección de proteínas debería arrojar luz sobre cómo evolucionaron las proteínas, y tal vez incluso insinuar la genética de nuestros primeros organismos ancestrales. Con una colección diversa de proteínas, puede construir un árbol filogenético e intentar inferir la función y cómo evolucionó, dice Shibu Yooseph, científico del Instituto J. Craig Venter, en Rockville, MD, y autor principal de uno de los Biología PLoS documentos. Para cada familia que hemos analizado, tanto la cantidad como la diversidad de nuevas proteínas fue realmente inesperada.
Uno de los tipos de proteína más abundantes identificados en el estudio proviene de las proteorodopsinas, moléculas que se asemejan a las proteínas sensibles a la luz en el ojo humano. Parecen dotar a los microorganismos de un mecanismo alternativo a la fotosíntesis para generar energía a partir de la luz. Los investigadores también encontraron que los cambios leves en la proteína afectan la longitud de onda de la luz que el organismo puede absorber: la variante particular que posee un organismo parece seguir el color predominante del agua en su entorno. En la costa, por ejemplo, donde el agua es verde, los organismos pueden absorber principalmente la luz verde. Pero en las profundidades del mar, donde el agua es azul, los organismos pueden absorber principalmente la luz azul.
De hecho, todos los entornos muestreados mostraron una alta diversidad genética, tanto dentro como entre muestras. Los hallazgos desafían la noción de especie en microorganismos. Cuando miras a los microbios, no parecen ser especies individuales, dice Douglas Rusch, también científico del Instituto Venter y autor de uno de los artículos. Parece ser una mezcla compleja, que describimos como subtipos, que se adaptan a un entorno particular.
El proyecto de Venter es parte de una nueva tendencia en genómica, habilitada por nuevas tecnologías de secuenciación, para secuenciar comunidades microbianas enteras en lugar de organismos individuales. Estas tecnologías permiten la secuenciación masivamente paralela, por lo que podemos obtener cientos de miles de secuencias en una sola ejecución, dice George Weinstock , codirector de la Centro de secuenciación del genoma humano en Baylor College of Medicine, en Houston. Hasta ahora, los científicos han secuenciado los habitantes microbianos de los cadáveres de ballenas, plantas de tratamiento de aguas residuales, sitios de drenaje de minas ácidas e intestinos de termitas, entre otros.
Las comunidades microbianas son casi como un superorganismo, donde cada microbio contribuye a la comunidad en su conjunto, dice Weinstock. Realmente necesitamos caracterizar el metagenoma y analizar los genes y los productos proteicos como un agregado.
Venter y otros eventualmente esperan encontrar proteínas que puedan ser cooptadas para crear nuevas máquinas bacterianas: proteínas involucradas en la producción de hidrógeno o la fijación de carbono, por ejemplo, que algún día podrían diseñarse para aumentar la capacidad de fijación de carbono del océano o para crear bacterias productoras de combustible. Los genes son el componente de diseño del futuro, dice Venter.