Mecanismos de resistencia a la radiación en microorganismos

El ININ hoy
Mecanismos de resistencia
a la radiación en microorganismos
Por David Alcántara Díaz, Departamento de Biología. (dad@nuclear.inin.mx)
Las radiaciones forman parte del mundo en
que vivimos, por lo que todos estamos expuestos a diferentes tipos de radiación ya sea visible o invisible, ionizante o no ionizante. Desde su aparición, los seres vivientes han desarrollado diversos mecanismos para proteger y
reparar sus moléculas de ADN de los daños
que no sólo las radiaciones, sino también una
amplia variedad de compuestos químicos
(genotóxicos), les infieren. A través de la historia evolutiva dichos mecanismos han alcanzado una eficiencia óptima para enfrentar los
niveles naturales de radiación y de diversos
agentes genotóxicos.
Sin embargo, en la naturaleza hay organismos extremadamente resistentes a la radiación. El origen de su alta resistencia es difícil
de explicar. Su capacidad de reparar diversos
tipos de daño, es más que suficiente para neutralizar el escaso daño que se genera en su
hábitat natural. Un ejemplo es la bacteria
Deinococcus radiodurans que como su
nombre lo sugiere, posee una extraordinaria
resistencia a la radiación ionizante, luz
ultravioleta y muchos otros agentes que dañan el ADN.
Esta bacteria fue originalmente aislada en
1956 a partir de alimentos radioesterilizados
y los estudios posteriores revelaron que posee
una gran capacidad para reparar rompimien-
tos de las cadenas de ADN, que es el principal perjuicio causante de la letalidad ocasionada por la radiación ionizante, así como también diversas lesiones genéticas producidas
por la luz ultravioleta y compuestos químicos.
Para explicar la alta eficiencia en la reparación de los rompimientos dobles, se ha propuesto un modelo según el cual
Deinococcus posee varios cromosomas permanentemente entrelazados mediante estructuras conocidas como “intermediarios de
Holliday”, que en otras bacterias sólo se forman transitoriamente. Se supone que gracias
a esta característica puede soportar dosis de
hasta 15,000 Gy de radiación gamma, sin que
se observe ningún efecto letal o mutagénico.
Esta dosis causa alrededor de 130 rompimientos de la doble hélice del ADN por cada
cromosoma y, para dar idea de la magnitud
del daño cabe aclarar que la mayoría de los
organismos no sobrevive a más de 2 ó 3 rompimientos por cromosoma.
Si el nivel natural de radiación ha sido más o
menos constante a lo largo de la historia de
la tierra, entonces resulta difícil explicar el origen de la extraordinaria capacidad de
Deinococcus radiodurans para reparar
esos daños genéticos. Según algunos investigadores, hay evidencias de que esta gran resistencia a la radiación ionizante es incidental, es decir, es una consecuencia de la adaptación de D. radiodurans a ambientes con
bajo contenido de humedad. Según ellos, la
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elevada sequedad, que también causa rompimientos en el ADN, favoreció la aparición de
mecanismos extremadamente eficientes que
eliminaran este tipo de daño. Sin embargo esta
hipótesis no explica la extrema resistencia de
la bacteria a la luz ultravioleta, cuyos daños
en el ADN son muy distintos, de manera que
el origen de su gran capacidad de reparación
del ADN no está totalmente aclarado. Esta
adaptación de Deinococcus radiodurans
a la sequedad no sólo le permite resistir altas
dosis de radiación, sino también temperaturas
extremas, deshidratación y el ataque de una
amplia variedad de agentes químicos
genotóxicos, condiciones que podrían presentarse en otros planetas. De ahí que la NASA
esté interesada en esta bacteria ya que mediante técnicas de ingeniería genética podría
ser modificada para producir medicinas y purificar agua y oxígeno, contribuyendo de esa
manera a la supervivencia de los astronautas
en otros mundos. De hecho ya ha sido manipulada genéticamente para degradar compuestos orgánicos tóxicos en sitios contaminados con desechos radiactivos.
za ocurra un incremento notable en el nivel de
radiación ambiental, el estudio de la respuesta
que los organismos tendrían ante tal eventualidad es de gran interés por varias razones.
Por ejemplo, permitiría saber si la estrategia de
D. radiodurans es la única posibilidad de
adaptación a tal situación o si es sólo una
entre una gama de vías adaptativas posibles.
Por otro lado, no se sabe hasta donde serían
capaces los organismos de sobrevivir en condiciones de radioactividad elevada y qué cambios en su naturaleza genética y bioquímica
traería consigo esa adaptación.
