1. Ambientes extremos hipersalinos

En el Laboratorio de Geomicrobiología y Biotecnología del CIBNOR hemos estado interesados en conocer la diversidad filogenética y funcional de Bacterias y Arqueas de ambientes extremos hipersalinos de la Reserva de la Biosfera El Vizcaíno, Baja California Sur, con propositos en ecología y biotecnología. En partícular microorganismos del tipo arquea productores de gas metano (metanógenas) y bacterias que acumulan polihidroxialcanoatos (PHA), moléculas que presentan propiedades similares a los plásticos convencionales como el poliéster y el polipropileno de origen petroquímico.

2. Producción de metano en ambientes hipersalinos

La producción de metano por microorganismos, metanogénesis, es un proceso de gran importancia en la investigación biotecnológica hacia la búsqueda de fuentes alternativas de combustibles. Además, juega un papel central en la degradación completa de la materia orgánica. Aunque este proceso ha sido ampliamente estudiado, nuevos filotipos y especies de arqueas metanogénicas han sido recientemente descubiertas, lo cual motiva a la aplicación de nuevas herramientas para contribuir con la comprensión de estos nuevos linajes filogenéticos. El conocimiento que se tiene sobre la metanogénesis en ambientes hipersalinos de Baja California Sur, indica que son bajas las concentraciones de gas metano (0.25% al 26%) en muestras de gas ambiental, pero se han determinado las condiciones para estimular la producción de metano a escala de laboratorio, utilizando tapetes microbianos y trimetilamina como fuente de carbono. También, se conoce que las arqueas metanógenas dominantes pertenecen a los géneros Methanohalophilus, Methanococcoides y Methanolobus. Sin embargo, nuevas investigaciones revelaron dos nuevos linajes de arqueas metanógenas que probablemente utilicen H₂/CO₂, relacionados con el Orden Methanomicrobiales, emparentados con el género Methanogenium, que son estrictamente hidrógenotróficos.

3. Biósfera rara en los tapetes microbianos y nuevos phyla metanogénicos.

El desarrollo de métodos independientes de cultivo para evaluar diversidad microbiana y la bioinformática proporcionan acceso a datos genómicos de un gran número de linajes, revolucionando el conocimiento de la diversidad y el potencial metabólico de los microorganismos en el ecosistema (figura 1). Actualmente, los tapetes microbianos albergan miles de especies de microorganismos, donde la gran mayoría son desconocidos, no cultivables, con bajas abundancias relativas, constituyendo la denominada “materia oscura microbiana”, o “biosfera rara”, término empleado arbitrariamente para referirse a la diversidad de miembros de una comunidad microbiana con abundancias relativas típicamente, entre 0.1 y 1.0 % de la comunidad total. No obstante, estos microorganismos desempeñan un papel esencial para el funcionamiento y estabilidad de la comunidad, actuando como reservorios casi ilimitados de diversidad genética y funcional e impulsando los ciclos biogeoquímicos a escala global.

La rareza se puede explicar desde varias perspectivas tanto bióticas, como abióticas. Dentro de los aspectos no estocásticos, que no dependen de un parámetro, la rareza puede tener su origen en la existencia de especies altamente especializadas y por lo tanto con un nicho muy restringido, que serán muy abundantes en pocos hábitats pero muy raros en otras condiciones. Por esta razón, cuando el interés es hacia la búsqueda de funciones emergentes en los ecosistemas, la biosfera rara es utilizada generalmente para la búsqueda de este tipo de información. Hasta hace poco, todas las arqueas metanógenas estaban agrupadas en el Phylum Euryarchaeota y se clasificaban en dos clases (Clase I y Clase II). Sin embargo, nuevos órdenes de arqueas metanógenas bien establecidos han sido incorporados en este grupo de microorganismos, de los que destacan Methanofastidiosa y Methanomassiliicoccales, ambos incluidos en el Phylum Euryarchaeota, pero no en los metanógenos de Clase I o II. Además, miembros de Bathyarchaeota y Verstraetearchaeota, ambos del superphylum TACK, también pueden incluir microrganismos productores de metano. El análisis y descripción de estos linajes ha tenido un fuerte impacto en la sistemática de las arqueas metanógenas, lo que ha llevado a la propuesta de nuevos clados a diferentes niveles taxonómicos y ha proporcionado información clave para comprender el origen de este grupo de gran relevancia ecológica y las trayectorias evolutivas que han dado forma a la diversidad actual. Dado que la presencia de linajes novedosos de arqueas metanógenas en tapetes microbianos de ambientes hipersalinos aún no se ha evaluado de forma sistemática, ampliar el conocimiento acerca de la distribución ambiental de este tipo de microorganismos seguramente contribuirá con su taxonomía y ecología.

