Las comunidades microbianas que sustentan la salud humana y vegetal podrían ser clave para la vida en el espacio.

Los microorganismos rara vez viven solos. En su lugar, forman comunidades densas y organizadas conocidas como biofilms, ensamblajes estructurados de bacterias, hongos y otros microbios incrustados en una matriz compartida. Estas comunidades recubren las raíces de las plantas, revisten los tejidos humanos y sustentan procesos esenciales como la absorción de nutrientes, la tolerancia al estrés y la protección contra enfermedades. Ahora, los investigadores sugieren que los biofilms también podrían ser fundamentales para sostener la vida en el espacio.

En un nuevo artículo de Perspectiva publicado en npj Biofilms and Microbiomes, un equipo de investigación internacional describe cómo el estudio de los biofilms durante los vuelos espaciales de larga duración podría reconfigurar nuestra comprensión de la vida microbiana. El artículo propone una agenda de investigación centrada en cómo se comportan los biofilms bajo condiciones de vuelo espacial y cómo esos conocimientos podrían servir de base para los sistemas biológicos en la Tierra.

"Los biofilms a menudo se consideran desde un punto de vista infeccioso y se tratan como un problema a eliminar, pero en realidad son el estilo de vida microbiano predominante que sustenta sistemas biológicos saludables", afirmó la primera autora Katherine J. Baxter, en un comunicado de prensa.

Para entender la trascendencia de esta afirmación, debemos alejarnos de la visión simplista del microbio solitario. Un biofilm es una estructura altamente sofisticada que funciona como una ciudad microscópica. Las células microbianas se adhieren a una superficie y se protegen segregando una sustancia pegajosa conocida como Sustancia Polimérica Extracelular (EPS). Esta matriz de EPS está compuesta por polisacáridos, proteínas y ADN. Actúa como un andamio físico, una barrera protectora contra amenazas externas (como antibióticos o el sistema inmunológico) y un sistema de comunicación eficiente.

La vida dentro de un biofilm es fundamentalmente diferente a la vida planctónica (microbios individuales flotando libremente). Dentro de la matriz, las células experimentan gradientes de nutrientes, oxígeno y pH, lo que lleva a la diferenciación celular y a la especialización de tareas. Esta organización confiere a la comunidad una resiliencia que las células individuales simplemente no poseen. Es precisamente esta resiliencia bajo condiciones extremas lo que convierte a los biofilms en candidatos esenciales para la supervivencia y el mantenimiento de la salud biológica en el entorno hostil del espacio.

Las Comunidades Microbianas como Prueba de Estrés para la Vida en el Espacio

En la Tierra, los biofilms están intrínsecamente integrados en los sistemas vivos. En los humanos, ayudan a organizar las comunidades microbianas en el intestino, la boca y la piel. De hecho, la placa dental es un tipo de biofilm, al igual que las colonias de bacterias beneficiosas que tapizan el epitelio intestinal y que son cruciales para la digestión y la maduración inmunológica. En las plantas, los biofilms que rodean las raíces influyen en la absorción de nutrientes, la tolerancia al estrés (como la sequía o la salinidad) y la resistencia a los patógenos. Estas interacciones biológicas evolucionaron bajo condiciones terrestres relativamente estables, incluida la gravedad constante y una exposición a la radiación relativamente baja.

Algunos investigadores argumentan que estructuras similares a biofilms pueden haber desempeñado un papel crucial en las etapas más tempranas de la vida en la Tierra, proporcionando andamios físicos que concentraron moléculas y facilitaron las primeras interacciones metabólicas. Vistos a través de esa lente, los biofilms no son solo sistemas biológicos modernos, sino productos de miles de millones de años de evolución que se encuentran en el corazón de la biología.

El vuelo espacial altera muchas de esas condiciones a la vez, presentando un desafío existencial para estas comunidades microbianas. Los experimentos realizados a bordo de la Estación Espacial Internacional (EEI) y en simulaciones terrestres han demostrado que la microgravedad y la radiación pueden cambiar drásticamente la estructura del biofilm, la regulación génica, la señalización microbiana (conocida como quorum sensing) y las respuestas al estrés.

Curiosamente, las respuestas no son uniformes. Algunos biofilms se vuelven más densos y resistentes, lo que dificulta su eliminación y aumenta su capacidad para causar infecciones oportunistas en ambientes cerrados como la EEI. Otros, sin embargo, pierden organización o función. Estos efectos varían notablemente según la especie microbiana y las plataformas experimentales utilizadas, lo que complica su interpretación y, sobre todo, su gestión.

