Genoma reducido - rendimiento flexible: cómo las bacterias simbióticas con información genética mínima ayudan a su huésped
A pesar de tener un genoma minúsculo, los simbiontes de los escarabajos de las cañas pueden adaptar su actividad génica de forma flexible a las fases de desarrollo y a la temperatura ambiente de sus huéspedes
Muchos insectos viven en simbiosis con determinadas especies de bacterias. Estas bacterias contribuyen de forma importante a la nutrición, digestión, desintoxicación, reproducción y defensa de sus huéspedes. Debido a su estrecha coexistencia con los insectos, los simbiontes suelen perder genes de productos metabólicos que también les proporcionan sus huéspedes a lo largo de su coevolución. Un ejemplo de ello son los simbiontes de los escarabajos de las cañas, que conservan un genoma muy pequeño que sólo contiene genes importantes para el desarrollo del escarabajo. Curiosamente, las larvas y los adultos del escarabajo tienen dietas diferentes: las larvas chupan savia de raíz pobre en aminoácidos, mientras que los adultos comen hojas y flores con paredes celulares difíciles de digerir. Las bacterias simbióticas ayudan a las larvas produciendo aminoácidos, complementando así su dieta. También ayudan a los escarabajos adultos produciendo una enzima que descompone las paredes celulares de las plantas. Sin embargo, no todos los simbiontes benefician a ambas fases de la vida.
Servicios simbióticos variables prestados por las bacterias
El Departamento de Simbiosis de Insectos, dirigido por Martin Kaltenpoth, ha estudiado con más detalle los simbiontes de los escarabajos de las cañas. Todos los escarabajos de las cañas albergan el mismo simbionte. Sin embargo, el equipo de investigación descubrió que, en algunos casos, este simbionte había perdido la capacidad de producir enzimas para descomponer la pared celular vegetal, difícil de digerir. La hipótesis de los científicos es que la producción de estas enzimas sólo es beneficiosa para los escarabajos adultos.
Existen dos tipos de asociaciones simbióticas en los escarabajos de las cañas. Por un lado, hay especies de escarabajos en las que el simbionte beneficia a ambas fases de la vida; por otro, hay otras en las que sólo las larvas se benefician directamente del simbionte. Inicialmente, queríamos entender si la expresión génica del simbionte corroboraría esta hipótesis, y si la regulación de la expresión génica del simbionte diferiría entre especies con uno o dos beneficios - y, dado el pequeño tamaño total del genoma, si tal regulación es incluso posible", dice la primera autora Ana Carvalho, resumiendo el enfoque inicial de su estudio.
La actividad génica de los simbiontes de los escarabajos de caña se adapta a las necesidades de los escarabajos en las distintas fases de su desarrollo.
Ana Carvalho y sus colegas utilizaron la secuenciación del ARN, ensayos de actividad enzimática e hibridación fluorescente in situ (FISH) para examinar la expresión génica, la actividad digestiva en los escarabajos y sus simbiontes, así como la localización y la forma celular de los simbiontes en cuatro especies de escarabajos de caña en distintas fases de desarrollo.
"Descubrimos que el simbionte potenciaba de forma consistente la expresión de genes para la biosíntesis de aminoácidos durante la fase larvaria en cuatro especies de escarabajos de caña. También observamos una coordinación entre la expresión de las enzimas digestivas de la pared celular vegetal del hospedador y del simbionte durante la etapa adulta del hospedador, lo que pone de relieve cómo el ajuste fino de la expresión génica del simbionte puede optimizar la provisión de beneficios del simbionte", afirma Ana Carvalho.
El equipo no sólo fue capaz de detectar la expresión génica alterada en diferentes etapas del desarrollo del escarabajo, sino que también utilizó técnicas de imagen para demostrar que el simbionte cambia su forma celular durante su ciclo vital. Esto puede estar relacionado con su función metabólica alterada durante las fases larvaria y adulta del escarabajo hospedador.
Plasticidad en la expresión génica incluso en condiciones ambientales alteradas
Como las investigaciones se centraron en determinar si el simbionte puede regular su expresión génica a pesar de su pequeño genoma, el equipo de investigadores también examinó las posibles diferencias en respuesta a las fluctuaciones de temperatura que experimentan los escarabajos de las cañas durante su ciclo vital. Para ello, los investigadores expusieron larvas de escarabajo de caña a dos ciclos de temperatura diferentes durante un mes, con fluctuaciones entre 12 °C y 8 °C, y entre 22 °C y 14 °C, respectivamente. A pesar de que el genoma y el aparato regulador eran muy reducidos, surgió un claro patrón de expresión génica dependiente de la temperatura. El simbionte era capaz de activar genes diferentes en función de la temperatura. En condiciones de frío, por ejemplo, el simbionte activó un mecanismo de estrés que suele responder al calor en las bacterias de vida libre, pero que en este caso parece haber evolucionado para responder al estrés por bajas temperaturas.
Aunque el estudio responde a muchas preguntas, también plantea otras nuevas. ¿Qué funciones tienen los restantes interruptores génicos (factores de transcripción) de los simbiontes y cómo se controlan determinados genes en su ausencia? ¿Por qué cambian de forma los simbiontes y qué ventajas les reporta esto a ellos y a su huésped? Se necesitan más experimentos con escarabajos de caña o modelos insecto-bacteria más fáciles de estudiar para aclarar esto.
"Nuestros hallazgos revelan que los pequeños genomas de simbiontes pueden regular algunos procesos muy importantes, demostrando que se puede mantener un metabolismo regulado con un conjunto mínimo de genes. Ahora nos gustaría obtener una comprensión más fundamental de cómo funciona exactamente la coordinación metabólica entre huésped y simbionte", resume Martin Kaltenpoth.
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