Un recorrido en velero por el genoma de los océanos

La investigadora Silvia González Acinas publica este mes en la revista Nature un estudio que descubre que las interacciones entre bacterias y virus de la capa superficial de los océanos son una de las piezas básicas en la eliminación de carbono de las capas superiores del océano hacia el interior.

El mismo día que el actor Leonardo Dicaprio aprovechaba la gala de los Oscar para dar un tirón de orejas a la humanidad que maltrata a nuestro planeta, yo me entrevistaba en una acogedora cafetería con la investigadora Silvia González Acinas, una microbióloga marina que ha surcado una mar de mares a bordo de un pequeño velero recogiendo más de 35.000 muestras marinas para entender un poco mejor como funciona, a pesar del cambio climático, uno de los pulmones del planeta: los océanos. A sus 44 años, la doctora González Acinas se ha labrado una espléndida carrera científica que brilla tanto en su currículum como en sus ojos cuando habla de su trabajo. Se doctoró por la Universidad Miguel Hernández de Alicante y ese mismo año, en 1999, despegó hacia Estados Unidos, donde continuó investigando durante 6 años en uno de los centros de investigación más prestigiosos del mundo, el MIT (Massachusetts Institute of Technology). Después de una fructífera etapa postdoctoral, fue reclutada en 2006 por el Netherland Institute of Ecology en Holanda, hasta que consiguió un contrato “Ramón y Cajal” que la hizo volver a España en 2007. Desde entonces dirige un grupo de investigación sobre Ecología Marina y Genómica de los Microorganismos marinos en el Instituto de Ciencias Marinas-Centro Superior de Investigaciones Científicas (ICM-CSIC) en Barcelona. En los últimos años ha coordinado varios proyectos sobre el estudio de la diversidad microbiana y metagenómica marina dentro de las circunnavegaciones internacionales Tara Oceans y Malaspina, que persiguen definir la huella que está dejando el cambio climático sobre los ecosistemas marinos. Hoy hablamos con ella sobre su último estudio publicado en la revista Nature.

La investigadora Silvia González Acinas durante una de las expediciones en el velero Tara. Foto cortesía de Silvia G. Acinas.

El objetivo del proyecto Tara Oceans es el de financiar las investigaciones científicas relativas al impacto del cambio climático sobre los ecosistemas marinos y sensibilizar el público a los retos medioambientales. ¿Desde cuando y hasta cuando estás embarcada en esta aventura?

La primera fase del proyecto empezó en 2009 y terminó en 2012. Fueron 3 años en el que Tara estuvo navegando por todo el planeta y recogiendo muestras. Es lo que llamamos circunnavegación global. En 2013 se realizó una segunda fase, la Tara Ártico, que se desarrolló durante 7 meses alrededor del círculo polar ártico. Realmente Tara Oceans es un proyecto que sigue y que no sabemos cuando va a terminar. Este año, por ejemplo, ha empezado otra fase asociada al estudio de corales en determinados ecosistemas del Pacífico.

¿En qué consiste tu labor dentro de este gran proyecto?

Yo soy la coordinadora del consorcio de bacterias dentro de la expedición Tara Oceans. Mi papel ha sido el de coordinar a un grupo de científicos para intentar describir la diversidad microbiana a nivel genético y funcional, y en concreto, la diversidad procariótica: bacterias y arqueas a nivel global (a través de toda la expedición).

TARAOCEANS-CARTE
Recorrido y cronología de la expedición Tara Oceans.
Fuente: http://oceans.taraexpeditions.org

Los océanos, son muy importantes para la fijación de dióxido de carbono o CO2 (carbono inorgánico) a carbono orgánico. Este proceso de fijación acidifica el océano y tiene consecuencias que alteran los ecosistemas. La bomba de carbono de los océanos, ¿está trabajando ya al 100% de su rendimiento?

Los oceanos son el mayor sumidero de CO2, y estan fijando dióxido de carbono al mismo nivel que los bosques tropicales. La mitad del CO2 que existe en la atmósfera es absorvido gracias a los microorganismos planctónicos, es decir, que estos microorganismos representan uno de los dos pulmones del planeta. Es difícil determinar si los los océanos llegarán a su la máxima capacidad para absorver CO2. Lo que sí se conoce son los microorganismos responsables de esta fijación. Si alteramos las comunidades microbianas en favor o en detrimento de estos microorganismos, quizás estemos modificando la capacidad de buffering del océano.

¿Qué consecuencias tiene la acidificación de los océanos?

