Las bacterias utilizan sus relojes internos de 24 horas para anticipar la llegada de nuevas estaciones, según una investigación realizada con la ayuda del «desafío del cubo de hielo».
Este descubrimiento puede tener profundas implicaciones para comprender el papel que juegan los ritmos circadianos –una versión molecular de un reloj– en la adaptación de las especies al cambio climático, desde los animales migratorios hasta las plantas con flores.
El equipo responsable de los hallazgos proporcionó a poblaciones de algas verdeazuladas (cianobacterias) días artificiales de distinta duración a una temperatura cálida constante. Las muestras en placas recibieron días cortos, días de equinoccio (luz y oscuridad iguales) o días largos, durante ocho días.
Después de este tratamiento, las algas verdeazuladas se sumergieron en hielo durante dos horas y se monitorearon las tasas de supervivencia.
Las muestras que habían sido expuestas a una sucesión de días cortos (ocho horas de luz y 16 horas de oscuridad) como preparación para el desafío helado lograron tasas de supervivencia del 75%, hasta tres veces más altas que las colonias que no habían sido preparadas de esta manera.
Un día corto no fue suficiente para aumentar la resistencia de las bacterias al frío. Solo después de varios días cortos, y lo óptimo fue que fueran de seis a ocho días, las posibilidades de supervivencia de las bacterias mejoraron significativamente.
En las cianobacterias a las que se les habían quitado los genes que conforman su reloj biológico, las tasas de supervivencia fueron las mismas independientemente de la duración del día. Esto indica que el fotoperiodismo (la capacidad de medir el ciclo día-noche y cambiar la fisiología de una persona en previsión de la próxima estación) es fundamental para preparar a las bacterias para cambios ambientales a largo plazo, como una nueva estación o cambios en el clima.
“Los resultados indican que las bacterias en la naturaleza utilizan sus relojes internos para medir la duración del día y cuando el número de días cortos alcanza un cierto punto, como ocurre en otoño, 'cambian' a una fisiología diferente en previsión de los desafíos invernales que se avecinan”, explicó la primera autora del estudio, la Dra. Luísa Jabbur, que era investigadora en la Universidad de Vanderbilt, Tennessee, en el laboratorio del profesor Carl Johnson cuando se realizó este estudio, y ahora es investigadora del BBSRC Discovery Fellow en el Centro John Innes.
El laboratorio Johnson tiene una larga trayectoria en el estudio del reloj circadiano de las cianobacterias, tanto desde una perspectiva mecanicista como ecológica.
Estudios anteriores han demostrado que las bacterias tienen una versión de un reloj biológico, que podría permitirles medir las diferencias en la duración del día y la noche, lo que ofrece una ventaja evolutiva.
Este estudio, que aparece en Science, es la primera vez que alguien demuestra que el fotoperiodo en las bacterias ha evolucionado para anticipar las señales estacionales.
A partir de estos hallazgos se abre un horizonte totalmente nuevo para la exploración científica. Una pregunta clave es: ¿cómo logra un organismo con una vida útil de entre seis y 24 horas desarrollar un mecanismo que le permita no sólo reaccionar ante condiciones futuras, sino también anticiparlas?
“Es como si estuvieran enviando señales a sus células hijas y nietas, transmitiéndoles información de que los días se están acortando y que es necesario hacer algo”, dijo el Dr. Jabbur.
La Dra. Jabbur y sus colegas del Centro John Innes, como parte de su beca de descubrimiento BBSRC, utilizarán cianobacterias como una especie modelo de reproducción rápida para comprender cómo las respuestas fotoperiódicas podrían evolucionar en otras especies durante el cambio climático, con posibles aplicaciones en cultivos importantes.
Una parte fundamental de este trabajo será comprender mejor los sistemas de memoria molecular mediante los cuales se transmite la información de generación en generación en las especies. La investigación estudiará la posibilidad de que una acumulación de compuestos durante la noche en días cortos actúe como un interruptor molecular que desencadene un cambio hacia una fisiología o fenotipo diferente.
Para la Dra. Jabbur, estos hallazgos constituyen un gran avance científico al inicio de su carrera, frente al escepticismo inicial de su mentor científico y autor correspondiente del artículo, el profesor Carl Johnson.
“Además de ser una persona fascinante y una inspiración, Carl canta en el Coro Sinfónico de Nashville y tiene una risa operística. Esto resonó en todo el departamento cuando expuse por primera vez mi idea del desafío helado, para ver si el fotoperíodo era una señal para las cianobacterias en su elemento natural”, dijo el Dr. Jabbur.
“Para ser justos, me dijo que me fuera y lo intentara, y mientras me iba, me mostró un cartel en su puerta con la cita de Frank Westheimer: 'El progreso lo logran los científicos jóvenes que llevan a cabo experimentos que los viejos científicos dicen que no funcionarían'.
“Funcionó la primera vez. Luego repetí los experimentos. Hay algo muy valioso en mirar una serie de placas con bacterias y darte cuenta de que en ese momento sabes algo que nadie más sabe”.
