El arsenal aéreo microbiano
Patricia Romero-Arellano y Edgar Guevara-Avendaño*
Los microbios producen un arsenal de compuestos químicos aéreos que afectan a los microorganismos patógenos. Estos compuestos volátiles pueden ser aprovechados para desarrollar biopesticidas.
Los microbios son organismos microscópicos compuestos por una sola célula (unicelulares) o algunas cuantas (pluricelulares). Su diversidad es tan amplia que comprende grupos variados como bacterias, arqueas, protozoos, microalgas y hongos. Su distribución es tan extensa que se les considera ubicuos, es decir, se encuentran presentes en prácticamente todos los ecosistemas del planeta, desde las profundidades marinas hasta la atmosfera y el interior de los animales. Esto se deben a diversos factores como una gran capacidad para adaptarse a condiciones ambientales diversas (resiliencia), un tamaño pequeño que facilita la ocupación de espacios diminutos, una rápida tasa de multiplicación puesto que duplican su número en 20 a 30 min y una fácil dispersión que puede ocurrir incluso a través del viento.
Como las personas, los microbios se establecen en comunidades compuestas por individuos u organismos con talentos distintos, colaborando entre ellos, mejoran su capacidad de hacer frente a efectos ambientales adversos. Esta colaboración lograda a través de años de evolución conjunta llevó al establecimiento de relaciones benéficas y perjudiciales, mediadas por una compleja red de señales que utiliza compuestos químicos conocidos como metabolitos secundarios, muchos de ellos se consideran de importancia agrícola por su potencial para ser utilizados como biopesticidas, es decir, compuestos químicos de origen biológico que tienen un efecto dañino sobre grupos de microrganismos perjudiciales para la agricultura. ¿Seguro que has escuchado hablar de la penicilina?, un metabolito secundario producido por el hongo Penicillium notatum. Su descubrimiento significó una revolución en el tratamiento de las infecciones generadas por bacterias patógenas. Aunque la penicilina no es un biopesticida porque su aplicación fue dirigida al campo médico, si es un buen ejemplo de la capacidad de los metabolitos microbianos para controlar microorganismos perjudiciales.
Microbios aislados de árboles de aguacate. Arriba a la izquierda, colonias bacterianas, a la derecha, tinción de sus células, abajo a la izquierda, colonia de un hongo patógeno, a la derecha, tinción de sus esporas.
Actualmente se conocen numerosos metabolitos microbianos con potencial biopesticida, especial énfasis se ha realizado en los compuestos volátiles, sustancias químicas pequeñas formadas principalmente por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre. Estos compuestos exhiben la cualidad de volatilizarse (volverse vapor) a temperatura ambiente, lo cual les permite dispersarse de forma aérea e incluso a través de los poros del suelo, actuando así a mayor distancia y no requiriendo un contacto directo de la fuente emisora con los microorganismos patógenos. Adicionalmente, su impacto ecológico es considerado bajo en comparación con los agroquímicos. Bacterias, hongos y levaduras producen un amplio arsenal de compuestos volátiles pertenecientes a grupos químicos como alcoholes, alcanos, alquenos, terpenos y compuestos con nitrógeno y azufre, que dañan la estructura de la pared y membrana celular responsables de dar estabilidad y protección a los microbios patógenos; también bloquean su establecimiento y desarrollo, y desencadenan estrés oxidativo, incrementando la presencia de especies reactivas de oxígeno que llevan a la muerte de las células; además, afectan la expresión de genes microbianos tornándolos menos patógenos. De este modo, el estudio del arsenal aéreo de los microbios representa un campo de estudio prometedor en la búsqueda de biopesticidas.
Si te preguntas, ¿cómo se identifican los compuestos del arsenal aéreo de los microbios?, en el Laboratorio de Ecología Química de la Red de Estudios Moleculares Avanzados del INECOL, se realiza su identificación mediante técnicas analíticas como la cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (CG-EM). Para ello, se colectan los compuestos volátiles utilizando inyecciones de aire filtrado y resinas como Super-Q (método dinámico) o se usan fibras de distintas polaridades (microextracción en fase sólida-SPME). Posteriormente, se inyectan en el equipo llamado cromatógrafo de gases, el cual utiliza gas helio para moverlos a través de una columna cromatográfica, ahí los compuestos se separarán según su carga positiva o negativa (polaridad) y temperatura a la cual se vuelven volátiles. Finalmente, son dirigidos al equipo llamado espectrómetro de masas, donde se fragmentan formando iones positivos y negativos, generando patrones únicos que permiten su identificación comparándolos con otros patrones registrados en bases de datos. De este modo podemos obtener información valiosa sobre la estructura y composición del arsenal químico aéreo de diversos microorganismos. Los cuales son objeto de estudios en el Laboratorio de Microbiología Ambiental del INECOL.
Cromatógrafo de gases acoplado a un espectrómetro de masas, utilizado en la identificación de compuestos volátiles en el Laboratorio de Ecología Química del INECOL.
Referencias
- Rani, A., Rana, A., Dhaka, R. K., Singh, A. P., Chahar, M., Singh, S., ... & Minz, D. (2023). Bacterial volatile organic compounds as biopesticides, growth promoters and plant-defense elicitors: Current understanding and future scope. Biotechnology Advances, 63, 108078.
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- Weiland-Bräuer, N. (2021). Friends or foes—microbial interactions in nature. Biology, 10(6), 496.
- Zhao, X., Zhou, J., Tian, R., & Liu, Y. (2022). Microbial volatile organic compounds: Antifungal mechanisms, applications, and challenges. Frontiers in Microbiology, 13, 922450.
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