¿Qué estación te va mejor? Cambios estacionales de luz y competencia de cianobacterias

Paula Bergero. Investigadora de CONICET en el INIFTA (Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas). Docente en la UNLP.

En esta reseña abordamos el artículo  “What season suits you best? Seasonal light changes and cyanobacterial competition” realizado por los investigadores de CONICET Guadalupe Cascallares y Pablo M. Gleiser, del Centro Atómico Bariloche. En él estudian el papel que juega en la competencia entre diferentes cepas de cianobacterias la relación entre su ritmo circadiano y la distribución diaria de horas de luz y oscuridad. Mediante un modelo matemático sencillo, los autores del trabajo exploran el efecto de la transición entre estaciones y a su vez sugieren nuevos experimentos de laboratorio para validar el mecanismo propuesto.

Ritmos y bacterias

El ritmo circadiano es un ciclo interno, propio de la inmensa mayoría de los organismos vivos, que tiene una duración cercana a la del día terrestre (en general, se considera circadiano al ciclo cuya duración está comprendida entre 20 y 30 horas), dentro del cual se alternan una fase activa y una inactiva. Estos ciclos parecen conferir una ventaja adaptativa al organizar sus funciones biológicas (como alimentación, floración o reproducción) en sintonía con el ciclo natural de luz y oscuridad.  Estos ritmos son diferentes para distintas especies, e incluso existe variabilidad dentro de una misma especie. Los ritmos circadianos no dependen de estímulos externos, es decir, se mantienen aún en condiciones constantes de laboratorio, pero sí pueden sincronizarse con ciclos externos de luz y oscuridad.

Las cianobacterias, primitivos microorganismos unicelulares sin núcleo pero con capacidad de realizar fotosíntesis, son los organismos más simples que muestran este comportamiento rítmico. Las cinanobacterias presentan muchas propiedades interesantes. Se las considera responsables de generar el oxígeno en la atmósfera inicial de nuestro planeta. Se encuentran ampliamente distribuidas tanto en medios terrestres como acuáticos y son importantes fijadoras de nitrógeno atmosférico, es decir, transforman el nitrógeno de la atmósfera en compuestos que incorporan a la biósfera, volviéndose aprovechables para otros seres vivos, como las plantas. Desde la década del 80 se sabe que estas bacterias tienen un ritmo interno de fijación de nitrógeno y la cianobacteria Synechococcus se convirtió por su simpleza en uno de los modelos experimentales más usados para estudiar los ciclos circadianos.

Figura 1. Imagen por microscopía de la cinanobacteria Sinechococcus.
By Masur – Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10259414

Experimentos

Para los experimentos que estudian el ritmo circadiano en Synechococcus se usan diferentes cepas: la silvestre, con un ciclo interno de 25h, y otras cepas mutantes con ciclos alterados (más cortos o largos). En estos estudios se ha reportado que existen ventajas adaptativas en las cepas con ritmo circadiano próximo al ritmo externo, y que estas ventajas desaparecen cuando no existe ninguna variación en las condiciones ambientales. Para ello, se estudió el crecimiento competitivo de colonias de diferentes cepas de cianobacterias en laboratorios exponiéndolas a intervalos iguales de luz y oscuridad. Estos experimentos muestran que cuando el período externo día/noche se acerca al ritmo propio de una cepa de cianobacteria, esta crece más que las cepas que se encuentran “desfasadas”. Es decir, si el ciclo externo es de 24 horas, entonces la cepa natural, con un ritmo circadiano de 25h, gana la competencia frente a las cepas mutantes de ritmos circadianos de 22h o de 30 hs. La interpretación de estos resultados sugiere que el crecimiento de las bacterias ocurre durante el período de luz externa mientras que la producción de inhibidor de crecimiento de las otras cepas ocurre durante la fase activa intrínseca.

Modelado matemático y propuesta

El modelado matemático es una herramienta habitual para estudiar sistemas biológicos. Consiste, dicho de modo muy general, en la expresión matemática del problema. En este tipo de situaciones el modelado consiste en definir las variables de interés, las interacciones sobre el sistema, los parámetros y las relaciones funcionales, determinando así un conjunto de ecuaciones diferenciales que, al ser resueltas, dan cuenta de la dinámica de las variables y permiten conocer el estado del sistema en función del tiempo.  En el caso de las cianobacterias, las variables de interés serán las poblaciones relativas de las distintas cepas bajo distintas condiciones de ciclo externo de luz y oscuridad. Existen diversos modelos matemáticos propuestos para el crecimiento de las cianobacterias y el efecto del ciclo externo. Pero todas las simulaciones computacionales y todos los experimentos reportados hasta entonces se habían realizado con ciclos de igual exposición luz/oscuridad. Y aquí encontramos la innovación que presenta el trabajo de Cascallares y Gleiser: incorporar a la versión matematizada del problema el hecho de que las horas de luz respecto de las de oscuridad no son en la Naturaleza iguales sino que dependen de la estación y de la latitud. Esta modificación incorpora así las estaciones, cuyo efecto anual es fuertemente regulatorio en gran parte de  los seres vivos al disparar respuestas como por ejemplo las hibernaciones, las migraciones y la senescencia.

