El mayor proyecto de secuenciación de genomas de algas revela una diversidad inesperada en estas microalgas y crea una base para investigar captura de carbono, bioenergía, sensores y productos biomédicos
Redactor: Santiago Duarte
Editor: Eduardo Schmitz
Un consorcio internacional integrado por más de 100 científicos ha presentado los primeros resultados del Proyecto de los 100 Genomas de Diatomeas, la mayor iniciativa de secuenciación genética de algas realizada hasta el momento. El trabajo, dirigido desde la Universidad de East Anglia, en el Reino Unido, muestra diferencias genéticas considerables entre especies de estas microalgas y abre nuevas líneas de investigación para la biotecnología, la bioenergía y la captura de carbono.
La colaboración reunió especialistas de 11 países y cerca de 30 instituciones. Entre sus participantes se encuentra Rosa Trobajo, investigadora del Instituto de Investigación y Tecnología Agroalimentaria de España. Los primeros hallazgos fueron publicados en la revista científica PLOS Biology.
El proyecto compara especies procedentes de los principales linajes evolutivos de las diatomeas y de una amplia variedad de ambientes marinos y de agua dulce. La información permitirá estudiar cómo la composición de sus genomas se relaciona con diferencias en metabolismo, adaptación, estructura celular y comportamiento.
Una diversidad genética mayor de la esperada
Las diatomeas constituyen el grupo de algas con mayor diversidad conocida. Se estima que existen al menos 100.000 especies distribuidas por prácticamente todos los ambientes acuáticos, desde mares abiertos y zonas costeras hasta ríos, lagos y otros ecosistemas de agua dulce.
Pese a esa diversidad, hasta hace poco solo se conocían con detalle los genomas de alrededor de diez especies. Esa limitada representación impedía comparar de forma amplia sus mecanismos biológicos y dificultaba identificar los rasgos genéticos responsables de su éxito en condiciones ambientales muy diferentes.
Los nuevos resultados indican que el pangénoma de las diatomeas es abierto. Esto significa que cada especie incorporada al análisis puede aportar familias de genes o variantes que no habían aparecido en las secuencias anteriores. Los científicos proyectan que el número de familias génicas, incluidas sus variantes, podría duplicarse hasta situarse alrededor de 40.000 cuando se complete la iniciativa.
Thomas Mock, investigador de la Facultad de Ciencias Ambientales de la Universidad de East Anglia y director del proyecto, explicó que la diversidad genética encontrada fue uno de los resultados más sorprendentes. El consorcio espera utilizarla para reconstruir la evolución de las diatomeas y determinar cómo desarrollaron características capaces de sostener su presencia en hábitats tan distintos.
Más que cien genomas de microalgas
El objetivo original era secuenciar los genomas de cien especies representativas. La iniciativa ya superó esa meta inicial al incorporar información producida por otros grupos científicos, lo que amplía el alcance comparativo del recurso.
El equipo no busca únicamente acumular secuencias de ADN. También trabaja en un sistema compartido para describir y clasificar las características biológicas de cada especie. La estandarización permitirá que laboratorios de diferentes países combinen resultados y comparen genes, estructuras celulares, condiciones ambientales y respuestas fisiológicas.
La estrategia guarda relación con otros avances de la genómica aplicada. La secuenciación de genomas de variedades agroalimentarias también demuestra cómo un mapa genético de referencia puede facilitar la identificación de variantes, rasgos adaptativos y regiones del ADN con posible valor productivo.
En las diatomeas, la comparación cubre todos los clados principales y la mayoría de los ambientes donde estos organismos están presentes. Esta amplitud resulta esencial para separar los rasgos compartidos por numerosas especies de aquellos que corresponden a adaptaciones particulares.
Genes con potencial para la bioeconomía
La investigación podría identificar genes, proteínas y rutas metabólicas aprovechables en ingeniería genética y biología sintética. Entre las aplicaciones consideradas figuran combustibles más limpios, nutracéuticos, antioxidantes, complementos alimentarios, sensores, sistemas de liberación de medicamentos y nuevos procesos industriales.
Estas posibilidades todavía requieren investigación experimental y validación antes de transformarse en productos comerciales. El estudio funciona principalmente como una infraestructura genética sobre la cual podrán seleccionarse organismos o mecanismos biológicos con características de interés.
Las paredes celulares de las diatomeas, formadas por sílice y organizadas en patrones microscópicos complejos, despiertan especial interés para la nanotecnología. Comprender los genes que controlan su formación podría aportar modelos para fabricar estructuras destinadas a sensores, materiales funcionales o vehículos para transportar compuestos activos.
