Pequeños conquistadores oceánicos: cómo los ancestros de las micróbicas Prochlorococcus dominaron los mares en balsas de exoesqueleto.

Nuevas investigaciones sugieren que los antiguos ancestros costeros del microbio Prochlorococcus colonizaron el océano flotando en partículas de quitina. Crédito: Jose-Luis Olivares/MIT

Un nuevo estudio muestra que el fitoplancton que capta carbono colonizó el océano flotando en partículas de quitina.

Investigadores del MIT descubrieron que el Prochlorococcus, un fitoplancton vital, probablemente utilizó la quitina de antiguos exoesqueletos como balsas para aventurarse en aguas abiertas, evolucionando para absorber casi tanta cantidad de CO2 como los bosques terrestres y moldear la biosfera de la Tierra.

En todo el océano, miles de millones de microbios similares a plantas forman un bosque flotante invisible. A medida que derivan, estos organismos pequeños utilizan la luz solar para absorber dióxido de carbono de la atmósfera. Colectivamente, estos fitoplancton fotosintéticos, o fitoplancton, absorben casi tanto CO2 como los bosques terrestres del mundo. Una fracción medible de sus músculos para capturar carbono proviene del Prochlorococcus - un flotador libre teñido de verde que es el fitoplancton más abundante en los océanos actualmente.

Pero el Prochlorococcus no siempre habitó aguas abiertas. Los ancestros del microbio probablemente se mantuvieron más cerca de las costas, donde los nutrientes eran abundantes y los organismos sobrevivían en colchonetas microbianas comunales en el fondo marino. ¿Cómo llegaron los descendientes de estos habitantes costeros a convertirse en los gigantes fotosintéticos de los océanos abiertos de hoy en día?

Los científicos del MIT creen que el flotar en balsas fue la clave. En un nuevo estudio proponen que los ancestros de Prochlorococcus adquirieron la capacidad de aferrarse a la quitina - las partículas degradadas de antiguos exoesqueletos. Los microbios se subieron a las partículas que pasaban, utilizando la quitina como balsas para aventurarse más allá de la costa. Estas balsas de quitina podrían haber proporcionado nutrientes esenciales, alimentando y sosteniendo los microbios en su camino.

Así fortalecidas, generaciones de microbios tuvieron la oportunidad de evolucionar nuevas habilidades para adaptarse al océano abierto. Con el tiempo, habrían evolucionado hasta el punto de poder saltar del barco y sobrevivir como los habitantes libres flotantes en los océanos que hoy en día existen.

"Si Prochlorococcus y otros organismos fotosintéticos no hubieran colonizado el océano, estaríamos mirando un planeta muy diferente", dice Rogier Braakman, un científico investigador del Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias (EAPS) del MIT. "Fue el hecho de que pudieron aferrarse a estas balsas de quitina lo que les permitió establecer un punto de apoyo en una parte completamente nueva y masiva de la biosfera del planeta, de una manera que cambió la Tierra para siempre."

Braakman y sus colaboradores presentan su nueva hipótesis de las "balsas de quitina", junto con experimentos y análisis genéticos que respaldan la idea, en un estudio publicado el 9 de mayo en PNAS.

Los coautores del MIT son Giovanna Capovilla, Greg Fournier, Julia Schwartzman, Xinda Lu, Alexis Yelton, Elaina Thomas, Jack Payette, Kurt Castro, Otto Cordero y la profesora del Instituto MIT Sallie (Penny) Chisholm, junto con colegas de múltiples instituciones, incluyendo la Institución Oceanográfica Woods Hole.

Prochlorococcus es uno de los dos grupos principales pertenecientes a una clase conocida como picocianobacterias, que son los organismos fotosintéticos más pequeños del planeta. El otro grupo es Synechococcus, un microbio estrechamente relacionado que se puede encontrar en abundancia en sistemas de agua dulce y marinos. Ambos organismos viven a través de la fotosíntesis.

Pero resulta que algunas cepas de Prochlorococcus pueden adoptar estilos de vida alternativos, especialmente en regiones con poca luz donde es difícil mantener la fotosíntesis. Estos microbios son "mixotróficos", usando una mezcla de otras estrategias para capturar carbono y crecer.

Los investigadores del laboratorio de Chisholm buscaban signos de mixotrofía cuando tropezaron con un gen común en varias cepas modernas de Prochlorococcus. El gen codificaba la capacidad de descomponer la quitina, un material rico en carbono que proviene de los caparazones desechados de los artrópodos, como los insectos y los crustáceos.

"Eso fue muy extraño", dice Capovilla, quien decidió profundizar en el hallazgo cuando se unió al laboratorio como becaria postdoctoral.

Para el nuevo estudio, Capovilla llevó a cabo experimentos para ver si Prochlorococcus puede descomponer efectivamente la quitina. Trabajos anteriores en el laboratorio mostraron que el gen degradador de la quitina aparecía en cepas de Prochlorococcus que viven en condiciones de poca luz, así como en Synechococcus. El gen estaba ausente en Prochlorococcus que habitaban regiones más soleadas.

In the lab, Capovilla introduced chitin particles into samples of low-light and high-light strains. She found that microbes containing the gene could degrade chitin, and of these, only low-light-adapted Prochlorococcus seemed to benefit from this breakdown, as they appeared to also grow faster as a result. The microbes could also stick to chitin flakes — a result that particularly interested Braakman, who studies the evolution of metabolic processes and the ways they have shaped the Earth’s ecology.

“People always ask me: How did these microbes colonize the early ocean?” he says. “And as Gio was doing these experiments, there was this ‘aha’ moment.”

Braakman wondered: Could this gene have been present in the ancestors of Prochlorococcus, in a way that allowed coastal microbes to attach to and feed on chitin, and ride the flakes out to sea?

To test this new “chitin raft” hypothesis, the team looked to Fournier, who specializes in tracing genes across species of microbes through history. In 2019, Fournier’s lab established an evolutionary tree for those microbes that exhibit the chitin-degrading gene. From this tree, they noticed a trend: Microbes start using chitin only after arthropods become abundant in a particular ecosystem.

For the chitin raft hypothesis to hold, the gene would have to be present in ancestors of Prochlorococcus soon after arthropods began to colonize marine environments.

The team looked to the fossil record and found that aquatic species of arthropods became abundant in the early Paleozoic, about half a billion years ago. According to Fournier’s evolutionary tree, that also happens to be around the time that the chitin-degrading gene appears in common ancestors of Prochlorococcus and Synecococchus.

“The timing is quite solid,” Fournier says. “Marine systems were becoming flooded with this new type of organic carbon in the form of chitin, just as genes for using this carbon spread across all different types of microbes. And the movement of these chitin particles suddenly opened up the opportunity for microbes to really make it out to the open ocean.”

The appearance of chitin may have been especially beneficial for microbes living in low-light conditions, such as along the coastal seafloor, where ancient picocyanobacteria are thought to have lived. To these microbes, chitin would have been a much-needed source of energy, as well as a way out of their communal, coastal niche.

Braakman says that once out at sea, the rafting microbes were sturdy enough to develop other ocean-dwelling adaptations. Millions of years later, the organisms were then ready to “take the plunge” and evolve into the free-floating, photosynthesizing Prochlorococcus that exist today.

“In the end, this is about ecosystems evolving together,” Braakman says. “With these chitin rafts, both arthropods and cyanobacteria were able to expand into the open ocean. Ultimately, this helped to seed the rise of modern marine ecosystems.”