Cuanta mayor absorción de CO2 ocurre en los oceanos, más CO2 antropogénico de la atmosfera se elimina y más se alivia el efecto de los gases invernadero. A la vez, se produce un efecto rebote negativo. Esto sucede cuando el CO2 se disuelve, reacciona con el agua para formar un equilibrio entre especies químicas que tienen relación con el proceso de acidificación en el océano. Esto tiene consecuencias para los microorganismos que estan formados por estructuras calcáreas, como los cocolitoforos y otros microorganismos fitoplanctónicos muy importantes en la fijación de CO2. Al augmentar la acidificación del océano, estas estructuras que forman parte de su esqueleto no se producen de manera correcta y muchas de estas células no son viables, con lo cual la bomba biológica o de carbono pierde capacidad. Además, la acidificación también hace que la vida en el océano sea un poco más estéril porque no todos los microorganismos estan adaptados a vivir en un pH más ácido.

La mitad del CO2 que existe en la atmósfera es absorvido gracias a los microorganismos planctónicos, es decir, que estos microorganismos representan uno de los dos pulmones del planeta.

En tu reciente trabajo publicado en la prestigiosa revista Nature, describís que tanto en superfície como en profundidad, hay comunidades exportadoras de CO2. Dentro de estas comunidades habéis descubierto especies nuevas relacionadas con la exportación de carbono, como virus y procariotas. Además habéis descrito nuevas interacciones entre las especies que participan en este proceso.

En este artículo hemos identificado qué especies son las que que participan en la eliminación de carbono de las capas superiores al interior del océano. Hay que tener en cuenta que hay especies que ya se conocían, como las diatomeas y los copépodos. Estos son los microorganismos del plancton que están más estudiados porque son los más visibles y desde hace muchos años se han podido cuantificar. Pero la parte bacteriana y vírica estaba infravalorada. Por otro lado, dentro de la bomba biológica también se conoce la existencia de las cianobacterias, pero su contribución dentro del proceso de exportación carbono no estaba cuantificada a nivel global. Y es lo que hemos hecho nosotros: hacer una cuantificación global en un momento concreto.

Entonces, ¿sería posible utilizar estas especies nuevas como bioindicadores del cambio climático?

Antes no se conocía de que manera todos estos componentes interaccionaban entre ellos y su efecto en la bomba biológica. Ahora, como bien dices, ya podríamos tomarlos como posibles bioindicadores, tanto las especies en sí como sus interrelaciones. Para usarlos como bioindicadores, deberíamos establecer estaciones representativas para poder estudiar su variabilidad y desarrollar modelos. En estas estaciones sería muy interesante hacer muestreos temporales, ya que sabemos que estas comunidades y sus interacciones no cambian solo según la estación del año, sino que los cambios pueden ser de dinámica mucho más rápida, incluso con cambios a escala diaria.

Otro de los retos que os habéis propuesto en este proyecto ha sido el de predecir los procesos de exportación de carbono a partir de los genes que habéis secuenciado en estos ecosistemas. ¿Es fácil escalar los resultados de genes a ecosistemas?

No es fácil, es muy complicado. Quizás la parte más interesante de este estudio ha sido la de poner en contexto estos genes asociados a la exportación de carbono, proceso en el que tienen un papel importante genes de las bacterias fotosintéticas y los virus asociados a estas. Hasta ahora, no se había podido establecer una asociación entre genes y procesos de fijación dentro del ecosistema fitoplanctónico porque muchas de estas bacterias no se pueden cultivar en el laboratorio. Nuestro estudio lo ha hecho posible gracias al análisis de más de 200 metagenomas que ha permitido determinar estadísticamente qué módulos funcionales estan asociados a estas relaciones entre bacterias y sus virus.

Realmente la capacidad de este estudio ha sido la de tener una base de datos global que nos ha permitido ver cuales son los genes que co-ocurren entre virus y sus bacterias. Si tienes 2 puntos de muestreo esto no lo vas a poder determinar. Pero si tienes 200 puntos de muestreo y ves que la co-ocurrencia entre dos especies siempre se da y esta co-ocurrencia está siempre relacionada con picos de genes asociados a la bomba de carbono, en vez de describir especies estás describiendo traits funcionales.

Tengo la sensación que solo desde hace muy poco tiempo el problema del cambio climático se ha empezado a percibir como un problema real. ¿Crees que actualmente la gente está más sensibilizada? ¿Es más facil ahora hacer entender al público y a los organismos que financian la investigación, la importancia de este tipo de estudios?

Desgraciadamente yo creo que el problema del cambio climático se ha politizado. El cambio climático es una realidad, pero se ha utilizado la política para, en algunos casos exagerar las consecuencias y en otros vanalizarlas. Hay que encontrar un equilibrio. Obviamente el problema es real, pero frente a estos cambios seguramente habrá unos microorganismos y ecosistemas que se podran adaptar y otros que no, con consecuencias más severas. Esto es lo que la comunidad científica está intentando determinar y cuantificar. Sin embargo estos cambios no solo van asociados al cambio climático sino también a un cambio global de mayor contaminación. Todo esto afecta a parametros adyacentes como una menor pesca, con consecuencias económicas importantes. Hay que cuantificar cuales son los efectos a medio y a largo plazo, como se pueden aminorar, y establecer cuales son las políticas científicas que se necesitan. La comunidad científica lleva trabajando en esto los últimos 50 años y ha aportado evidencias claras de que estos cambios conllevan consecuencias. Es verdad que ahora hay más finaciación y más exposición a la sociedad del problema y de todos los resultados científicos.

