Deconstruyendo la microbiología mordisco a mordisco

El hongo que viaja por el espacio: Aspergillus niger

Written by

Anisha Shastri

No todo el mundo tiene el privilegio de viajar al espacio. Solamente unos pocos astronautas, robots y algunos organismos (relevantes para la ciencia) tienen esta oportunidad. Sin embargo, puede haber algunos “invitados” furtivos que los acompañan: los microbios. De acuerdo con las pautas de Protección Planetaria, cada objeto debe someterse a una desinfección o limpieza exhaustiva antes de abandonar la superficie de la tierra. Cada elemento de un nuevo rover, módulo de aterrizaje o traje espacial debe limpiarse de cualquier contaminante, bien sea biológico o simple suciedad.

Sin embargo, algunas esporas bacterianas sobreviven a este tratamiento químico. Las esporas bacterianas son un tipo de célula altamente protegida, resistente a las duras condiciones de radiación, vacío y alta temperatura. Bacillus subtilis es un ejemplo de bacteria formadora de esporas. El tratamiento de superficies con luz ultravioleta o peróxido son algunos de los métodos que se utilizan para destruir las esporas bacterianas.

A diferencia de las esporas bacterianas, cuya resistencia a la radiación se ha estudiado durante años, las esporas de hongos han atraído muy poca atención. A pesar de esto, informes recientes dicen que un hongo llamado Aspergillus niger (comúnmente conocido como moho negro) es un contaminante de procupación en la Estación Espacial Internacional. A. niger se transporta por el aire y coloniza rápidamente nuevos entornos. Este hongo se conoce comúnmente como un contaminante de los alimentos y crece mejor en condiciones cálidas y húmedas.

Por ejemplo, este hongo causa la descomposición poscosecha de frutas y verduras como uvas, fresas y cebollas (Nair, 1985). De manera similar, A. niger puede causar problemas respiratorios a los humanos si infecta el tracto respiratorio. Por el contrario, A. niger podría proporcionar beneficios potenciales. Por ejemplo, A. niger ha sido importante como fábrica de células en aplicaciones biotecnológicas, principalmente por su capacidad para producir grandes cantidades de productos biológicos como proteínas y enzimas (las cuales pueden llegar a ser de interés industrial). Por estas razones, es crucial estudiar el comportamiento de A. niger en condiciones espaciales para evitar la colonización no deseada del hongo dentro de las naves espaciales y, en cambio, explotarlo por su ventaja biotecnológica.

La Dra. Marta Cortesão del grupo de Investigación de Biología Espacial en Alemania junto con otros científicos intentaron investigar la tolerancia a la radiación de las esporas de A. niger. En este estudio, los investigadores analizaron la resistencia a la radiación del hongo A. niger de tipo salvaje y tres mutantes después de la exposición a los niveles de radiación que normalmente se encuentran en el espacio. Irradiaron los hongos usando radiación UV-C, rayos X y radiación cósmica. Los rayos X y los rayos UV-C son emitidos por el sol. Por otro lado, la radiación cósmica se produce como resultado de explosiones de supernovas o púlsares (Chancellor et al., 2018) y está compuesta por iones de helio e hierro.

¿Qué le hace la radiación a las células vivas? Los científicos dicen que la radiación puede causar dos tipos de daños: directos e indirectos. El daño directo afecta las proteínas, los lípidos y el ADN (componentes básicos de las células). El daño indirecto es causado por la producción de especies de oxígeno reactivo (ROS, por sus siglas en inglés) en grandes cantidades. Las ROS se producen como resultado de la radiólisis, un proceso en el que la radiación interactúa con el oxígeno del agua para producir moléculas altamente reactivas como peróxido, superóxido, oxígeno singlete, etc. Se requieren niveles controlados de ROS para el correcto funcionamiento de cualquier célula. Pero cuando hay un exceso de producción de ROS, el estrés oxidativo puede dañar los orgánulos celulares y provocar apoptosis o muerte celular.

