No es arsénico todo lo que reluce: ¿realmente se ha aislado una bacteria que vive sin fósforo?

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La semana pasada os comentamos en este medio un descubrimiento de gran calado en el mundo de la biología y de gran repercusión mediática por la forma en que éste fue presentado a la sociedad. Un grupo de la NASA afirma haber aislado de un lago salado y muy alcalino de California una bacteria que puede vivir en ausencia de fósforo, siendo éste sustituido por el arsénico. El trabajo fue publicado en la revista “Science” a las pocas horas de que la NASA lo anunciase a bombo y platillo en una mediática rueda de prensa. Sin duda el descubrimiento, tal y como fue presentado, representa un hito en el campo de la biología, el que haya organismos capaces de usar indistintamente el fósforo o el arsénico contradice algunos de los conocimientos que se tenían hasta ahora, tanto de química como de enzimología. Esto lo analizaré más adelante. Lo que me gustaría resaltar en primer lugar es que la forma de presentar este resultado pone a los científicos en el filo de una navaja. La navaja de la credibilidad de la ciencia ante la sociedad. Este tipo de “shows” mediáticos sólo se justifican ante un descubrimiento de alto valor añadido para la sociedad, ya sea en forma de conocimiento o de una aplicación útil para la misma. Y por supuesto lo que se presenta ha de estar más que comprobado. Más que nada porque, como ya ha ocurrido en el pasado, si resulta que estos resultados son incompletos, las conclusiones obtenidas son precipitadas o simplemente son incorrectas, no se pone en entredicho sólo al grupo de investigación responsable del trabajo y a la NASA sino a la credibilidad de toda la comunidad científica ante la sociedad. Esto lo abordaré al final del artículo, ahora quisiera ir punto por punto sobre lo que significa esta publicación.

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¿Qué importancia tiene el fósforo en los seres vivos?

El fósforo (P), junto con el carbono, el hidrógeno, el nitrógeno, el oxígeno y el azufre se encuentra formando parte de las moléculas orgánicas, en cantidades significativas en todos los seres vivos de nuestro planeta. Lo primero en lo que uno piensa cuando le piden moléculas biológicas que contengan P, es en los nucleótidos, y por tanto en el ADN y el ARN, pero hay otras muchas estructuras y funciones de la célula que precisan el P. Muestro solamente cinco ejemplos.

• El P es imprescindible en la estructura de los fosfolípidos, moléculas grasas importantísimas en el mantenimiento de la membrana celular.

• Se precisa en moléculas encargadas del mantenimiento energético de la célula como pueden ser el ATP, el NADH o el NADPH.

• El P forma parte de nucleótidos que se emplean como señalizadores y sensores del estado energético de la célula, para seleccionar las fuentes alimenticias que van a consumir. Ejemplos serían el AMP cíclico, el ppGpp o el diGMP cíclico.

• La fosforilación (incorporación de un grupo fosfato) es un mecanismo regulador de un elevado número de procesos celulares.

• Y la fosforilación a su vez es necesaria en muchos procesos catabólicos. Por ejemplo en la glucolisis, la glucosa es fosforilada hasta glucosa-6-P. Otros muchos metabolitos han de ser igualmente fosforilados para poder ser incorporados al metabolismo celular.

Sistema de dos componentes, donde el P juega un importante papel en la señalización celular.

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¿Qué se espera de un organismo que no necesite fósforo para vivir

En principio y dado el elevado número de funciones que requieren de P en la célula no podría existir un organismo viable sin P. Pero hay elementos en la naturaleza que quizás podrían sustituir al P en sus funciones. Esto no es algo novedoso, ya se ha hipotetizado que el P podría sustituirse por el arsénico (As) o el carbono (C) por el silicio (Si), al igual que existen otros tipos de sustituciones en la naturaleza. Esto que sobre el papel parece fácil no lo es tanto en las condiciones ambientales en las que habitan los seres vivos. El P y el C tienen unas características químicas determinadas en las condiciones donde se da la vida (en nuestro planeta y en solución acuosa). En esas condiciones las moléculas de C y de P son estables químicamente. Eso mismo no lo podemos decir del Si o del As. La forma más abundante del P en la célula es el fosfato, la molécula equivalente para el As sería el arsenato. Pero los químicos inorgánicos saben muy bien que los arsenatos tienen una vida media muy corta en agua, y las estructuras que forman son muy débiles. A priori es difícil de imaginar en ese escenario una molécula de ADN donde los arsenatos sustituyan los fosfatos porque sería una molécula de extraordinaria fragilidad en agua. De hecho su vida media sería varios órdenes de magnitud más corta que la que tienen los enlaces fosfodiéster.

