Aquí hay ciencia
Los tardígrados revelan el secreto de su resistencia extrema a la radiación
Dos estudios recientes han dado con un mecanismo que podría inspirar nuevas terapias contra enfermedades humanas como el cáncer.
Los tardígrados, conocidos popularmente como osos de agua, han fascinado a los científicos desde que fueron descubiertos a finales del siglo XVIII. Estas criaturas microscópicas son unos de los animales más resistentes que existen. Algunas especies pueden sobrevivir en condiciones ambientales extremas que acabarían rápidamente con la mayoría de seres vivos, como por ejemplo temperaturas y presiones muy altas o muy bajas, la falta de oxígeno y de alimento o la deshidratación. Incluso se ha visto que son capaces de sobrevivir en el espacio exterior, fuera de la atmósfera terrestre.
Desde hace décadas, los científicos conocen también la sorprendente capacidad de los tardígrados para resistir la radiación. En 1963 investigadores franceses descubrieron que estos animales sobrevivían a los rayos X, y más tarde se vio que podían soportar una dosis de radiación ionizante mil veces mayor de la que resulta letal para los humanos. Sin embargo, los mecanismos que emplean para sobrevivir se desconocían.
Recientemente dos estudios han revelado una nueva faceta de estos animales microscópicos, que emplean para contrarrestar los efectos de la radiación: tienen una asombrosa capacidad de reparar su ADN.
Ambos grupos de investigadores han estudiado tardígrados de la especie Hypsibius exemplaris (antes conocida como H. dujardini) a los que irradiaron con rayos gamma para observar cómo respondían. La radiación habitualmente es letal porque rompe la estructura del ADN, ya sea directamente o modificando otras moléculas en el interior de las células que terminan por fragmentar el material genético.
En los humanos, la exposición a niveles muy altos de radiación como los producidos en una explosión atómica, más allá de efectos inmediatos como las quemaduras o el síndrome de irradiación aguda, puede tener consecuencias a largo plazo para la salud como el cáncer o enfermedades cardiovasculares.
En los últimos años, varios estudios han identificado proteínas específicas de los tardígrados que les ayudan a hacer frente a la deshidratación y a la radiación ionizante. Una de ellas es una proteína que se une al ADN, denominada Dsup. Fue descubierta en 2016 por investigadores de la Universidad de Tokyo que también demostraron que, cuando Dsup se introducía en células humanas en cultivo, estas se volvían más resistentes a los rayos X. Sin embargo, esta proteína se ha aislado solo en dos especies de tardígrados de la superfamilia Hypsibioidea y, por lo tanto, no puede ser un mecanismo general de protección.
Ahora los científicos han dado un paso más en el conocimiento de los mecanismos que estas criaturas emplean para sobrevivir a la radiación. En el primer estudio, publicado en enero en la revista 'eLife', investigadores del Museo Nacional de Historia Natural de Francia dirigidos por Anne de Cian y Jean-Paul Concordet, vieron que los rayos gamma fragmentan el ADN de los tardígrados, pero que estos sobreviven.
Los investigadores compararon los patrones de expresión génica de tres especies de tardígrados expuestas a la radiación, H. exemplaris, Acutuncus antarcticus y Paramacrobiotus fairbanksi (esta última no tiene Dsup), y detectaron que, entre los genes que más fuertemente se activan en respuesta a la radiación se encuentran muchos implicados en la reparación del ADN. También descubrieron un nuevo gen específico de los tardígrados que han denominado TRD1 y que codifica una proteína que se une al ADN formando grandes agregados, que sugieren que actuaría preservando la estructura de los cromosomas hasta que el ADN es reparado.
En el otro estudio, publicado en abril en 'Current Biology', Courtney Clark-Hachtel y sus colaboradores de la Universidad de Carolina del Norte confirmaron que los tardígrados de la especie H. exemplaris sufren daños en el ADN tras ser irradiados, pero estos son reparados. Los científicos detectaron que la irradiación produce una rápida activación de muchos genes de reparación del ADN y que su nivel de activación es muy alto. Según los investigadores, la elevada expresión de estos genes sería suficiente para proteger a los tardígrados de la radiación.
Muchas especies de animales emplean este tipo de genes para reparar daños en el ADN. En los humanos, por ejemplo, cada día se producen decenas de roturas en las cadenas de ADN que habitualmente son reparadas. Pero lo sorprendente en los tardígrados es el elevado nivel de activación de estos mecanismos y, por ello, su estudio es relevante porque podría proporcionar pistas para tratar enfermedades como algunos tipos de cáncer producidos por daños en el ADN.
¿Por qué resisten a la radiación?
¿Cómo puede ser que los tardígrados hayan desarrollado esta sorprendente capacidad para hacer frente a las radiaciones si normalmente no están expuestos a ellas? ¿Podría ser una coincidencia, y que los mismos mecanismos que les permiten resistir a la radiación hubieran evolucionado para proteger el ADN frente a otras situaciones adversas?
El investigador Jean-Paul Concordet cree que sí, y que la respuesta podría encontrarse en la deshidratación. La falta de agua líquida produce el colapso de las células y, como la radiación, también fragmenta las cadenas del ADN. De algún modo, los tardígrados emplearían los mismos genes y proteínas de reparación del ADN para evitar daños mayores en ambas situaciones.
