Sallie W. Chisholm, la “mare” del Prochlorococcus, una microalga d’importància cabdal en la fotosíntesi

El proper dilluns al vespre, el president Mas lliurarà el Premi Ramon Margalef d’Ecologia a l’oceanògrafa nord-americana Sallie W. Chisholm. Es tracta del reconeixement de la Generalitat a la tasca d’aquesta doctora en biologia que ha obtingut nombrosos guardons pels seus estudis i descobriments sobre organismes fotosintètics dominants en l’oceà.  Chisholm ha demostrat els efectes negatius de la fertilització de l’oceà a través de l’addició de ferro, un mètode proposat per a l’eliminació de diòxid de carboni de l’atmosfera –causant del canvi climàtic-, argumentant que aquest enfocament podria alterar significativament les xarxes tròfiques marines i els cicles biogeoquímics.

Una de les seves aportacions més importants a la biologia marina ha estat el descobriment d’una microalga fotosintètica que viu en els oceans càlids, inclòs el mar Mediterrani, anomenat Prochlorococcus. Fa poques dècades ningú no sospitava de la seva existència. Ara, gràcies a ella, sabem que la major part de la fotosíntesi en el nostre planeta no es produeix en els boscos sino en el mar. La fan aquestes microalgues –o cianobacteris- que, a través d’aquest procés són capaces d’absorbir bona part del diòxid de carboni de l’atmosfera i, per tant, actuen com a embornal de CO2.

Ella mateixa ens explica, de manera planera, com va descobrir la microalga en aquest article publicat a Microbe l’any 2011.

El descobriment de Prochlorococcus

Desconegut fa només 25 anys, aquest destacable organisme, ben abundant, s’encarrega de realitzar una part considerable de la fotosíntesi en el nostre planeta.

Fa pocs anys, la meva perruquera (que mica en mica s’ha convertit en part integrant de la meva vida) finalment va tenir el coratge de preguntar-me sobre la meva recerca. Li vaig explicar que estudiem un microorganisme molt petit que viu a la superfície de l’oceà, una diminuta planta unicel·lular que es va descobrir fa només 25 anys. «Esteu estudiant el mateix organisme des de fa 25 anys? Deu ser molt avorrit, això!», va dir mentre passava la tisora pels meus cabells per enèsima vegada.

Resulta difícil explicar l’emoció d’estudiar el Procholorococcus; només amb el nom ja n’hi ha prou per acabar qualsevol conversa. Però, lluny de ser avorrit, l’estudi d’aquesta cèl·lula petita i extraordinària és com obrir un regal dia rere dia. Un regal i una responsabilitat. Quan la gent em pregunta sobre el tema acostumo a llençar el meu discurs d’«importància de la fotosíntesi» i intento convèncer els meus interlocutors que gairebé tota la vida de la Terra prové de la fotosíntesi: convertir la llum del Sol, l’aire i l’aigua en vida. Si ho aconsegueixo, que no és una tasca fàcil, passo a explicar que la meitat de la fotosíntesi mundial la fa el fitoplàncton microscòpic dels oceans, i que el Prochlorococcus és el membre més petit i més abundant d’aquest «bosc invisible». Hi ha més d’un quadrilió de Prochlorococcus en els oceans del planeta, i no sabíem que existia fins fa només unes dècades. A la gent li costa creure això; i a mi també em costaria si no hagués tingut la sort de ser testimoni de tota la història.

Igual que molts avenços científics, el descobriment de Prochlorococcus va implicar noves tecnologies, enfocaments diversos, treball en equip i una certa dosi de sort. Fins fa uns 40 anys crèiem que tot el fitoplàncton tenia un diàmetre d’entre 5 i 100 µm, perquè això és el que podíem veure amb facilitat amb els microscopis. A la dècada de 1970, els avenços en microscòpia van mostrar que els oceans eren plens de cèl·lules fotosintètiques encara més petites, d’aproximadament 1 µm de diàmetre, i que eren 10 vegades més abundants que el fitoplàncton més gran.