Y no queda ahí la cosa. He presentado 5 ejemplos de la importancia del P en la célula. Si el As sustituye al P no debe de ser un simple trueque a nivel químico, debe de existir toda una maquinaria enzimática capaz de reconocer, sustituir y trabajar a la vez con P y con As (este organismo puede usar cualquiera de los dos). Enzimas de la glucolisis, polimerasas del ADN, ARN polimerasas, quinasas y fosfatasas, enzimas responsables de la biosíntesis de macromoléculas como el ADN o fosfolípidos complejos, bombas de membrana dependientes de ATP, no sólo no deben de ser inhibidas por el As, como ocurre en la mayoría de organismos, sino que deben de funcionar a pleno rendimiento, como si el P estuviera presente. Estaríamos pues ante una nueva bioquímica y ante un organismo excepcional.

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¿Qué tipo de organismos podrían hacer eso

A primera vista esperaría un microorganismo extraño, con un juego de enzimas raro, con un genoma que codificara moléculas de propiedades excepcionales. Y no sólo una o dos de esas enzimas, sino muchas, por lo que debería esperar una bacteria de un grupo nuevo, alejado filogenéticamente de las ya existentes. No es fácil suponer que algún microorganismo de grupos conocidos tenga un comportamiento tan dispar por la simple ganancia de unos pocos genes, por lo que seguramente se clasificaría en grupos bacterianos no descritos hasta la fecha. Lo único que se me ocurre que podría variar esa condición es que el microorganismo sea capaz de generar un entorno que varíe las propiedades conocidas del As, y las acerque a las que posee el P.

Imagen que muestra el impacto mediático que ha supuesto este descubrimiento

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El arsénico es un potente veneno, ¿significa eso que no hay ningún organismo puede vivir en su presencia

No, hay muchos organismos que son capaces de sobrevivir en presencia de As. Hay bacterias que lo exportan fuera de la célula, hay plantas que lo acumulan en el interior de sus células, inmovilizándolo, haciendo no biodisponible, otras son capaces de cambiar su estado de oxidación, con lo que ya no es capaz de interaccionar con moléculas orgánicas. Estos organismos resistentes o hiperacumuladores, están adaptados a vivir en ambientes donde abunda el arsénico, han desarrollado para ello sistemas que eliminan el As de su entorno, ya sea alejándolo o incorporándolo a su interior cómo un elemento insoluble, sin capacidad de interaccionar con componentes celulares.

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¿Son suficientes las pruebas aportadas en la publicación?

Hasta ahora he mostrado las dudas, basadas en los conocimientos actuales de microbiología y bioquímica, que se plantean al leer lo que todos tuvimos oportunidad de ver en los medios de comunicación la pasada semana. La publicación de “Science”, que ya está en nuestras manos ha de contestar esas dudas, despejar las incógnitas y resolver las paradojas que se plantean. Estamos acostumbrados a que la biología nos asombre, pero para ello tenemos que estar seguros de que el asombro lo aporta las características del organismo, y no nuestra pobre interpretación de los resultados. En resumen, lo que siempre se pregona grandes afirmaciones requieren grandes pruebas

He decir que tras leer el artículo he quedado algo decepcionado ya que muchas de las incógnitas que planteo más arriba no quedan suficiente contestadas. Sin querer extenderme mucho más podría resumir esas pegas de la siguiente forma:

• La bacteria en cuestión ha sido bautizada como GFAJ-1 y mediante un análisis taxonómico de la secuencia de su 16S rDNA se clasifica cerca del género Halomonas. Este grupo de gamma-proteobacterias se conoce desde hace tiempo. Muchas bacterias de este grupo son extremófilas, resistentes a diferentes condiciones ambientales extremas, como por ejemplo la elevada salinidad. No parece que estemos ante un organismo tremendamente raro como cabría esperar ante una bioquímica inédita.