Para conocer mejor el origen evolutivo de los tardígrados y las adaptaciones que les permiten prosperar en condiciones extremas serán necesarios más estudios en profundidad. Hasta la fecha se han secuenciado los genomas de dos especies (Hypsibius exemplaris y Ramazzottius varieornatus), que han revelado que los tardígrados estarían más estrechamente emparentados con los nematodos que con los artrópodos. Con los primeros comparten la pérdida de los mismos cinco genes Hox. La mayoría de animales bilaterales poseen diez conjuntos con varios de estos genes, que desempeñan un papel crucial en el establecimiento del plan corporal durante el desarrollo embrionario.
Invertebrados 'de lento andar'
Los tardígrados son extremadamente pequeños –por lo general, menos de un milímetro– y no nos equivocaríamos si afirmásemos que fascinan por igual tanto a un niño que los observa por primera vez como a un experto naturalista. Para observarlos solo es necesario un poco de musgo empapado en agua y observarlo durante unas horas con un microscopio.
Estos curiosos animales de ocho patas fueron descritos inicialmente en 1773 por el zoólogo alemán Johann August Ephraim Goeze, quien los nombró 'kleiner wasserbär', que en alemán significa 'ositos de agua', debido a su característica forma de andar. Sin embargo, no tienen nada que ver con los mamíferos: son invertebrados ecdisozoos junto con los gusanos nematodos y los artrópodos (insectos, arañas y crustáceos), con los que comparten el hecho de poseer una cutícula externa o exoesqueleto de la que se desprenden varias veces a lo largo de su vida, en sucesivas mudas, a medida que crecen. Sus andares también les valieron en 1777 la denominación de tardígrado, que significa 'de paso lento' y que debemos al naturalista italiano Lazzaro Spallanzani.
Se encuentran en prácticamente todos los ecosistemas del planeta, desde las profundidades marinas hasta la cima del Himalaya y tanto en bosques tropicales como en el hielo de la Antártida. Actualmente conocemos unas 1.300 especies. La mayoría son de agua dulce, pero también se han descrito más de un centenar de marinas. Y, por lo general, son bastante abundantes: en un litro de sedimento podemos llegar a encontrar unos 25.000 individuos.
Normalmente habitan en ambientes húmedos, como los musgos y líquenes, pero los hay que viven en otros más secos, siempre que retengan un poco de humedad a su alrededor para poder respirar mediante el intercambio de gases a través de toda su superficie corporal, ya que no poseen órganos respiratorios.
Los tardígrados son ovíparos. Cuando nacen, son un poco más grandes que un grano de polen (0,005 mm) y los adultos de las especies de mayor tamaño pueden alcanzar 1,2 mm de largo, pero en general la mayoría no supera el medio milímetro. Su cuerpo rechoncho, con forma de barril, está formado por una cabeza y cuatro segmentos (tres en el cuerpo y uno caudal), cada uno con un par de patas que terminan en entre cuatro y ocho garras.
Se trata de organismos eutélicos, es decir que los individuos de una misma especie tienen exactamente el mismo número de células cuando alcanzan la madurez, y poseen un sistema nervioso formado por un cerebro dorsal conectado a un cordón nervioso ventral con un ganglio en cada segmento del que salen fibras nerviosas hacia las patas.
Los tardígrados se alimentan de células de algas y plantas que agujerean con los estiletos que tienen en su boca tubular, pero también los hay carnívoros, e incluso algunos se alimentan de otros tardígrados de menor tamaño. En función de la especie, pueden vivir entre tres meses y dos años, sin contar los períodos que pasan en estado de latencia.
Su tamaño microscópico hace que sea difícil identificarlos en el registro fósil. Y aunque han encontrado tardígrados de hace 90 millones de años atrapados en ámbar del período Cretácico, se cree que este grupo de animales se originó mucho antes, hace unos 500 millones de años, en el Cámbrico, a partir de un ancestro lobópodo de mayor tamaño.
¿Cómo evitan el colapso de sus células?
La resistencia de los tardígrados a condiciones extremas es asombrosa. De hecho, se cree que han sobrevivido a las cinco extinciones masivas que han tenido lugar en los últimos 540 millones de años. Fue Spallanzani quien descubrió que eran resistentes a la desecación. En situaciones adversas, como la falta de agua o cambios bruscos de temperatura y salinidad, los tardígrados reducen su contenido de agua hasta el 1% y su metabolismo hasta el 0,01% del normal, y entran en un estado de latencia, denominado tun, en el que pueden sobrevivir varios años, incluso una década.
Aunque se suponía que la resistencia a la desecación podía deberse al azúcar trehalosa, como ocurre en otros organismos, como la levadura, los tardígrados no fabrican este disacárido en cantidad suficiente para hacerle frente. Por el contrario se descubrió que, tanto en condiciones normales como en respuesta a la deshidratación, sintetizan gran cantidad de proteínas intrínsecamente desestructuradas, un tipo de proteínas sin una estructura tridimensional predeterminada que pueden adoptar distintas configuraciones para adaptarse a condiciones ambientales cambiantes. Algunas de ellas son específicas de los tardígrados y se cree que mantienen la integridad de las membranas celulares, evitando que se produzcan daños estructurales cuando se rehidratan, y también forman una matriz vítrea que protegería el contenido de las células.
En el estado de tun los tardígrados también pueden soportar presiones extremadamente bajas (el vacío) y muy altas, seis veces la presión en la fosa de las Marianas. Y sobrevivir tanto a temperaturas extremadamente bajas (cercanas al cero absoluto –273 ºC durante unos minutos, –200 ºC durante días y –20 ºC durante varios decenios), como algunas especies, también a temperaturas muy altas, de 150 ºC, durante algunos minutos.
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