Biologia de los microorganismos-1068 (1277)

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plantea también demandas sin precedentes sobre la capacidad 
computacional necesaria para llevar a cabo los análisis de las 
secuencias. De hecho, serán necesarios grandes avances en la 
eficiencia y la capacidad de almacenamiento de los ordenado-
res para seguir el ritmo del volumen de los datos metagenómi-
cos en el futuro.
Algunos ejemplos de genómica ambiental
La genómica ambiental puede detectar genes nuevos en orga-
nismos conocidos y genes conocidos en organismos nuevos. 
Además, muchos de los fragmentos de las secuencias metage-
nómicas presentan motivos en el DNA que indican que codi-
fican proteínas, pero estas proteínas no tienen homólogos 
conocidos en las bases de datos públicas existentes, y no tie-
nen ninguna relación filogenética aparente con especies cono-
cidas. Es lo que se conoce como genes «huérfanos» (en inglés 
hacen un juego de palabras con las siglas de pauta de lectura 
abierta, ORF, y les llaman «ORFan genes»). En el estudio del 
mar de los Sargazos mencionado antes, se encontraron genes 
que codifican proteínas que actúan en metabolismos conoci-
dos, insertados ocasionalmente en genomas de organismos de 
los que previamente se desconocía que llevaran a cabo dichos 
metabolismos. Por ejemplo, el descubrimiento de genes rela-
cionados con los que codifican la amoniaco-monooxigenasa, 
una enzima fundamental de las bacterias oxidantes del amo-
niaco (Tabla 18.3; Secciones 13.10, 14.13 y 16.6) en un frag-
mento de DNA que contenía también genes arqueanos sugería 
la posible existencia de arqueas oxidantes de amoniaco. Más 
tarde, los microbiólogos consiguieron aislar arqueas nitrifican-
tes de un ambiente marino (Nitrosopumilus maritimus, Sec-
ciones 13.10 y 16.6).
En un segundo ejemplo del estudio del mar de los Sarga-
zos, se encontraron genes que codifican la proteorrodopsina, 
la bomba protónica fotorregulada presente en algunas pro-
teobacterias y relacionada con la bacteriorrodopsina de los 
halófilos extremos ( Sección 16.1), en varios linajes filoge-
néticos nuevos de Bacteria. El gen para la proteorrodopsina 
se había descubierto anteriormente en un grupo sin cultivar 
de Gammaproteobacteria marinas mediante la clonación y 
la secuenciación de grandes fragmentos de DNA aislados de 
agua del océano. Desde entonces, diversos análisis metagenó-
micos han puesto de manifiesto que la proteorrodopsina es una 
proteína ampliamente distribuida, y se encuentra tanto entre 
las arqueas marinas como entre las bacterias de agua dulce. 
Estos descubrimientos señalaron la importancia de la luz en la 
fisiología y ecología de estos organismos, y sugirieron nuevas 
estrategias para enriquecerlos y aislarlos en el laboratorio. En 
la actualidad, la proteorrodopsina se ha identificado en varios 
microorganismos cultivados (incluidas Alfa-, Beta- y Gam-
maproteobacteria, especies de Bacteroidetes y dinoflagelados 
marinos eucariotas) y está asociada principalmente con fun-
ciones bioenergéticas.
Los métodos genómicos también han revelado variaciones 
en genes asociados con un solo filotipo; es decir, en cepas que 
contienen genes de rRNA idénticos o casi idénticos. Por ejem-
plo, en estudios con Prochlorococcus, la cianobacteria (fotó-
trofo oxigénico) más abundante del océano ( Sección 14.3), 
en la comparación de las secuencias genómicas de cepas cul-
tivadas con genes de Prochlorococcus obtenidos a partir de 
especie (Figura 18.18). Para «reensamblar» genomas o fragmen-
tos genómicos prácticamente completos a partir de DNA meta-
genómico es importante evaluar si todos los genes necesarios 
para un organismo vivo están presentes (como todos los tRNA 
y rRNA estables necesarios) y por tanto podemos diagnosti-
car un genoma completo. Además, es igualmente importante 
una evaluación de la abundancia relativa de genes que codifican 
funciones específicas, pues los cambios de abundancia sugie-
ren interacciones entre especies o una respuesta común a una 
variable ambiental concreta. Por ejemplo, si se recupera un gran 
número de genes de la ruta de fijación de nitrógeno, esto suge-
riría que el ambiente muestreado tenía una limitación de NH
4
+, 
NO
3
– y otras formas de nitrógeno fijado, lo cual favorecería la 
selección de bacterias fijadoras de nitrógeno. En la Figura 18.18 
se compara el método de genómica ambiental con el análisis de 
genes individuales de las comunidades microbianas.
Nuevas técnicas de metagenómica
En un estudio metagenómico con procariotas realizado en el 
mar de los Sargazos (una región pobre en nutrientes del océano 
Atlántico, cerca de las Bermudas), se descubrió una gran diver-
sidad. Este estudio se basaba en el análisis de datos de casi mil 
millones de pares de bases procedentes de una biblioteca de 
DNA plasmídico de clonación al azar ( Sección 6.2) obtenida 
a partir de agua superficial. Los resultados sugerían que había 
presentes al menos 1.800 especies bacterianas y arqueanas, 
entre las que se contaban 148 filotipos desconocidos hasta el 
momento y muchos genes nuevos. Muchas de estas especies se 
habían pasado por alto previamente en los análisis de la comu-
nidad basados en rRNA, ya que la baja sensibilidad de detec-
ción que se obtiene al secuenciar las genotecas a menudo pasa 
por alto especies minoritarias (Figura 18.16), y también por-
que no todos los genes de rRNA 16S que había en la comuni-
dad microbiana del mar de los Sargazos se pudo amplificar con 
los cebadores usados para la amplificación por PCR. Obvia-
mente, los genes que no se pueden amplificar no son detecta-
dos en los análisis de la comunidad. La metagenómica sortea 
este problema al secuenciar el DNA sin amplificarlo previa-
mente mediante PCR de genes específicos (Tabla 18.3). De este 
modo, se secuencian los genes ya sean amplificados por PCR 
o no.
Aunque mil millones de pares de bases de secuencia es un
conjunto enorme de datos individuales que costó más de un 
millón de dólares con la tecnología disponible en el momento, 
fue insuficiente para describir la totalidad de la diversidad de 
las especies microbianas en la muestra del mar de los Sarga-
zos. De hecho, un mililitro de agua de mar contiene aproxi-
madamente cinco billones (1012) de pares de bases de DNA 
genómico bacteriano (suponiendo un tamaño medio de los 
genomas de cinco millones de pares de bases, y una densidad 
de un millón de células), y por tanto sería necesario un esfuerzo 
de secuenciación cinco mil veces mayor solamente para cubrir, 
de media, cada par de bases una vez. Aun con la tecnología 
actual, que nos permite generar unos ochocientos mil millones 
de pares de bases de secuencia en diez días (Figura 18.16), no 
se ha secuenciado completamente ningún ambiente. Además, 
esta increíble capacidad de secuenciación, que permite reali-
zar análisis metagenómicos tanto de los componentes abun-
dantes como de los minoritarios en un hábitat determinado, 
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