Preguntas y respuestas: La fluorescencia permite que las diatomeas se comuniquen y coordinen el comportamiento
ARRIBA: Una imagen microscópica de varias diatomeas que viven en el hielo marino de la Antártida NOAA, GORDON T. TAYLOR
Una nueva investigación desafía una antigua suposición sobre cómo los organismos unicelulares se comunican y coordinan su comportamiento entre sí. Según el estudio, publicado en Science Advances el miércoles (15 de diciembre), al menos una especie de diatomea puede enviar y recibir señales que antes no habían sido detectadas por los científicos.
Los científicos asumieron las diatomeas, que son fitoplancton unicelulares, solo podían señalarse y comunicarse entre sí mediante la secreción de infoquímicos. El nuevo estudio sugiere que la diatomea pelágica Pseudo-nitzschia delicatissima también puede comunicarse con otras a través de la autofluorescencia roja e infrarroja provocada por la exposición a la luz solar. Cuando se exponen a luces de las frecuencias correctas, las diatomeas en un laboratorio sincronizaron su comportamiento, alineándose verticalmente en el agua y tambaleándose al mismo tiempo, lo que sugiere que son capaces de un comportamiento social coordinado.
Para obtener más información, El científico habló con Idan Tuval, un físico convertido en ecologista microbiano del Instituto Mediterráneo de Estudios Avanzados, sobre cómo él y su equipo hicieron el descubrimiento y hacia dónde puede ir el campo a partir de aquí.
El científico: Cuéntame más sobre tu experiencia y qué te llevó al campo de las diatomeas fluorescentes, de todas las cosas. .
Idan Tuval: Vale, soy físico. De hecho, comencé como teórico hace mucho tiempo, y luego pasé lentamente a abordar cuestiones del mundo, y la interfaz con la biología sucedió de forma natural. Estaba analizando la mecánica de fluidos, y luego el caos, y mezclando, y cosas así, que simplemente me sucedieron. estar en todas partes en biología. . . . En particular, me desvié lentamente hacia el comportamiento de los microorganismos y cómo las restricciones físicas están involucradas en el comportamiento y el desarrollo y evolución de las formas de vida. He estado, desde entonces, tratando de combinar experimentos y teoría tanto como sea posible. Después de más y más interacción con mis colegas aquí, me metí en los microorganismos marinos. Las diatomeas son unas de las más interesantes que existen, así que terminé mirándolas.
TS: ¿De dónde provino la idea inicial que impulsó esta investigación sobre si estos microorganismos emiten fluorescencia y actúan socialmente?
IT: Surgió del trabajo de campo que algunos de mis colegas aquí he estado haciendo. Los estamos ayudando a desarrollar una técnica para abordar cuestiones relacionadas con la estructura de las comunidades de fitoplancton in situ. Estamos usando un difractómetro láser para observar las distribuciones de tamaño en el océano. Básicamente, lo que nos da como resultado son tamaños de lo que tiene en el volumen de interés. Estaban obteniendo muestras de agua en ese momento y, en algunos casos, se convirtieron en grandes floraciones de diatomeas pinnadas. Pensamos que podemos usar alguna firma de estos metadatos para analizar la orientación de las partículas in situ y tratar de comprender cómo se orientan y distribuyen estas diatomeas, no solo en términos de posición sino también en términos de orientación con respecto a la vertical en el columna de agua. Así que logramos desarrollar una técnica para hacer eso. Cuando lo aplicamos a algunos datos de campo, mostró claramente que, en muchos casos, estas diatomeas no solo estaban orientadas al azar, sino que tendían a estar muy claramente alineadas en condiciones de baja cizalladura o aguas tranquilas. Básicamente se hundían, orientados verticalmente.
Estos no son flageladores. . . pueden deslizarse, pero no se mueven mucho. Están básicamente suspendidos en la columna de agua, hundiéndose sin ningún mecanismo de propulsión claro. Entonces, ¿cómo se encuentran, en particular, para cosas como la reproducción sexual? Esa es una gran pregunta.
Hicimos microscopía, rastreo, observamos la orientación en el laboratorio. Y publicamos un artículo sobre las tasas de encuentro [entre las diatomeas] basado en esta orientación particular. Mirando más detenidamente los datos, nos dimos cuenta después de publicar ese documento que algo más estaba sucediendo allí. Era que no solo se hundían, sino que en realidad oscilaban alrededor del eje mientras se hundían. Entonces, nuevamente, nos preguntamos sobre las consecuencias de este pequeño tambaleo. Queríamos caracterizarlo y entender si tiene alguna influencia o alguna consecuencia en la vida de la comunidad o la población que tienen.
Había algo de información en la literatura sobre las diatomeas que tenían codificado en el genoma el genes para algunos fotorreceptores en la banda roja e infrarroja. No había una indicación clara de por qué tendrían eso. Estamos hablando de organismos que viven en la columna de agua la mayor parte del tiempo, viven en un ambiente muy azulado; no hay luz roja alrededor. . . . Solo pensamos que tal vez queríamos probar estas hipótesis, por supuesto, en realidad pueden sentirse entre sí.
Tienen autofluorescencia de clorofila. La autofluorescencia de la clorofila emitiría fluorescencia principalmente en rojo. Dan señales de luz roja desde fuera de las celdas y se están hundiendo. Y se tambalean, oscilan, mientras se hunden. Eso en realidad podría darle una señal de que esto se debe a una señal de la fluorescencia en el interior. Entonces, ¿pueden sentir eso y tiene alguna consecuencia en cómo se comportan? De ahí surgió la idea.
