Los humanos los tienen, al igual que otros animales y plantas; ahora la investigación revela que las bacterias no fotosintéticas también tienen relojes internos diarios que se alinean con el ciclo de vida, las 24 horas del día.
La investigación responde a una pregunta biológica de larga data y podría tener implicaciones para el momento de la administración de medicamentos, la biotecnología y cómo desarrollamos soluciones oportunas para la protección de cultivos.
Los relojes biológicos o ritmos circadianos son exquisitos mecanismos de temporización internos que están muy extendidos en la naturaleza y permiten a los organismos vivos hacer frente a los principales cambios que ocurren del día a la noche, incluso entre estaciones.
Estos ritmos moleculares, que existen dentro de las células, utilizan señales externas como la luz del día y la temperatura para sincronizar los relojes biológicos con su entorno. Es por eso que experimentamos los efectos discordantes del desfase horario, ya que nuestros relojes internos no coinciden temporalmente antes de alinearse con el nuevo ciclo de luz y oscuridad en nuestro destino de viaje.
Un creciente cuerpo de investigación en las últimas dos décadas ha demostrado la importancia de estos metrónomos moleculares para procesos esenciales, por ejemplo, el sueño y el funcionamiento cognitivo en humanos, y la regulación del agua y la fotosíntesis en plantas.
Aunque las bacterias representan el 12% de la biomasa del planeta y son importantes para la salud, la ecología y la biotecnología industrial, se sabe poco de sus relojes biológicos de 24 horas.
Estudios anteriores han demostrado que las bacterias fotosintéticas que requieren luz para producir energía tienen relojes biológicos.
Pero las bacterias no fotosintéticas de vida libre siguen siendo un misterio a este respecto.
En este estudio internacional, los investigadores detectaron ritmos circadianos de funcionamiento libre en la bacteria del suelo no fotosintética Bacillus subtilis.
El equipo aplicó una técnica llamada informe de luciferasa, que implica agregar una enzima que produce bioluminiscencia que permite a los investigadores visualizar qué tan activo está un gen dentro de un organismo.
Se centraron en dos genes: en primer lugar, un gen llamado ytvA que codifica el fotorreceptor de luz azul y, en segundo lugar, una enzima llamada KinC que participa en la inducción de la formación de biopelículas y esporas en la bacteria.
Observaron los niveles de los genes en oscuridad constante en comparación con ciclos de 12 horas de luz y 12 horas de oscuridad. Descubrieron que el patrón de niveles de ytvA se ajustaba al ciclo de luz y oscuridad, con niveles que aumentaban durante la oscuridad y disminuían en la luz. Todavía se observaba un ciclo en constante oscuridad.
Los investigadores observaron cómo tardaron varios días en aparecer un patrón estable y que el patrón podría revertirse si las condiciones se invirtieran. Estas dos observaciones son características comunes de los ritmos circadianos y su capacidad para “adaptarse” a las señales ambientales.
Llevaron a cabo experimentos similares utilizando cambios de temperatura diarios; por ejemplo, aumentando la duración o la fuerza del ciclo diario, y descubrió que los ritmos de ytvA y kinC se ajustaban de manera consistente con los ritmos circadianos, y no simplemente encendiéndose y apagándose en respuesta a la temperatura.
“Hemos descubierto por primera vez que las bacterias no fotosintéticas pueden decir la hora”, dice la autora principal, la profesora Martha Merrow, de la LMU (Universidad Ludwig Maximilians) de Múnich. “Adaptan su funcionamiento molecular a la hora del día leyendo los ciclos en la luz o en el ambiente de temperatura”.
“Además de las cuestiones médicas y ecológicas, deseamos utilizar bacterias como un sistema modelo para comprender los mecanismos del reloj circadiano. Las herramientas de laboratorio para esta bacteria son excelentes y deberían permitirnos avanzar rápidamente”, agregó.
Las implicaciones de esta investigación podrían utilizarse para abordar preguntas como: ¿es importante la hora del día de exposición bacteriana para la infección? ¿Se pueden optimizar los procesos biotecnológicos industriales teniendo en cuenta la hora del día? ¿Y es importante la hora del día del tratamiento antibacteriano?
“Nuestro estudio abre puertas para investigar los ritmos circadianos en las bacterias. Ahora que hemos establecido que las bacterias no fotosintéticas pueden indicar el tiempo que necesitamos para descubrir los procesos en las bacterias que causan estos ritmos y comprender por qué tener un ritmo proporciona una ventaja a las bacterias”, dice el autor Dr. Antony Dodd del John Innes Center.
Fuente: The John Innes Centre.
Mayor información: Zheng Eelderink-Chen, Jasper Bosman, Francesca Sartor, et al. «A circadian clock in a nonphotosynthetic prokaryote» Science Advances, Published: 08 Jan 2021.