A causa dels seus pigments poc habituals, aquestes cèl·lules, que van rebre el nom de Synechococcus, apareixien com a petits llums de color taronja. Les imatges amb més resolució de poblacions de Synechococcus van mostrar variants subtilment diferents; una de les més petites era més abundant en aigües profundes i es veia més verda que no pas taronja en els filtres de recol·lecció. Ara sabem que es tractava de Prochlorococcus, però tal com passa sovint amb els descobriments importants, la seva fotografia, publicada en una revista, va passar desapercebuda durant una dècada. Més o menys per la mateixa època, uns oceanògrafs neerlandesos van descobrir un «derivat clorofíl·lic no identificat» en mostres del Mar del Nord especialment abundants en partícules de mida inferior a 1 µm. En realitat es tractava d’un pigment que ara ja sabem que és característic de Prochlorococcus, però en aquell moment els oceanògrafs no ho podien saber.

Més d’una dècada més tard, les peces del trencaclosques de Prochlorococcus van començar a encaixar. Els oceanògrafs disposaven ja d’un instrument que empra làsers per estudiar els pigments i les propietats de difusió de la llum dels microbis en l’aigua de mar. Era l’eina ideal per estudiar el Synechococcus, a causa de la seva característica pigmentació taronja, i per això vam decidir treballar-hi. Després d’uns quants anys, vam començar a notar alguns senyals que destacaven per sobre del soroll electrònic de l’instrument i suggerien la presència de cèl·lules que no eren pas de color taronja, sinó verdes. Durant un temps, no els vam tenir en compte, atès que pensàvem que solament era una amplificació del soroll. Finalment, però, ens vam adonar que els senyals eren més intensos en mostres d’aigües profundes, on una cèl·lula necessita més quantitat de pigment per recollir l’escassa llum solar. Aquest fet era prou significatiu; aviat va quedar clar que es tractava de microbis fotosintètics presents en les aigües oceàniques, més petits que Synechococcus, amb un pigment diferent i deu vegades més abundants: hi havia 100 milions d’aquestes cèl·lules en un litre d’aigua de mar.

Durant els anys següents vam determinar que eren precisament aquestes cèl·lules les que s’havien fotografiat una dècada abans i s’havien considerat com a variants de Synechococcus. També vam descobrir que contenen divinil clorofil·la, amb unes propietats idèntiques als «derivats clorofíl·lics» que els oceanògrafs neerlandesos havien observat feia anys travessant els seus filtres d’1 µm. Més endavant vam descobrir que les cèl·lules també contenen clorofil·la b, un pigment que es troba habitualment a les «plantes verdes» terrestres. Amb un cert afecte, vam començar a anomenar les nostres noves cèl·lules «verdets» (little greens). La seva estructura detallada tenia una semblança extraordinària amb la dels cloroplasts, els petits orgànuls ovalats de les cèl·lules vegetals on es produeix la fotosíntesi, que se sap que provenen de cèl·lules microbianes mitjançant un procés de simbiosi. Fins al moment no s’havia trobat mai cap microbi que, alhora, semblés un cloroplast i contingués la reveladora clorofil·la b. Que potser havíem trobat la baula perduda? Eren els nostres «verdets» un fòssil vivent? Abans de poder respondre totes aquestes preguntes, però, havíem de batejar aquestes cèl·lules; vam escollir Prochlorococcus ‘petits progenitors arrodonits dels cloroplasts’. Aviat ens n’hauríem de penedir.

