Bacterias que anticipan el invierno: un reloj circadiano para la supervivencia
La medición del fotoperiodo, es decir, el número de horas de luz en un día determinado, permite a los organismos anticipar cambios ambientales relacionados con las estaciones del año. Esto regula procesos fisiológicos cruciales como la migración, la floración, la hibernación o la reproducción estacional. Pero, ¿qué ocurre con las bacterias que solo viven unas horas antes de dividirse? ¿Pueden ellas anticipar la llegada del invierno?
La respuesta es que algunas sí, y la historia de este reciente descubrimiento es fascinante. Para entenderlo, primero debemos recordar qué es el reloj circadiano.
Un reloj interno: el ritmo circadiano
Los ritmos circadianos son cambios fisiológicos que siguen un ciclo aproximado de 24 horas. Por ejemplo, nuestro ciclo vigilia/sueño. El jetlag se produce cuando este ritmo circadiano se desincroniza con el ciclo luz/oscuridad debido a un viaje. Después de unos días, ambos ciclos vuelven a sincronizarse. Este y otros muchos cambios son controlados por el llamado reloj circadiano, descubierto en los años setenta y bien caracterizado a nivel molecular.
Sorprendentemente, procariotas como la cianobacteria fotosintética Synechococcus, que viven unas horas antes de dividirse, también tienen un reloj circadiano. Sus mecanismos fueron descubiertos por el grupo de Carl H. Johnson en la Universidad Vanderbilt. Solo tres genes, KaiA, B y C, interactuando de forma compleja, permiten que los procesos fisiológicos de Synechococcus se ajusten a un ciclo aproximado de 24 horas, a pesar de que en ese periodo habrá experimentado cuatro ciclos de división.
Anticipando el frío: el fotoperiodo como señal
Una estudiante de Johnson, María Luisa Jabbur, propuso la idea de que el reloj circadiano de Synechococcus podría ser utilizado para anticipar cambios estacionales y prepararse para el frío. Esta idea fue recibida con escepticismo, pero Luisa recibió autorización para investigarlo. Sus resultados, publicados en la revista Science, demostraron que la bacteria efectivamente puede anticipar el invierno mediante la medición del fotoperiodo.
Los experimentos de María Luisa Jabbur consistieron en someter a las bacterias a diferentes fotoperiodos: día corto (8 horas de luz, 16 de oscuridad), día equinoccial (12 horas de luz y oscuridad) y día largo (16 horas de luz, 8 de oscuridad). Después de varios días, las bacterias fueron mantenidas durante dos horas en un medio helado. Sorprendentemente, la tasa de supervivencia de las que habían experimentado días cortos fue 2-3 veces superior al resto. El equipo constató que eran necesarios al menos cuatro ciclos de alternancia luz/oscuridad para obtener esos resultados, y la supervivencia óptima se conseguía después de 6-8 ciclos.
Un mecanismo de adaptación: la fluidez de las membranas
El mecanismo de adaptación a las bajas temperaturas pasa por un aumento de la fluidez de las membranas celulares. Esta fluidez depende del grado de saturación de los lípidos que las componen. El fotoperiodo corto en Synechococcus provoca la activación de un programa genético que incluye la síntesis de lípidos insaturados y su incorporación a las membranas celulares. Un estudio del transcriptoma de Synechococcus mostró que 708 genes (la cuarta parte del total) cambian sus niveles de expresión al reducirse el fotoperiodo. Sin embargo, en los mutantes KaiABC, incapaces de establecer un ritmo circadiano, solo 384 genes modifican sus niveles de expresión al acortarse los días. Esto muestra que un buen número de genes responde específicamente a la disminución del ritmo circadiano, sincronizado a través de la fotosíntesis.
La investigación también mostró que el cultivo a bajas temperaturas (20 °C) provoca cambios adaptativos en la fluidez de las membranas, pero dichos cambios son mucho más pronunciados si van acompañados por un acortamiento del fotoperiodo. Es decir, la medición del fotoperiodo realmente anticipa la estación fría que se aproxima y prepara a las bacterias para enfrentarla.
Un futuro prometedor: hacia la comprensión de la herencia de la adaptación
Una cuestión que deberá aclararse en el futuro es cómo Synechococcus transmite a los descendientes la previsión de que se acerca el invierno. Este descubrimiento abre nuevas vías de investigación en el campo de la biología, con implicaciones en la comprensión de la adaptación de los organismos a las condiciones ambientales cambiantes.
Referencia
Jabbur, M.L., Bratton, B.P., Johnson, C.H. (2024) Bacteria can anticipate the seasons: Photoperiodism in cyanobacteria. Science. doi: 10.1126/science.ado8588.
Sobre el autor: Ramón Muñoz-Chápuli Oriol es Catedrático de Biología Animal (jubilado) de la Universidad de Málaga.
Fuente original: Bacterias que preparan el invierno midiendo el fotoperiodo — Cuaderno de Cultura Científica