Te dice que existe un fenómeno claro que no se ha tenido en cuenta en absoluto y que permite que las células se detecten entre sí y reaccionen. Y eso cambia las reglas del juego.
Idan Tuval, Instituto Mediterráneo de Estudios Avanzados
TS: ¿Cómo prueba esa respuesta a la autofluorescencia?
IT: Así que estábamos usando el mismo dispositivo en el laboratorio, un difractómetro, con una técnica que desarrollamos antes que puede dar darnos una idea de cómo se orientan las celdas en un volumen. Y lo que hicimos para probar el efecto de la luz roja de la luz que emitirá fue imitar esa comunicación externamente aplicando a la muestra la luz roja y oscilando la luz lo suficientemente cerca de su frecuencia oscilante. Pudimos escanear en diferentes frecuencias y verificar su respuesta, y ver dónde obteníamos [una] respuesta colectiva en términos de movimiento oscilatorio coherente. Descubrimos que para frecuencias muy cercanas a la frecuencia natural, básicamente se sincronizaban con la [luz] externa. Así que podríamos, en cierto modo, susurrarles de una manera que puedan sentir, y ellos responderán a ese susurro oscilando juntos en sincronía.
TS: Muchas cosas parpadean en el agua. ¿Cómo sabes con certeza que esto se usa para la comunicación? Sé que ves la respuesta, pero definir el comportamiento social entre organismos unicelulares parece difícil. ¿Tienes alguna idea sobre el propósito de esa señalización y por qué responden de la forma en que lo hacen?
IT: Tienes toda la razón. Depende de cómo definas comunicación. Aquí, estamos hablando de un nivel muy básico. Estamos hablando del hecho de que tienen los dos componentes clave de cualquier comunicación, que es el hecho de que pueden emitir una señal y pueden recibir esa señal. Las células pueden emitir una señal oscilatoria muy clara, una señal fluorescente, a una frecuencia muy clara, y responden a ella. Tienen las herramientas necesarias para detectarlo y modifican el comportamiento en función de esa señal, lo que significa que sincronizan el tambaleo.
Ahora, las consecuencias de eso, del por qué, qué podemos decir a partir de lo que medimos es que sí sincronizan su bamboleo. Si eso es útil para algo, aún está por entenderse. Lo que significa que podemos suponer que el tambaleo sincronizado aumentará las interacciones y los encuentros de célula a célula. Pero no podemos, por el momento, señalar una razón exacta por la que se está produciendo esa comunicación. Hay comunicación allí, y responden colectivamente. Pero sí, eso es lo más lejos que podemos llegar en este punto.
TS: Esto sugiere que existe algún tipo de comportamiento cooperativo activado por la luz entre los microorganismos donde los científicos asumieron previamente que no había ninguno. ¿Qué significa para el campo que haya desafiado o comenzado a [desafiar] esa suposición? ¿Hay algún próximo paso obvio para futuras investigaciones ahora que ha descubierto este fenómeno?
IT: La comunicación en microorganismos es un fenómeno bien conocido. Pero . . . Se cree que la mayor parte de la comunicación microbiana se produce a través de señales químicas. Esa es la base de muchas cosas [que] han sido muy bien descritas en contextos muy diferentes. Ahora, lo que estamos viendo aquí es comunicación a través de la luz en organismos que no tienen orgánulos sensibles a la luz bien desarrollados. Para los orgánulos emisores, estamos hablando de ingredientes muy básicos. Estamos hablando solo de la autofluorescencia natural de la clorofila, que está ahí para la mayoría de los microorganismos fotosintéticos. Entonces, si hay una fotorespuesta que vincula el comportamiento con la emisión de luz basada en este mecanismo tan simple, eso es un gran cambio en el campo.
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Te dice que existe un fenómeno claro que no se ha tenido en cuenta en absoluto y que permite que las células se detecten entre sí y reaccionen. Y eso cambia las reglas del juego.
Hay muchas cosas para desarrollar y descubrir en el campo, [como] si otros organismos harán algo similar. Hemos caracterizado la fotorespuesta en términos de condiciones de laboratorio, pero luego hay que estudiar exactamente qué condiciones encontrarán y qué implicará eso para su interacción. Tenemos que investigar eso. ¿Tiene algún efecto sobre la reproducción? ¿Sobre otros aspectos del ciclo de vida? Todo eso debe analizarse en detalle.
TS: ¿Qué sigue para ti? ¿Ha seguido explorando esto de una manera que pueda hablar hoy?
IT: Tenemos varias cosas en marcha en este momento relacionadas con esto. Una era explorar este mecanismo en otros organismos. Acabamos de trabajar con una especie aquí en este documento. Hemos intentado extender eso a otras especies en diferentes áreas, colaborando con gente en Francia y en otros lugares, recolectando y aislando cepas de diferentes lugares para ver qué tan extendido está este fenómeno.
Por otro lado, hemos tratado de profundizar más en la base molecular de las respuestas. Y para eso, tenemos algunas colaboraciones en curso que analizan mutantes de las diferentes diatomeas, en las que puede eliminar algunos de los fotorreceptores y señalar el factor que interviene mejor en los mecanismos moleculares, y luego la cascada que está detrás de la fotorespuesta.</p
Y luego tenemos otra vía para intentar vincular esto con la reproducción sexual. Entonces, nuevamente, se sabe que la luz juega un papel en la reproducción sexual en las diatomeas. No sabemos si la luz también juega un papel [en la reproducción] a través de esta respuesta fotográfica que hemos encontrado aquí.
Nota del editor: esta entrevista ha sido editada por razones de brevedad.