Més o menys en aquells anys s’estava produint una revolució en la biologia evolutiva. Els científics havien vist que el grau de relació entre organismes es podia mesurar comparant seqüències de DNA de determinats gens que comparteixen tots els éssers vius. Gràcies a la seqüenciació d’aquests gens en Prochlorococcus podíem preguntar-nos directament: comparteix Prochlorococcus un ancestre comú recent amb els cloroplasts de les plantes superiors? La resposta que vam obtenir va ser «no». El parent més proper de Prochlorococcus és Synechococcus, un resultat sens dubte poc sorprenent, i cap dels dos gèneres comparteix un ancestre comú recent amb els cloroplasts. Havíem tornat al punt de partida. Prochlorococcus és simplement una versió més petita de Synechococcus, amb un conjunt de pigments poc habitual. Ara bé, quan un microbi rep un nom, costa molt canviar-lo, de manera que es va quedar com a Prochlorococcus.

Les primeres cèl·lules de Prochlorococcus aïllades en un cultiu procedien del Mar dels Sargassos. Poc després se’n van aïllar d’altres procedents d’aigües superficials de la Mediterrània, i les soques es van batejar SS120 i MED4, respectivament. Aviat va quedar clar que, tot i que ambdues compartien la signatura característica de Prochlorococcus, MED4 i SS120 no eren iguals: MED4 podia proliferar sota intensitats de llum que mataven SS120, mentre que SS12 podia créixer en unes condicions d’intensitat de llum extremadament baixa, en les quals MED4 no podia proliferar; en altres paraules, les cèl·lules estaven adaptades a les intensitats de llum que hi ha en el lloc en què es van capturar. Els anomenem «ecotips» adaptats a alta i baixa intensitat de llum, respectivament. Mica en mica vam arribar a la conclusió que, gràcies a aquesta disposició en capes dels ecotips, els individus del gènere Prochlorococcus podien omplir els 200 m de profunditat il·luminada per la llum solar en els oceans. N’havíem capturat dos; quants més hi havia? Es diferenciaven d’altres maneres, també?

Durant els anys següents vam aïllar més soques de Prochlorococcus procedents de molts oceans i profunditats diferents. En vam seqüenciar els gens característics i els vam emprar per construir una mena d’arbre genealògic. Les soques es podien separar en dos grans grups: les adaptades a intensitat de llum alta i les adaptades a intensitat de llum baixa. Dins del grup adaptat a alta intensitat hi havia dos agrupaments addicionals; què els diferenciava? Ens vam fer a la mar i en vam cartografiar la distribució al llarg d’un transsecte de l’Oceà Atlàntic, deixant que les cèl·lules ens diguessin, per mitjà de les seves abundàncies relatives, a quins entorns estaven més ben adaptades. El resultat fou clar: un ecotip era dominant en les aigües càlides tropicals i subtropicals i l’altre, en les aigües fredes de latituds altes. Experiments addicionals van mostrar que les soques no diferien solament en les seves preferències tèrmiques, també ho feien en la seva capacitat d’explotar diferents fonts de nitrogen i de fòsfor. Així doncs, Prochlorococcus és una mena de «federació», que es reparteix els oceans en funció de la llum, la temperatura i els nutrients. Ara calia determinar quins camins evolutius havien seguit aquestes cèl·lules.

Mentre fèiem créixer els cultius i navegàvem amb calma, es va completar i publicar la seqüència completa del genoma humà, que conté uns 20.000 gens. Això va deixar lliures molts aparells de seqüenciació, disponibles per a altres projectes, i gràcies a la seva petita mida, la seva capacitat fotosintètica i el seu abast mundial, Prochlorococcus MED4 va ser un dels primers microbis dels quals es va seqüenciar completament el genoma. Malgrat l’emoció de disposar d’aquesta oportunitat, no podia deixar de pensar, absurdament, que estàvem violant la intimitat d’aquestes petites cèl·lules que havien vagat pels oceans durant milions d’anys sense que ningú no hi parés esment. Els meus sentiments es van convertir en responsabilitat, la necessitat de garantir el respecte que mereixen. Certament, amb el temps crees vincles afectius amb les «teves» cèl·lules.