El cambio climático es una realidad, pero se ha utilizado la política para, en algunos casos exagerar las consecuencias y en otros vanalizarlas.

También participas en otro proyecto a gran escala, Malaspina, que pretende evaluar el impacto del cambio global en el océano y explorar su biodiversidad. ¿Qué diferencias y semejanzas estáis encontrando entre los organismos del fondo de los océanos y los de la superfície?

Tara Oceans y Malaspina comparten algunos objetivos generales como estudiar la diversidad de los microorganismos del plancton y sus variaciones en contexto del cambio climatico. La diferencia es que en Tara solo se muestreó la capa lumínica y la mesopelágica (hasta 900 metros de profundidad). Y en el proyecto Malaspina se muestreó más en profundidad, desde la superficíe hasta los 4000 metros. Hay que tener en cuenta que la gran parte del océano es oscuro, no llega la luz del sol. La profundidad media de los oceanos es de unos 3500 m. Si solo nos limitamos al estudio de la diversidad en la parte lumínica nos estamos perdiendo la mayor parte de la diversidad del océano. Malaspina en eso tiene una labor fundamental. Ha sido una expedición que ha ido por detrás de Tara en el tiempo y es ahora cuando estamos obteniendo los primeros resultados. Obviamente los microorganismos que viven en la capa sin luz son muy distintos a los de la superfície. Hay algunos que son semejantes porque pueden vivir en todo el espectro de la columna de agua, pero la mayoría son distintos y las interacciones entre ellos también.

Imagino que la generación de tanto conocimiento abre muchas puertas para seguir investigando y conociendo mejor los océanos. ¿Cuales son las grandes preguntas que tu equipo se plantea resolver en el futuro próximo?

Tenemos varias líneas. Una de ellas se centra en las interacciones microbianas y lo importantes que son a la hora de determinar como estan estructuradas estas comunidades en los océanos. Nos interesa mucho la simbiosis entre bacterias y otros microroganismos fitoplanctónicos o protistas. Cuando se habla de diversidad de microorganismos planctónicos se entiende que son microorganismos de vida libre, pero hay miles y miles de casos conocidos y desconocidos de especies que participan en interacciones simbióticas. Nosotros estamos estudiando una en concreto, que tiene un papel fundamental en la fijación de nitrógeno. Estas son las grandes desconocidas: las bacterias fijadoras de nitrógeno. La fijación de nitrógeno atomosférico es un proceso enteramente microbiano y el nitrógeno es un factor limitante  fundamental para el crecimiento de microorganismos fitoplanctónicos ya que se emplea en la síntesis de proteínas y de ácidos nucleicos. La segunda línea intenta aislar y secuenciar genomas de bacterias que viven a 4000 m de profundidad y que tendrán capacidades metabólicas totalmente distintas a las de la superfície. Ahora tenemos la tecnología y las heramientas informáticas necesarias para poder ensamblar en genomas completos estos trocitos de genes que secuenciamos, para averiguar qué genes y qué metabolismos encontramos en el fondo de los océanos. También estamos desarrollando nuevos conceptos de especie microbiana que se ajusten a la diversidad microbiana marina.

A tus 44 años, tu trayectoria te sitúa en el epicentro del campo de la investigación en microbiología marina a nivel internacional. Ahora que estás ahí, ¿cambiarías alguna de las decisiones que has tomado a lo largo de tu carrera para llegar donde has llegado?

La verdad es que no. Estoy feliz de la trayectoria que he realizado desde mi tesis hasta ahora. Estuve en uno de los centros más prestigiosos en EEUU, el MIT, que me abrió la mente sobre como trabajar en otros laboratorios y estuve también en Holanda, en un grupo muy interesante. Yo creo que todas estas experiencias son fundamentales para madurar y evolucionar como investigador principal. Más que cambiar nada, lo que observas cuando vuelves en este caso a España, es como el sistema falla a la hora de incorporar a los científicos. Hay un cuello de botella inmenso para investigadores muy válidos y yo creo que hay una generación, en la que yo me incluyo, que estamos en el limbo. No hay una política científica valiente que aborde el problema con seriedad con un plan que no dependa de los vaivenes políticos. Y este es el gran problema que observo en la política científica de hoy en día en nuestro país.

Fuente:

Guidi et al. Plankton networks driving carbon export in the oligotrophic ocean. Nature. 2016 Feb 10. doi: 10.1038/nature16942.

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