Estás en la playa y aprieta el calor. Sin dudarlo, te sumerges en el agua cuasi-cristalina y disfrutas del frescor inmediato que invade tu cuerpo (ejem, más bien frío en latitudes Canarias). Miras a través del agua hacia el fondo y observas a un par de peces que pasean descuidados. Por lo demás todo está hoy muy tranquilo: solo rocas, arena y agua. 

Pero esto no es más que una ilusión. Si dispusieras de unas gafas especiales de visión microscópica, por ahora imaginarias, observarías que el agua a tu alrededor bulle de actividad. Tanta, que contarías más microbios en el agua contenida en la palma de tu mano que habitantes residentes en España. Y es que los océanos están repletos de muy diversos microorganismos: bacterias, arqueas, hongos y protistas, y también de muchos virus pero estos, técnicamente, no son organismos. De hecho, los microorganismos engloban la mayor parte de la biodiversidad de los océanos. La diversidad se refiere no solo a la gran variedad de especies (diversidad taxonómica), sino también a las funciones que desempeñan (diversidad funcional). 

Los microorganismos marinos son capaces de sobrevivir en todo tipo de ambientes; desde las aguas superficiales, donde llega la luz y abunda el oxígeno, hasta el interior de fuentes hidrotermales, a varios kilómetros de profundidad y temperaturas superiores a los cien grados centígrados. Además, debido a su abundancia y su diversidad funcional, los microorganismos se sitúan en la base de los ecosistemas, generando y reciclando los nutrientes necesarios para sustentar al resto de la vida marina.

«No sólo son diminutos, sino que, además, la mayoría de las veces no se pueden cultivar en el laboratorio»

Estudiar las comunidades de microorganismos marinos, especialmente qué grupos taxonómicos están representados y qué procesos biológicos llevan a cabo, es crucial para comprender el rol que desempeñan en sus ecosistemas. Pero no es fácil observar los microorganismos marinos directamente. No sólo son diminutos, sino que, además, la mayoría de las veces no se pueden cultivar en el laboratorio — a diferencia de la mayoría de microbios patógenos humanos. Esta última limitación hace que la única forma de estudiar, o incluso descubrir, a estos microorganismos sea a través de su ADN, puesto que sí podemos extraer y secuenciar el ADN procedente de muestras de agua. La disciplina que analiza el ADN procedente de comunidades de microorganismos se conoce como metagenómica, y en este artículo te propongo una paseo introductorio sobre esta apasionante disciplina.

La metagenómica analiza los genomas (el ADN) combinados de los múltiples microorganismos que encontrados en una muestra para tratar de responder, principalmente, a las dos preguntas que nos planteamos al principio: qué taxones — tipos de organismos — están presentes en la muestra y qué genes contienen los genomas de estos taxones, que es otra forma de conocer las funciones que pueden llevar a cabo. Pero ¿cómo podemos extraer esa información de las muestras tomadas en los distintos ambientes marinos? Una vez obtenidas, las muestras de agua son procesadas para extraer y purificar el ADN microbiano. En este punto se enriquecen en un tipo celular concreto, que pueden ser de células sin núcleo (procariota) o con núcleo (eucariota) por medio de filtros de diferentes tamaños de poro (las células procariotas son entre cien y mil veces más pequeñas que las eucariotas). A continuación, el ADN es secuenciado (se determina el orden en el que se encuentran las moléculas básicas constitutivas: adenina, guanina, citosina y timina), tras lo cual comienza la etapa de análisis in silico, es decir, bioinformático. Esta fase nos permite determinar la taxonomía y asignar una función a las secuencias obtenidas. 

En un mundo ideal nos encontraríamos con que los genomas secuenciados estarían completos, las secuencias ordenadas y separadas para cada taxón presente en la muestra. Sin embargo, en la práctica, los productos de secuenciación son como piezas de un gran rompecabezas: secuencias de fragmentos cortos (rara vez genes completos) de los diferentes genomas presentes en la muestra, todas mezcladas en un mismo archivo. Se trata por tanto de resolver este rompecabezas. Para eso nos servimos de los recursos de la bioinformática, que pone a nuestra disposición un repertorio de herramientas útiles. Estas van desde las “baratas” a efectos computacionales, con un poder de resolución limitado y con mucho margen de incertidumbre, hasta las más precisas y exigentes, y por tanto más “caras”, que requieren mucha potencia de computación, pero que ofrecen resultados más certeros. Dependiendo de nuestro objetivo científico y de los recursos computacionales a los que tengamos acceso, elegiremos unas u otras.

