Se revelan los secretos de la fotosimbiosis
La simbiosis entre organismos hospedadores unicelulares heterotrópicos y microalgas fotosintéticas (fotosimbiosis) es un fenómeno generalizado y ecológicamente importante del plancton que vive en las capas de los océanos iluminadas por el sol. Los anfitriones simbióticos pueden recibir alimentos de sus algas simbiontes. Estos organismos desempeñan un papel fundamental en los ciclos biogeoquímicos marinos al contribuir a la acción depredadora y a la producción primaria. El conocimiento de la diversidad de los socios simbióticos ha aumentado recientemente, pero siguen sin conocerse apenas sus interacciones metabólicas. El proyecto MINOTAUR, financiado con fondos europeos al amparo de Horizonte 2020, analizó la base metabólica de la fotosimbiosis del plancton utilizando radiolarios como modelo ecológico. El objetivo era conocer mejor cómo funciona esta asociación y su contribución al ciclo elemental del ecosistema pelágico. Las asociaciones entre organismos fotosintéticos son fundamentales para proporcionar carbono orgánico al agua oceánica y forman sumideros de dióxido de carbono. «Estas simbiosis son como pequeñas fábricas donde se reciclan internamente carbono, nitrógeno, fósforo y metales traza, que son elementos esenciales para la vida. Comprender su función en la simbiosis nos ayudará a entender el funcionamiento mecánico y los acontecimientos evolutivos, como la adquisición de cloroplastos», afirma el coordinador del proyecto, el Dr. Johan Decelle. Se revelan los genes y las vías fundamentales Los investigadores utilizaron imágenes de microscopía de alta resolución para examinar e identificar los mecanismos morfológicos y metabólicos que se producen en las células simbióticas. «Este enfoque nos permite distinguir y cuantificar la función fisiológica de cada socio a nivel de nanoescala, lo cual actualmente no es posible usando métodos genómicos», explica el Dr. Decelle. Los científicos aplicaron un innovador método de célula única con isotopos estables y técnicas de imagenología química de alta resolución para visualizar de forma simultánea las estructuras celulares e identificar su función metabólica. A continuación, cuantificaron la asimilación y la transferencia de nutrientes entre los socios en distintas condiciones experimentales. Este mismo enfoque se aplicó a simbiontes de vida libre para determinar el control del anfitrión sobre el metabolismo simbionte. Todavía se están llevando a cabo análisis bioinformáticos para identificar las vías y los genes metabólicos fundamentales a partir de los transcriptomas disponibles de los radiolarios, lo que permitirá desarrollar una visión holística de las interacciones metabólicas. El transcriptoma representa la suma total de todas las moléculas de ARN mensajero expresadas por los genes del organismo. Cada una de estas técnicas tiene su propio programa específico para analizar e interpretar los comentarios de los datos. «Por ejemplo, podemos calcular y comparar el contenido de nitrógeno o de fósforo de distintas estructuras celulares, como el cloroplasto o el núcleo, a partir de una imagen obtenida con espectrometría de masas de iones secundarios a nanoescala. También se utiliza un análisis bioinformático para procesar las imágenes tridimensionales del microscopio electrónico y reconstruir la organización estructural de las células en tres dimensiones», comenta el Dr. Decelle. Exploración del interior de las células Las observaciones bajo el microscopio electrónico revelaron un cambio morfológico radical en las microalgas simbióticas dentro de la célula hospedadora, especialmente en su aparato fotosintético. «Las imágenes químicas nos permitieron visualizar y cuantificar la composición elemental e isotópica de las células a resolución subcelular para descifrar las interacciones metabólicas entre el anfitrión y sus simbiontes fotosintéticos», señala el Dr. Decelle. El principal resultado del proyecto es la capacidad para observar y mapear los nutrientes y las moléculas del interior de las células a nanoescala, lo cual pone de relieve fenómenos clave de la interacción simbiótica a nivel subcelular. «Si bien estos organismos están ampliamente distribuidos y son relativamente abundantes en la superficie de los océanos, nuestros hallazgos ofrecen una primera imagen de la química y del interior de la ultraestructura celular», afirma el Dr. Decelle. «La transformación morfológica de las microalgas dentro de una célula hospedadora revelada por el novedoso microscopio electrónico constituye también un hallazgo importante». MINOTAUR ha llevado más lejos los límites de la investigación biológica marina al integrar los conocimientos sobre la biodiversidad y la fisiología con los estudios ecológicos. Esto nos permitirá tener una perspectiva más clara sobre el funcionamiento de los ecosistemas acuáticos y sus respuestas a las diferentes tensiones medioambientales, como el aumento de la temperatura y la limitación de nutrientes.
Palabras clave
MINOTAUR, fotosimbiosis, bioinformático, microalgas, radiolarios