Como muchas de las características de los seres vivientes, la alta radioresistencia de
Deinococcus radiodurans es resultado de
un largo proceso darwininiano de mutación y
selección, ocasionado por el estrés ambiental
al que se vio sometido este organismo. Surge
entonces la pregunta de si dicho proceso puede
ser reproducido en el laboratorio acelerando
la variabilidad genética (mutación) así como
la selección de los individuos mejor adaptados. Esta pregunta ha sido abordada por algunos investigadores los cuales han logrado,
mediante la exposición crónica, incrementar
la resistencia de algunos microorganismos a
la radiación.
Para examinar ambas posibilidades, se expusieron cinco poblaciones genéticamente idénticas de la bacteria Escherichia coli a 80
ciclos de luz ultravioleta, que como se sabe
induce una variedad de daños en el ADN de
las células expuestas, con la idea de reproducir en el laboratorio los procesos que tienen
lugar en la naturaleza bajo una intensa presión selectiva, que en este estudio son acelerados por un agente que así como induce mutaciones genéticas, también selecciona a las que
ofrecen mayor ventaja adaptativa en ese medio particular.
Aunque es poco probable que en la naturale-
Puesto que las mutaciones inducidas ocurren
al azar y sin direccionalidad aparente, es bastante probable que los mecanismos de resistencia se diversifiquen en diferentes poblaciones de microorganismos. Sin embargo, a pesar
de la naturaleza aleatoria de esos eventos, queda la posibilidad de que durante el proceso de
selección llegue a darse una convergencia de
las distintas poblaciones hacia un mecanismo
de resistencia único, especialmente si les confiere mayor ventaja adaptativa.
Así se obtuvieron 5 cepas con mayores niveles
de resistencia a radiación UV, en las que por
la técnica de mapeo genético, se pudo locali-
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zar a las mutaciones responsables de ese aumento en la resistencia para así poder inferir
los mecanismos causantes.
cidad de variabilidad genética. Este y otros
aspectos son tema de investigación en el Departamento de Biología
Los resultados indican que hubo una diversificación de los mecanismos de resistencia en
las distintas poblaciones, ya que las mutaciones seleccionadas afectan diferentes genes y
por lo tanto diferentes vías metabólicas. Desde luego hubo una tendencia hacia la selección de mecanismos basados en una mayor
capacidad de reparación del ADN, pero
sorpresivamente en una de las dos poblaciones más resistentes se afectó la duplicación
de la molécula de ADN.
Se puede concluir que la adaptación de esas
5 poblaciones bacterianas fue consecuencia
de eventos de mutación y selección al azar
que dieron por resultado diferentes mecanismos de resistencia. Aunque este experimento
está limitado a condiciones de laboratorio,
muestra que la evolución adaptativa puede
dar lugar a divergencia genética aún en poblaciones que viven en ambientes idénticos,
siempre y cuando dichas poblaciones encuentren soluciones alternativas de adaptación. Es
difícil creer que con 80 ciclos de UV se haya
alcanzado el máximo nivel posible de resistencia a radiación o de que se hayan agotado los posibles mecanismos de resistencia y
por ello es de interés proseguir con estos estudios.
Parece ser que la resistencia de dicha cepa se
debe a dos mutaciones en genes encargados
de la síntesis de proteínas que normalmente
participan en la duplicación del ADN. Por lo
tanto, se supone que su resistencia es el resultado de un efecto que combina una mayor
eficiencia en el copiado de las bandas de ADN
con la deficiencia en la corrección de los errores cometidos durante dicho copiado, lo cual
en células normales impide el avance de la
síntesis de la molécula a través de las lesiones
presentes en ella. Si bien esto permite duplicar
la molécula de ADN sin necesidad de eliminar de antemano los daños, la consecuencia
de ello es un aumento en la frecuencia de
mutación.
Afortunadamente para esta cepa, los efectos
de esas dos mutaciones se manifiestan casi
exclusivamente durante la duplicación de ADN
dañado por la luz UV, pero no durante la duplicación del ADN normal, lo cual tiene la
ventaja de evitar la acumulación de mutaciones presuntamente perjudiciales. Cabe preguntarse entonces si bajo otras condiciones selectivas esta característica conferiría una mayor ventaja adaptativa al aumentar su capa-
Finalmente, es importante mencionar que algunos resultados de estos experimentos fueron presentados en la Astrobiology Science
Conference que tuvo lugar en el Ames Research
Center de la NASA en el mes de marzo de
2004. Œ
FE DE ERRATAS
En el N° 37 de Contacto Nuclear se publicó
el artículo Participación del ININ en el proceso entrenamiento del personal de la Central Laguna Verde de Jorge Flores Callejas.
A solicitud del propio autor y por una omisión involuntaria, se agregan a la lista de
instructores ADRIEL LÓPEZ PUERTAS y RAÚL
RUIZ CENTENO.
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