La primera cosa que vam descobrir gràcies al projecte de seqüenciació del genoma va ser que MED4 és molt eficient, fins i tot per ser un microorganisme, ja que només conté uns 1.700 gens. Pel que sabem, això és la quantitat mínima d’informació (el DNA és simplement informació en forma química) que cal per crear vida a partir de components bàsics: llum solar, diòxid de carboni, aigua i altres nutrients fonamentals obtinguts de l’aigua de mar. Aquesta cèl·lula és realment vida «destil·lada». Com a organisme fotosintètic, pot fer una cosa que els humans no podem, ni tan sols amb la nostra tecnologia: descompondre l’aigua per mitjà de la llum solar i obtenir-ne hidrogen i oxigen. I tot això només amb 1.700 gens.

En l’estudi de l’evolució, les respostes sovint es troben en les diferències que hi ha entre les coses, de manera que vam seqüenciar els genomes de dotze soques de Prochlorococcus de tot l’arbre genealògic i vam trobar que totes comparteixen 1.200 gens. Aquest és el nucli bàsic, el fonament del que significa ser un Prochlorococcus. Cada soca té, a més, entre 500 i 1.200 gens addicionals, alguns dels quals (però no tots) compartits amb els seus cosins; aquests gens que no formen part del paquet bàsic són els que donen a cada soca el seu caràcter particular. Per exemple, alguns determinen quins nutrients pot absorbir la cèl·lula; altres, com protegir-se d’intensitats altes de llum; i altres, quin aspecte presenta la seva superfície externa als depredadors. Tot i així, la funció de la majoria d’aquests gens addicionals encara és un misteri, i el fet és que contenen pistes importants per comprendre les causes de la gran abundància i persistència de Prochlorococcus en els oceans; a més, ens podrien dir moltes coses sobre les forces selectives que han donat forma a la composició actual i passada dels oceans. Podem considerar aquestes petites cèl·lules com a «periodistes» que utilitzen un llenguatge que només entenem a mitges.

L’enorme quantitat d’aquests periodistes, i els gens que contenen, és sorprenent. Hi ha més d’un quadrilió de cèl·lules de Prochlorococcus en els oceans arreu del món. Fins ara, cada nova soca que se n’ha seqüenciat, ha revelat una mitjana de 200 gens completament nous. Així doncs, la mida del patrimoni gènic de tota la «federació» de Prochlorococcus (el que anomenem pangenoma) deu ser enorme. Que potser cada cèl·lula és única, com un floc de neu? Ja sabem que això és impossible, perquè les cèl·lules es reprodueixen fent còpies exactes d’elles mateixes; cada una creix durant el dia, acumulant energia del Sol, i cada nit es divideix en dues. Totes ho fan alhora, coordinades amb l’arribada diària d’energia solar. Per cada cèl·lula que es produeix, n’hi ha una altra que és consumida per petites cèl·lules depredadores, que les necessiten com a aliment. Això manté estable la població de Prochlorococcus i inicia el flux d’energia a través de la cadena tròfica marina.

Com que es reprodueixen fent còpies idèntiques d’elles mateixes, sabem que en qualsevol instant de temps ha d’haver-hi llinatges de cèl·lules idèntiques de Prochlorococcus en els oceans. Però quants? Quina és la taxa de canvi genètic i com es produeix? Malgrat que no disposem de respostes a aquestes preguntes, sí que estem trobant algunes pistes en el lloc on menys ens ho esperàvem: els virus. Hi ha milions de virus en un mil·lilitre d’aigua oceànica, alguns dels quals utilitzen Prochlorococcus com a hoste. Un virus no és res més que un conjunt rudimentari de gens embolcallat amb una coberta de proteïnes; per tal de reproduir-se, ha d’injectar el seu DNA en una cèl·lula hoste, assumir el control de la seva maquinària i utilitzar-la per fabricar més virus. De vegades, el DNA víric s’uneix al genoma de l’hoste i es manté a l’espera fins que arriba el moment de prendre’n el control i començar a produir més virus. De tant en tant, hoste i virus intercanvien gens i, si no representen cap desavantatge per a cap dels dos, el gen intercanviat roman en el receptor durant generacions. És clar, però, que allò que és un avantatge per al virus ha de ser un inconvenient per a la cèl·lula hoste que infecta amb èxit; ara bé, suposem que aquesta cèl·lula té molts clons idèntics en l’oceà (cèl·lules germanes i filles) que en conservaran l’herència gènica i, molt probablement, mai no tornaran a trobar-se aquest virus concret. Així, podem considerar que el paper d’una cèl·lula hoste és simplement el de conservar la diversitat de la «federació» tot mantenint enfeinats els intercanviadors de gens. I, precisament, l’intercanvi de gens al llarg del temps i de l’espai podria ser un dels processos clau per mantenir l’estructura, l’estabilitat i la diversitat mundial de la federació Prochlorococcus.

