Puede que las bacterias no ocupen un lugar tan destacado en el Museo de Historia Natural como, por ejemplo, esos dinosaurios del cuarto piso. Puede que tampoco tengan sus propios juguetes de plástico en la tienda de regalos. Sin embargo, en la arena de la persistencia evolutiva, estos pequeñines son verdaderos campeones.
Las bacterias aparecieron en la Tierra en los albores de la vida misma, hace unos 3.500 millones de años. Desde entonces, han demostrado una asombrosa capacidad de adaptación evolutiva: viven en lo alto de la estratosfera y a muchos kilómetros bajo la superficie terrestre, en lagos árticos fríos y en respiraderos térmicos supercalientes.
Pero estas diminutas criaturas no son simples organismos pasivos que se adaptan ni oportunistas. Desempeñaron un papel fundamental en la configuración de nuestro entorno. Los microbios crearon el oxígeno atmosférico que respiramos y ahora son responsables de reponer los ecosistemas de la Tierra al degradar productos de desecho y reciclar nutrientes importantes.
Las bacterias, sostiene Dennis Vitkup, profesor asociado de los departamentos de Biología de Sistemas y Informática Biomédica de Columbia, también mantienen una relación íntima con cada uno de nosotros. «Si se considera el número total de células del cuerpo, hay unas 10 veces más bacterias que células humanas. Llevamos una vida muy sinérgica con ellas», afirma Vitkup.
La contribución de las bacterias a nuestro bienestar y al medio ambiente suele ser invisible, oculta a nuestra vista por su tamaño. Pero invisible no significa irrelevante. «La vida en la Tierra tal como la conocemos se detendría rápidamente», afirma Germán Plata, investigador posdoctoral del equipo de Vitkup, «si las bacterias desaparecieran de repente».
Ilustración compuesta del profesor Dennis Vitkup que muestra las manifestaciones externas de la diversidad de las bacterias.
A pesar de su omnipresencia, las adaptaciones evolutivas de los microbios suelen ser difíciles de estudiar, en parte por la dificultad de cultivar diversas bacterias en el laboratorio. «Probablemente, menos de una docena de bacterias se han estudiado realmente bien en el laboratorio», afirma Vitkup.
En un artículo publicado en la revista Nature el pasado enero, Vitkup y Plata aplicaron herramientas computacionales para investigar las adaptaciones evolutivas bacterianas mediante la simulación del metabolismo de más de 300 especies de bacterias, que abarcan todo el árbol de la vida microbiana.
Para comprender la desconcertante naturaleza de las adaptaciones evolutivas a lo largo de miles de millones de años, Vitkup recurre a los famosos pinzones de Darwin. A lo largo de un par de millones de años, los pinzones de distintas islas desarrollaron diferentes formas de pico que les permitieron recoger y comer distintos tipos de semillas. Las diferencias en el aspecto de los animales, como la forma del pico o incluso el comportamiento, son manifestaciones externas de diferencias genéticas, lo que los investigadores suelen llamar diferencias fenotípicas. «Pero ¿cómo se comparan las diferencias fenotípicas entre bacterias a lo largo de miles de millones de años?», pregunta Vitkup.
Vitkup y Plata partieron de una idea clave: el factor crucial para la supervivencia bacteriana es la capacidad de crecer con distintas fuentes de alimento. El fenotipo de una bacteria determinada depende de su capacidad para convertir los nutrientes disponibles en las sustancias químicas que necesita para crecer y reproducirse. A continuación, el equipo utilizó simulaciones del metabolismo bacteriano para predecir fenotipos en cientos de entornos. «El metabolismo bacteriano funciona como una especie de microscopio para discernir patrones de adaptación y diversificación fenotípicas», afirma Plata.
El equipo de Vitkup descubrió que la adaptación bacteriana a largo plazo avanza en dos etapas distintas. Al principio se produce una diversificación relativamente rápida, que dura decenas de millones de años, seguida de un proceso lento de divergencia que continúa durante miles de millones de años.
Sorprendentemente, el equipo pudo describir la diversificación media a largo plazo mediante un modelo matemático sencillo. Este muestra que, en promedio, existe una tasa constante de cambio fenotípico en la escala de miles de millones de años, lo que revela la continuidad de la adaptación bacteriana desde el comienzo de la vida en nuestro planeta.
Vitkup, nacido en Ucrania, estudió física teórica en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú. En 1992, a los 21 años, se trasladó a Estados Unidos para realizar un doctorado en biofísica en la Universidad Brandeis y acabó trabajando en el laboratorio de Martin Karplus en Harvard (ganador del Premio Nobel de Química de 2013), donde utilizaba ordenadores para simular la dinámica de las proteínas.
Vitkup llegó a Columbia en 2004, tras realizar estancias posdoctorales en el MIT y la Facultad de Medicina de Harvard. Plata, antiguo alumno de Vitkup, se licenció en biología en la Universidad Nacional de Colombia. Se incorporó al programa de posgrado de aquí en 2008, después de trabajar como investigador en biotecnología vegetal en su país natal.
Durante la última década, el grupo de Vitkup ha desarrollado algoritmos informáticos que utilizan secuencias de ADN y lo que se sabe sobre las interacciones bioquímicas para generar una lista de reacciones metabólicas que probablemente estén presentes en un microbio determinado. Estos métodos podrían utilizarse para combatir patógenos mortales. De hecho, los algoritmos ya se han usado para reconstruir el metabolismo de un parásito de la malaria. «Nos permitió predecir unos 40 nuevos objetivos terapéuticos», afirma Plata. El año pasado, Vitkup obtuvo una subvención de los Institutos Nacionales de Salud para crear modelos metabólicos precisos de todos los principales patógenos bacterianos humanos.
Los algoritmos computacionales desarrollados en el laboratorio de Vitkup permiten analizar los cientos de miles de genomas bacterianos que se secuenciarán durante la próxima década. «Al igual que ocurre con las simulaciones en el ámbito de la investigación nuclear», afirma Vitkup, «nos encaminamos hacia una era en la que la mayor parte de este trabajo se realizará en un ordenador y, después, en algunos casos, los resultados se investigarán experimentalmente en el laboratorio». El siguiente reto para Vitkup y sus colegas es aumentar el grado de complejidad y comprender cómo cientos de bacterias trabajan juntas en comunidades microbianas simbióticas. Es emocionante, afirma Vitkup, porque «ahora contamos con las herramientas para comprender de verdad la belleza y la complejidad del mundo microbiano invisible».
Este artículo se publica en colaboración con Columbia News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autores: Dennis Vitkup es profesor asociado de los departamentos de Biología de Sistemas e Informática Biomédica de Columbia. Germán Plata es investigador posdoctoral del equipo de Vitkup.
Imagen: Bacterias intestinales vistas al microscopio. REUTERS.
