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Por qué las tripas de termitas podrían producir mejores biocombustibles
Los científicos están secuenciando los genomas de comunidades microbianas enteras con la esperanza de descubrir nuevos genes y organismos que puedan crear combustible, extraer metales o limpiar sitios de superfondos. Conocido como metagenómica, el campo se basa en el estudio de fragmentos de ADN de una variedad de organismos que viven en el mismo lugar. Gracias a los métodos de secuenciación en constante mejora, la cantidad de proyectos de metagenoma está creciendo, lo que brinda a los científicos una miríada de genes nuevos para explorar.
Los microbios que viven en el intestino de las termitas (que se muestran arriba) permiten que el insecto digiera la madera. Los científicos esperan cooptar los genes microbianos responsables de este proceso para producir biocombustibles de manera más eficiente a partir de árboles y pastos.
Esto abre una nueva forma de ver estos organismos, dice Jim Bristow , director del programa de secuenciación comunitaria en el Instituto Conjunto del Genoma del Departamento de Energía, en Walnut Creek, CA. Probablemente descubriremos muchos procesos fundamentales de los que antes no sabíamos nada.
Los microorganismos constituyen una parte inmensamente importante y a menudo pasada por alto del medio ambiente. Constituyen la mayor parte de nuestra biosfera y sustentan todos los ciclos de nutrientes en nuestro planeta, dice Philip Hugenholtz , líder de la programa de ecología microbiana en el Joint Genome Institute. Pero nuestra comprensión de estos sistemas aún es rudimentaria. A los microbiólogos les gustaría comprender mejor estas comunidades, para poder cooptar genes u organismos útiles, como los que eliminan los contaminantes del suelo, o controlar mejor las comunidades microbianas, como las que viven en la boca o el intestino.
La forma estándar de identificar y estudiar los microorganismos que viven en una comunidad en particular es cultivarlos en un laboratorio, pero esto solo es posible con aproximadamente el 1 por ciento de los microbios. Sin embargo, en los últimos dos años, los métodos de secuenciación de genes más rápidos y baratos han ofrecido a los microbiólogos una nueva herramienta con la que estudiar el otro 99 por ciento. Los científicos pueden extraer el ADN de, digamos, una gota de agua de mar o una muestra de lodo de una planta de tratamiento de aguas residuales y luego secuenciar ese ADN, obteniendo pistas genómicas de todos los organismos que viven en ese entorno.
Reunir los fragmentos aleatorios de ADN generados durante la secuenciación puede ser un desafío, incluso imposible en algunos casos. Hugenholtz compara el proceso con tratar de armar mil rompecabezas de una sola caja que contiene solo unas pocas piezas de cada rompecabezas. Entonces, en lugar de ensamblar completamente estos acertijos genómicos, los científicos intentan comprender las piezas individuales o genes. Identificar los genes que permiten a los microbios en el intestino de las termitas digerir la madera, por ejemplo, podría conducir a mejores biocombustibles. Convertir celulosa en árboles y pastos en azúcares simples que pueden fermentarse en etanol es un proceso que consume mucha energía. Si tuviéramos una mejor maquinaria enzimática para hacer eso, podríamos ser más capaces de convertir azúcares en etanol, dice Bristow. Las termitas son los mejores bioconvertidores del mundo.
Los investigadores del Joint Genome Institute, que secuenció parte del genoma humano y ahora se dedica principalmente a la metagenómica, acaban de terminar de secuenciar la comunidad microbiana que vive en el intestino de las termitas. Ya han identificado una serie de nuevas celulasas, las enzimas que descomponen la celulosa en azúcar, y ahora están analizando las entrañas de otros insectos que digieren la madera, como una población anaeróbica que come astillas de álamo. El resultado final será básicamente una lista gigante de piezas que los biólogos sintéticos pueden reunir para crear un organismo productor de energía ideal, dice Hugenholtz.
Varios otros proyectos, desde cadáveres de ballenas hasta lodos de aguas residuales, están en marcha o ya están terminados, lo que promete un gran volumen de datos genéticos novedosos. Un proyecto reciente en la Universidad de California, Berkeley, por ejemplo, identificó tres nuevos organismos que viven en el ambiente altamente ácido de las minas abandonadas. (Las bacterias que cubren los pisos de estas minas convierten el hierro en ácido, que luego puede contaminar los arroyos cercanos). Tienen un tamaño cercano al de los virus y pueden ser los organismos más pequeños jamás descubiertos, dice Brett Baker, científico investigador de UC Berkeley, quien trabajó en el proyecto con Jill Banfield , también en UC Berkeley. Estos organismos pueden dar pistas sobre otras formas de vida adaptadas a ambientes extremos, como Marte.
El próximo obstáculo en la metagenómica será tratar de encontrar la función de muchos de los genes recientemente identificados: a diferencia de las celulasas en las termitas, la mayoría de los genes tienen poca similitud estructural con genes de organismos bien estudiados, lo que dificulta inferir su función. En una muestra de agua del mar de los Sargazos recolectada por el pionero de la genómica Craig Venter, las dos familias de genes más comunes y probablemente más importantes son totalmente únicas: los científicos no tienen idea de lo que hacen. En cierto modo, es rudimentario centrarse en montañas enormes en el paisaje genómico, dice Hugenholtz. Pero llama la atención de inmediato sobre avenidas interesantes a seguir. Actualmente se están realizando estudios estructurales para intentar averiguar la función de estas proteínas.
Los proyectos de metagenómica pueden eventualmente arrojar luz sobre estos genes desconocidos. Podemos mirar representaciones de genes de función desconocida en entornos similares, compararlos con entornos que carecen de una función particular y luego triangular, dice Bristow. Y las firmas metagenómicas algún día podrían usarse como una huella digital para identificar ciertos entornos, agrega. Podrían usarse como una forma de identificar lugares en los que es posible que desee perforar en busca de petróleo o buscar minerales o contaminación de algún tipo, dice. El solo hecho de ver los genes podría decirle lo que está sucediendo allí.