El conocimiento genómico también puede respaldar la producción dirigida de metabolitos. Una vez identificadas las especies y variantes apropiadas, la biología sintética podría ayudar a optimizar rutas celulares, aunque cualquier aplicación deberá evaluar rendimiento, estabilidad, costes, bioseguridad y regulación.
La posibilidad de incorporar rutas biológicas completas se relaciona con el desarrollo de plataformas avanzadas de biología sintética. En ambos casos, la secuenciación aporta el catálogo inicial necesario para localizar funciones y diseñar modificaciones con objetivos específicos.
Las diatomeas y la captura natural de carbono
Las diatomeas contribuyen aproximadamente al 20 % de la fijación global de carbono y de la producción de oxígeno, de acuerdo con los datos recogidos por el proyecto. Mediante la fotosíntesis incorporan dióxido de carbono a su biomasa y forman parte de la base de numerosas redes alimentarias acuáticas.
Una fracción del carbono capturado puede desplazarse desde la superficie oceánica hacia aguas profundas cuando las células o la materia orgánica asociada se hunden. Allí puede permanecer almacenada durante periodos prolongados, por lo que conocer el funcionamiento de las diatomeas resulta relevante para estudiar el ciclo planetario del carbono.
Los investigadores pretenden identificar las diferencias genéticas que influyen en la velocidad de crecimiento, la fijación de carbono, la formación de biomasa y el hundimiento celular. Sin embargo, disponer de especies eficientes en laboratorio no implica que puedan emplearse inmediatamente como una solución climática a gran escala.
Las propuestas de captura de dióxido de carbono necesitan analizar el ciclo completo, el consumo energético, la estabilidad del almacenamiento y los posibles efectos ecológicos. Otros desarrollos, como los materiales obtenidos de residuos biológicos para capturar CO2, muestran que la bioeconomía explora múltiples vías que requieren evaluaciones técnicas antes de su aplicación industrial.
Adaptación frente a océanos en transformación
Una de las preguntas centrales es cómo responderán las distintas diatomeas al calentamiento, la acidificación, los cambios de salinidad y las alteraciones en la disponibilidad de nutrientes. La diversidad observada indica que las especies no necesariamente reaccionarán de la misma manera ante las nuevas condiciones.
El equipo espera identificar los mecanismos evolutivos que sostienen esa capacidad de adaptación y determinar cómo las respuestas celulares pueden modificar la fijación de carbono y el funcionamiento de las redes tróficas. Esa información permitiría mejorar los modelos que proyectan la respuesta de los ecosistemas acuáticos al cambio ambiental.
La investigación genética de las algas ya tiene una dimensión productiva. Los programas destinados a obtener variedades de kelp resistentes al calentamiento marino muestran cómo la selección y el conocimiento molecular pueden utilizarse para proteger cultivos acuáticos. Las diatomeas son microalgas y el kelp pertenece a las macroalgas, pero ambos casos evidencian la importancia de conservar diversidad genética para sostener la adaptación.
Las consecuencias alcanzan también a la acuicultura y la seguridad alimentaria. Como productoras primarias, las diatomeas sostienen organismos que posteriormente alimentan a peces y otras especies acuáticas. Un cambio en su composición, abundancia o valor nutricional puede propagarse a través de toda la cadena alimentaria.
La transferencia tecnológica dependerá de la financiación
El Proyecto de los 100 Genomas de Diatomeas recibe financiación del Joint Genome Institute, organismo dependiente del Departamento de Energía de Estados Unidos. Su apoyo responde al interés de esa institución en la bioenergía, el ciclo de los nutrientes y las aplicaciones ambientales de las algas.
La tecnología necesaria para secuenciar y comparar estos organismos ya está disponible, pero convertir los hallazgos en aplicaciones exige estudios funcionales, cultivos experimentales y sistemas de producción a mayor escala. Mock advirtió que el ritmo de avance dependerá del respaldo de gobiernos, instituciones científicas e industria.
La base de datos compartida permitirá seleccionar candidatos y formular hipótesis con mayor precisión, pero cada función atribuida a un gen deberá demostrarse experimentalmente. El principal resultado inmediato es una infraestructura internacional que reduce el vacío de conocimiento sobre uno de los grupos de microorganismos más diversos y relevantes de los ecosistemas acuáticos.
Fuentes referenciales:
Agencia SINC
PLOS Biology
Universidad de East Anglia