Quan observo els nostres cultius de Prochlorococcus al laboratori, amb el seu color verd maragda, ràpidament em vénen al cap els seus cosins salvatges, navegant lliurement per l’oceà, i penso que, tot i representar una fracció prou respectable de la fotosíntesi del planeta, van passar-nos desapercebuts fins fa unes poques dècades. Quines coses més d’aquesta magnitud ens deuen estar passant desapercebudes? Les trobarem abans que les activitats humanes dominin completament els oceans, tal com fem ara en terra ferma? Mentre escric aquestes ratlles, diverses empreses s’estan preparant per a projectes de fertilització dels oceans amb l’objectiu de provocar el creixement del fitoplàncton i, així, extreure diòxid de carboni de l’atmosfera i reduir l’escalfament global. Si aquests projectes es duen a terme a gran escala, podrien modificar radicalment la cadena tròfica marina. He explicat moltes vegades la meva posició que la fertilització oceànica comercial és una mala estratègia de mitigació climàtica. Alguns han argumentat, mig en broma, que les meves protestes són només la meva preocupació encoberta pels meus estimats Prochlorococcus. Ben al contrari, aquestes petites cèl·lules ja vivien al nostre planeta molt abans que nosaltres i segurament hi seguiran vivint després que ens hàgim extingit. Poden fotosintetitzar, prosperen en la diversitat, la seva federació es pot adaptar. Tal com va dir un dels meus estudiants de doctorat, tenen una estratègia que ha resistit la prova del temps: «créixer a poc a poc i resistir».

AGRAÏMENTS

Com que aquest text es va escriure originalment per a una audiència no científica, he omès citacions específiques per facilitar-ne la lectura. El «nosaltres» que he utilitzat de vegades es refereix a tot el camp de l’oceanografia biològica, de vegades als meus col·legues i de vegades (especialment cap al final) al meu grup de recerca i als nostres col·laboradors. Hi ha unes poques persones que van tenir un paper clau en la part inicial d’aquesta història i que cal esmentar personalment: Robert Olsen va ser el primer a reconèixer els «verdets» amb un citòmetre de flux, Ralph Goericke i John Waterbury van tenir un paper protagonista en la resolució del trencaclosques i Brian Palenik els va aïllar en un cultiu. Des d’aquells dies inicials, hi ha hagut moltes altres persones (massa per esmentar-les aquí) que han contribuït a esclarir la naturalesa de Prochlorococcus. Esperem que puguin continuar fent-ho!

Sallie W. Chisholm és titular de la càtedra Lee and Geraldine Martin d’estudis ambientals en els departaments d’Enginyeria Civil i Ambiental i Biologia de l’Institut Tecnològic de Massachusetts. Aquest article forma part d’una sèrie d’articles adaptats a partir d’un proper llibre de la Societat Americana de Microbiologia sobre Darwin, l’evolució i la microbio

Deixa un comentari

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

Esteu comentant fent servir el compte WordPress.com. Log Out / Canvia )

Twitter picture

Esteu comentant fent servir el compte Twitter. Log Out / Canvia )

Facebook photo

Esteu comentant fent servir el compte Facebook. Log Out / Canvia )

Google+ photo

Esteu comentant fent servir el compte Google+. Log Out / Canvia )

Connecting to %s