Para esto, los autores del trabajo construyeron un modelo matemático fenomenológico basado en uno ya existente (modelo de Gonze) de crecimiento bacteriano con producción de inhibidor de crecimiento selectivo, y generaron el ritmo circadiano de la bacteria con un oscilador sensible a la luz (versión modificada del modelo de Van der Pol). El ritmo externo de luz/oscuridad y el ciclo interno de cada cepa de cianobacteria quedan entonces acoplados, dependiendo de la intensidad de la luz. En el modelo, la bacteria crece siempre cuando su ciclo interno activo coincide con el ciclo externo de luz, mientras que si su ciclo intrínseco está inactivo sólo podrá crecer si además de luz externa su inhibidor selectivo (producido por las otras cepas) está por debajo de un valor umbral fijo. Lo que hicieron los investigadores fue modular el ritmo externo como si estuviera ocurriendo una transición entre estaciones en la superficie terrestre, en el cual el día y la noche no tienen una duración igual, es decir, manteniendo fija la duración del “día” pero cambiando la relación de horas de luz y de oscuridad. Por ejemplo, agregando 12 minutos de luz por ciclo a un estado inicial de 24 horas con 12 horas de luz y 12 de oscuridad, luego de 10 días la diferencia será de 120 minutos: el ciclo simulado seguirá teniendo 24 horas de las cuales  14 serán de luz y 10 de oscuridad.

Con estas herramientas, pudieron avanzar respecto de los experimentos existentes que estudian el efecto de la duración del ciclo externo día/noche (con distribución equitativa de luz y oscuridad) y estudiar cómo afecta a la competencia entre cepas la variación de horas de luz dentro de un ciclo de duración fija. En una primera simulación el ciclo externo fue fijado en 28 horas, para explorar con un “día” que tuviera una duración intermedia entre los ritmos circadianos de las cepas usadas: la silvestre, de 25 horas, y la mutante, de 28. Inicialmente, en la simulación se las expuso a 14 horas de luz y otras tantas de oscuridad, agregando 3 minutos de luz extra cada ciclo, durante un “mes” de 30 ciclos. Lo que se observó en la simulación es que la coexistencia de ambas cepas termina aproximadamente a los 8 días, cuando la mutante gana a la silvestre (Figura 2).

Figura 2: A. Competición entre las cepas silvestre (línea negra continua) y mutante (línea roja a trazos) para un ciclo externo de 28 horas. B Si se agregan 3 minutos de luz por día la cepa mutante se impone a partir del día 8.

Pero el resultado que sorprende es que al aumentar teóricamente las horas de luz de a 12 minutos por día dentro de un ciclo de 24 horas, las cepas mutantes de ciclo largo son las que predominan sobre la silvestre (cuyo ciclo es 25 h). En estas condiciones, inicialmente predomina la cepa silvestre, en acuerdo con los experimentos de laboratorio, pero con el transcurso de los días ocurre una “inversión” en la curva de crecimiento de las cepas. La cepa mutante logra imponerse y predominar por encima de la silvestre a medida que el tiempo activo de su ciclo interno, más largo, se aproxima al período de luz del ciclo externo (Figura 3).

Figura 3: Competición entre las cepas silvestre (línea continua roja) y mutante (línea azul a trazos) para un ciclo externo de 24 horas. Si se agregan 12 minutos de luz por día inicialmente predomina la cepa silvestre pero la cepa mutante se impone a partir del día 8.

En este trabajo se plantea un ida y vuelta entre experimentos y simulaciones. El modelo propuesto reproduce los resultados de los experimentos de laboratorio, y a su vez va más allá explorando situaciones para los cuales no existen aún respuestas empíricas. Los resultados predichos por el modelo para las situaciones planteadas por los investigadores pueden ser contrastados con experimentos factibles de ser realizados, y de este modo, validar o no el mecanismo propuesto.

What season suits you best? Seasonal light changes and cyanobacterial competition”, Guadalupe Cascallares y Pablo M. Gleiser, Papers in Physics, vol. 7, art. 070005 (2015)

Enlace al trabajo original.

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