En algunos casos basta con clasificar directamente las secuencias cortas, producto de la secuenciación. Para ello, utilizamos algoritmos de búsqueda por homología  (similitud) de secuencia contra bases de datos de secuencias con taxonomía y función conocida. Aunque computacionalmente menos exigente, este método está sujeto a un mayor porcentaje de error, ya que cuanto más cortas sean las secuencias, más incertidumbre tenemos a la hora de asignar un origen taxonómico y una función. Para mejorar esta limitación, las secuencias se ensamblan en fragmentos más largos llamados contigs. Durante el ensamblaje, los algoritmos comparan los extremos de los millones de secuencias cortas que contiene una muestra metagenómica típica y juntan los fragmentos que se solapan, algo así como armar las piezas de un rompecabezas. Esto es posible gracias a que la secuenciación produce múltiples fragmentos solapados de secuencias que representan a una misma región del ADN original. El ensamblaje es computacionalmente muy caro y, normalmente, sólo es posible realizarlo en grandes sistemas (clústeres) de computación. No obstante, este esfuerzo merece la pena, al brindarnos dos grandes ventajas. Por una parte, y como comentamos antes, las secuencias largas reducen la incertidumbre a la hora de asignar taxonomía y función. Por otra parte, los contigs nos permiten aprovechar la información que nos proporciona la sintenía (el entorno genético que rodea a una región de interés) para afinar aún más la clasificación taxonómica y funcional de una secuencia.

Tras el ensamblaje, de nuevo podemos elegir anotar los contigs taxonómica y funcionalmente directamente, a través de búsquedas por homología de secuencia en bases de datos con secuencias anotadas. Sin embargo, los contigs típicamente representan una fracción pequeña de los genomas originales en la muestra y, en muchas aplicaciones, nos interesa reconstruir estos genomas lo mejor posible. Para ello, necesitamos añadir un paso bioinformático más, el denominado  binning, mediante el cual agrupamos contigs en conjuntos que representan a un genoma en concreto. Para este agrupamiento nos podemos basar en búsquedas por homología de secuencia, o también en métodos independientes de homología, como aquellos que agrupan contigs basándose en determinadas características estructurales del ADN que son específicas de un genoma en concreto, como la proporción de guanina y citosina, o la distribución de pequeños fragmentos de secuencia llamados tetrámeros. Tras el binning obtenemos unas “propuestas” de genoma individual que conocemos como MAGs, de Metagenome Assembled Genome, los cuales finalmente podemos anotar taxonómica y funcionalmente. Dependiendo de la calidad de los datos, podemos resolver más o menos la taxonomía, a veces podemos llegar incluso a nivel de especie, en otras ocasiones sólo a niveles taxonómicos superiores, como el de familia. Los MAGs son nuestra mejor aproximación a los genomas originales de los microorganismos presentes en las comunidades muestreadas y, si bien no son perfectos (suelen estar incompletos y pueden contener errores en las anotaciones funcionales y taxonómicas), lo cierto es que nos han permitido expandir enormemente el conocimiento que tenemos de la microbiología de los océanos, así como de los procesos ecológicos que ocurren en ellos y que son de importancia vital para la biosfera. 

Se estima que los MAGs han expandido en más de un 44% la diversidad microbiana conocida. De hecho, grupos taxonómicos enteros han sido descubiertos a través de la metagenómica y los MAGs. Es el caso del organismo más abundante del planeta Tierra, la minúscula bacteria Pelagibacter ubique, presente en todos los océanos del planeta, desde la superficie hasta los 200 metros de profundidad. Pero quizás es más llamativo aún el descubrimiento de los ancestros procariotas más cercanos a nosotros, hallazgo realizado con estas técnicas metagenómicas: las arqueas de Asgard. Se trata de un grupo filogenético que se conoce únicamente a través de su material genético y que contiene cuatro grupos de arqueas con nombres nórdicos: Lokiarchaeota, Thorarchaeota, Odinarchaeota y Heimdallarchaeota. Sus nombres les vienen del sitio donde se aisló por primera vez el ADN del primer representante, el Castillo de Loki (ese carismático Dios nórdico que aparece en la saga de películas de Thor), una fuente hidrotermal situada en el fondo del atlántico norte, a 2300 metros de profundidad.

Hemos visto que la metagenómica y las técnicas bioinformáticas que la acompañan nos ha permitido avanzar mucho en el conocimiento que tenemos de la microbiología de los océanos. El desarrollo de nuevas técnicas de secuenciación y de algoritmos bioinformáticos constituye un campo de investigación muy activo; que está permitiendo abaratar costes y generar MAGs cada vez más completos, lo que augura un futuro brillante para la metagenómica. 

Así que ya sabes: la próxima vez que vayas a la playa no te creas lo que veas a simple vista. Tras esas aguas límpidas se esconde un universo microscópico apasionante, repleto de organismos de lo más variopintos y que la metagenómica nos permite desvelar.

AUTOR Semidán Robaina

ILUSTRACIÓN CARLA GARRIDO