• La bacteria es capaz de crecer en medios sintéticos sin P, o para ser más exactos sin P añadido al medio. Y esta diferencia es muy importante, ya que los medios sintéticos siempre contienen trazas de P porque los compuestos empleados en el crecimiento (agua, glucosa, otros elementos químicos, agar, etc) presentan impurezas. ¿Son suficientes esas impurezas para soportar el crecimiento en P? Pues hay autores que piensan que sí. De hecho ya se han descrito organismos que son capaces de crecer en cantidades trazas de P. A esto hay que unir que las muestras analizadas no se tomaron en la fase de crecimiento exponencial, cuando hay mayores necesidades de ese compuesto, sino en la fase estacionaria, una fase donde las células están cerca del reposo y requieren poco para su mantenimiento. Un dato clave aportado en la publicación es que si bien afirman que el crecimiento se produce en As, el ADN al final del crecimiento presenta 26 veces más P que As.

• Si el As sustituye al P en la célula muchas moléculas deberían tener As y esto debería de ser muy fácil de detectar y de forma inequívoca. Las pruebas presentadas no son definitivas, bajo mi punto de vista, ni en cantidad ni en calidad. Sólo se analiza una molécula el ADN y no se realiza una purificación fina de la molécula y un análisis por métodos tan simples como espectrometría de masas. Que exista As en componentes celulares es indudable, ya que puede acumularlo, pero otra cosa muy diferente es que esté formando parte químicamente de las moléculas de la bacteria. En este mismo trabajo se muestra como la bacteria GFAJ-1 posee vacuolas y capaz de acumular materiales de reserva en ellas. No es descabellado plantear que el As se acumula en las vacuolas, como ocurre en organismos resistentes. En muchas ocasiones la estructura e integridad de estas vacuolas viene mediada por proteínas que se integran en la membrana de la vacuola. Y esas proteínas, con frecuencia, entran en contacto con la molécula de ADN que estaría retorcida en el espacio que las vacuolas dejan en la célula. En esas condiciones es fácil imaginar que la purificación de la ADN puede provocar una fácil contaminación de esta molécula con As, por lo que son necesarios análisis muy finos de detección de metales en las moléculas. Y no basta con conformarse sólo con el ADN, sino estudiar otras moléculas que son relativamente sencillas de purificar y que deben de contener As, si la hipótesis de partida es correcta.

Bacteria bautizada como GFAJ-1 (Give Felisa A Job) con vacuolas que podrían secuestrar el arsénico

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¿Qué puedo concluir de todo esto

Que bajo mi modesta opinión no se ha establecido de forma concluyente si estamos ante un organismo que puede vivir en un medio sin nada de P, o si por el contrario estamos ante una bacteria que es capaz de sobrevivir en condiciones traza de P a la vez que acumula As. Este segundo hallazgo también sería interesante, pero se aleja de las conclusiones emitidas y sobre todo elimina el impacto mediático que la NASA buscó con su anuncio.

Deseo estar equivocado, ya que prefiero que mis puntos de vista estén errados a que la ciencia vuelva a quedar en entredicho. Porque eso será justamente lo que ocurrirá si al final este descubrimiento queda en nada, si al cabo de un tiempo otro grupo de investigación demuestra que esta bacteria requiere P para seguir viviendo. La NASA ha apostado fuerte y ha arrastrado esa apuesta la credibilidad de la ciencia. Ya llevamos demasiados desmentidos y demasiados fraudes, deliberados o no. Ojalá el grupo descubridor de esta bacteria sea capaz de contestar a las críticas con nuevos experimentos, con la secuenciación del genoma de la bacteria que aporte información sobre las enzimas concluyente. De no ser así quizás sería hora de empezar a plantearnos como se gestionan las publicaciones en las revistas de alto índice de impacto, porque nuestra credibilidad ante la sociedad depende de ello.

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