Lo que la radiación le hace a *Aspergillus niger*. Los daños directos (e.g rotura de doble cadena de ADN) e indirectos (estrés oxidativo) son los dos tipos de daños causados por la radiación. Los colores que se muestran son solo para fines de representación. Imagen creada por el autor con Biorender

Múltiples factores contribuyen a la tolerancia a la radiación en cualquier organismo específico. Los científicos crearon mutantes de A. niger para comprender las funciones de tres factores: pigmentación, reparación del ADN y crecimiento polar (control del tamaño de la colonia de hongos). Para cada mutante, eliminaron un solo gen responsable de conferir cada factor. Los mutantes se denominaron ∆fwnA (pigmentación), ∆kusA (reparación del ADN) y ∆racA (crecimiento polar).

*Versión salvaje (Wild-type) y mutantes de *Aspergillus niger*. Los colores que se muestran son solo para fines de representación. Imagen creada por el autor con Biorender*

Los rayos X y la radiación cósmica son tipos de radiación ionizante. Estudios previos han demostrado que tanto la radiación ionizante como el peróxido de hidrógeno generan ROS y que la pigmentación está involucrada en la resistencia a este estrés oxidativo. Después del tratamiento con rayos X y rayos cósmicos, los científicos encontraron que, contrariamente a lo que se había sugerido anteriormente, la pigmentación no tenía un papel en la resistencia a la radiación ionizante que se encuentra en el espacio (la cual tiene una longitud de onda de 100 nm o menor), ya que el mutante de pigmentación ∆fwnA mostró un crecimiento igual que el hongos de tipo salvaje. Luego, la Dra. Cortesão y su grupo incubaron el mutante ∆fwnA en peróxido de hidrógeno. En este caso, descubrieron que la pigmentación sí es necesaria para la protección contra el estrés oxidativo inducido por H₂O₂. Además, encontraron que el mismo mutante mostró un menor crecimiento después del tratamiento con UV-C (longitud de onda de entre 200-280 nm), lo que sugiere que la pigmentación es crucial para la resistencia a la radiación UV-C.

El mutante de reparación del ADN, ∆kusA, mostró un menor crecimiento en los rayos X, lo que sugiere que los rayos X causaron daños directos por la rotura del ADN. Por lo tanto, la reparación del ADN es crucial para la protección contra la radiación ionizante. Finalmente, el crecimiento asociado a la superficie, o formación de biopelículas, es una característica importante de la colonización de A. niger. Por lo tanto, los investigadores analizaron la capacidad de A. niger de tipo salvaje y mutante para formar biopelículas después del tratamiento con radiación. Su hallazgo clave fue que la formación de biopelículas en el mutante ∆racA se redujo mucho en comparación con el tipo salvaje después del tratamiento con UV-C, lo que sugirió que el gen que controla el crecimiento polar es esencial para la protección contra la radiación UV-C. En conjunto, sus resultados muestran que la pigmentación protege a A. niger contra la radiación UV-C, la vía de reparación del ADN que ayuda a los hongos contra la radiación ionizante y el gen que controla el crecimiento polar, pueden ser un objetivo para la prevención de la colonización de este hongo en ambientes donde no es deseado.

Este estudio nos muestra que A. niger es excepcionalmente resistente a la radiación. Puede soportar niveles de radiación UV-C más que Deinococcus radiodurans, un conocido microbio radiorresistente. Necesitaría un tratamiento con más de 1000 Gy de radiación UV-C para frenar el problema de la colonización por A. niger, que es superior a la exposición esperada para un viaje de ida y vuelta de 360 días a Marte (0,66 ± 0,12 Gy) (Cortesão et al. ., 2020).

En conclusión, la radiación similar al espacio por sí sola no puede eliminar las esporas de A. niger. Por lo tanto, existe la necesidad de que los científicos de Protección Planetaria se ocupen de esos microbios, los cuales podrían causar la contaminación biológica de otros cuerpos planetarios sin nuestro conocimiento. Sin embargo, la alta resistencia a la radiación de A. niger hará que sea importante para la biotecnología espacial en el futuro, lo que permitirá a los astronautas producir sustancias esenciales como antibióticos, vitaminas y enzimas a bordo de las naves espaciales.

Link to the original post: Cortesão Marta, de Haas Aram, Unterbusch Rebecca, Fujimori Akira, Schütze Tabea, Meyer Vera, Moeller Ralf, 2020. Aspergillus niger Spores Are Highly Resistant to Space Radiation. Frontiers in Microbiology, Volume 11, https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.00560

Additional sources:

Featured image: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%B4%D0%B8%D0%B8_aspergillus_niger_2.tif

traducido por: Julian