4. Perspectivas

Se busca ampliar el conocimiento sobre la diversidad microbiana que incluye la biosfera rara y el metabolismo desconocido de las arqueas metanogénicas en ambientes hipersalinos, a través de enfoques metagenómicos e isotópicos, con la intención de expandir el conocimiento sobre las rutas metabólicas no exploradas involucradas en la producción del metano por la fracción de arqueas de baja abundancia relativa en tapetes microbianos. Se espera que el uso de enriquecimientos promueva el desarrollo de metanógenos, que usan fuentes de carbono con un grupo CH₃, dependientes de hidrógeno. Además, el análisis metagenómico de muestras ambientales permitirá ensamblar genomas de los microorganismos más representativos y dilucidar in silico, con diferentes programas bioinformáticos, las rutas metabólicas involucradas en la metanogénesis (figura 1). La metagenómica podría revelar la presencia de microorganismos con funciones de interés para posibles aplicaciones biotecnológicas.

Figura 1. Esquema de la metodología empleada en estudios metagenómicos, para la caracterización de la composición y estructura microbiana, anotación de genes funcionales y filogenia de comunidades microbianas de tapetes laminados. ADN= Ácido desoxirribonucleico; PCR = Reacción en Cadena de la Polimerasa. Fuente: elaborado por José Q. García Maldonado, Patricia J. Ramírez Arenas y Ricardo Vázquez Juárez.

5. Ecología y bioprospección de microorganismos

Mis áreas de conocimiento son la Microbiología y la Biotecnología, con especialidades en Ecología, Sistemática, Biofertilizantes, Probióticos en acuícultura, Biocombustibles y Bioplásticos. Hemos contribuido al conocimiento de la estructura y función de comunidades microbianas de tapetes microbianos laminados de ambientes extremos hipersalinos, cortezas microbióticas de zonas áridas, manantiales termales. También, hemos estudiado los microbiomas de invertebrados crustáceos como: Artemia franciscana, Nyctiphanes simplex y Litopenaeus vannamei. En biotecnología contamos con un prototipo de bioplástico basado en polihidroxibutirato y una marca registrada.

Los eventos nocivos relacionados con dinoflagelados epibentónicos, tanto en zonas tropicales como subtropicales, son cada vez más frecuentes e intensos y están ampliando su área de influencia a latitudes templadas. Esta riesgosa situación pone en alerta a la comunidad científica, debido a que las toxinas que producen estos dinoflagelados han afectado la salud humana y ambiental durante décadas y aún no se cuenta con protocolos de manejo adecuados. Este retraso se debe al escaso conocimiento sobre las toxinas involucradas y de las especies que las producen. De hecho, la taxonomía de los géneros con mayor potencial tóxico actualmente está en revisión, debido a la gran similitud morfológica entre los taxones ya descritos y al descubrimiento, mediante métodos moleculares, de nuevas especies que no han sido descritas morfológicamente.

En México las investigaciones sobre dinoflagelados nocivos se han enfocado primordialmente a las especies planctónicas, y aunque está confirmada la presencia de especies epibentónicas potencialmente tóxicas, los estudios taxonómicos y biológicos son limitados y se han realizado principalmente en zonas costeras de la península de Yucatán.

Esta temática de investigación pretende:

• Aportar conocimiento sobre la composición de especies de dinoflagelados epibentónicos potencialmente nocivos en la Bahía de La Paz, Golfo de California
• Aislar y mantener cepas en cultivo
• Definir las características ecofisiológicas que determinan su potencial de crecimiento y persistencia

A la fecha se han establecido 67 cepas de dinoflagelados epifitos, de éstas 39 están identificadas con base a morfología y tabulación, destacando por su potencial toxígeno y/o por no haber sido previamente observados en la región: Amphidinium operculatum, Bysmatrum gregarium, Coolia canariensis, Fukuyoa yasumotoi, Gambierdiscus cf. carolinianus, G. cf. carpenteri, Prorocentrum concavum, P. fukuyoi, P. lima, P. rhathymum, Ostreopsis marina y O. ovata.

Los resultados de secuenciación genética (28S ADNr de la subunidad mayor ribosomal), en combinación con análisis morfo-métricos y tabulares, validan la identidad taxonómica de especies de los géneros Coolia, Gambierdisus, Ostreopsis y Prorocentrum con potencial toxígeno y/o que no habían sido previamente documentadas en México. Para el caso particular del género Coolia, nuestros recientes avances en la investigación fortalecen la comprensión biogeográfica y de composición de especies. Tanto los análisis filogenéticos como los morfométricos, revelaron un conjunto de especies constituido por Coolia malayensis, C. palmyrensis, C. tropicalis, y el linaje C. cf. canariensis, con el primer reporte de C. palmyrensis y C. cf. canariensis en México y de C. tropicalis en el Golfo de California (https://doi.org/10.4490/algae.2022.37.9.2).