La microgravedad, en particular, afecta la convección y la transferencia de masa, lo que significa que los nutrientes y las moléculas de señalización no se distribuyen como lo hacen en la Tierra. Esto fuerza a los microbios a adoptar estrategias de crecimiento diferentes, a menudo conduciendo a la formación de una matriz de EPS más gruesa y protectora. Esta hiperproducción de matriz, si ocurre en la interfaz de un hábitat espacial con los astronautas, podría incrementar el riesgo de biocorrosión o fallos en los sistemas de soporte vital.

"El vuelo espacial ofrece un banco de pruebas distintivo e invaluable para la organización y función de los biofilms y, lo que es más importante, la evidencia hasta ahora deja claro que los biofilms deben entenderse, gestionarse y probablemente diseñarse mejor para salvaguardar la salud durante los viajes espaciales," señaló Baxter.

El Papel Vital de los Biofilms en la Astrobiología y la Evolución Temprana

El estudio de cómo los biofilms responden al estrés extremo del espacio tiene implicaciones que van más allá del mantenimiento de la EEI o una futura base lunar. Nos ofrece una ventana a las condiciones extremas bajo las cuales la vida pudo haber surgido y prosperado no solo en nuestro planeta, sino potencialmente en otros mundos.

El concepto de que los biofilms son estructuras primitivas y resilientes se alinea con la hipótesis de que la vida primitiva terrestre (hace unos 3500 millones de años) se manifestó por primera vez en tapetes microbianos o estromatolitos, que son esencialmente biofilms fosilizados. Estas estructuras proporcionaron un entorno acuoso estable, rico en nutrientes concentrados, que permitió la catalización de reacciones químicas complejas, un paso necesario para el desarrollo de la vida metabólica. Si la vida surgió en la Tierra de esta manera, es razonable suponer que estructuras similares podrían ser cruciales para la vida microbiana en otros cuerpos celestes con condiciones ambientales igualmente inhóspitas.

La búsqueda de vida extraterrestre basada en biofilms. La astrobiología moderna se apoya en el estudio de organismos extremófilos que sobreviven en entornos terrestres análogos a Marte o a las lunas heladas de Júpiter y Saturno. Muchos de estos extremófilos dependen de la vida comunitaria del biofilm para resistir altas presiones, temperaturas extremas, salinidad o, crucialmente para la exploración espacial, altos niveles de radiación. Al observar cómo los biofilms modifican su estructura y genética en microgravedad y radiación, estamos aprendiendo qué firmas biológicas o estructuras podríamos buscar en la superficie o subsuelo de Marte. Es posible que cualquier forma de vida microbiana que pudiera existir en el cosmos haya adoptado la estrategia de los biofilms para encapsularse y protegerse de la esterilización ambiental.

Por Qué las Plantas y los Biofilms Son Cruciales para los Viajes Espaciales de Larga Duración

A medida que las agencias espaciales, como la NASA y la ESA, planifican misiones más largas, incluidos hábitats lunares sostenidos y el eventual viaje a Marte, las plantas están destinadas a desempeñar un papel central en los Sistemas de Soporte Vital Cerrado (CELSS). Estos sistemas son esenciales para reciclar el aire, purificar el agua y proporcionar alimentos frescos, reduciendo la dependencia de suministros terrestres.

Sin embargo, el rendimiento de las plantas depende en gran medida de los biofilms microbianos que se encuentran en y alrededor de sus sistemas radiculares, un área conocida como rizósfera. Los microbios en la rizósfera facilitan la solubilización del fósforo, la fijación de nitrógeno y la protección contra patógenos oportunistas, asegurando que la planta pueda crecer eficazmente incluso en sustratos subóptimos o en entornos de estrés.

Si un sistema de soporte vital en el espacio debe ser sostenible y fiable durante años, debemos garantizar que estos biofilms beneficiosos se mantengan sanos y funcionales. El estrés del espacio (gravedad alterada, altos niveles de radiación gamma o cósmica) amenaza con desestabilizar estas delicadas simbiosis planta-microbio, comprometiendo la producción de alimentos.

Para estudiar estas interacciones complejas en condiciones espaciales, los investigadores destacan un enfoque conocido como multiómicas. Este método combina múltiples tipos de datos biológicos —incluida información genética (genómica), transcripcional (transcriptómica), metabólica (metabolómica) y bioquímica— para capturar cómo las complejas comunidades microbianas funcionan como sistemas integrados.

La Revolución Multiómica para Entender la Raíz

Tradicionalmente, la biología microbiana se centraba en un solo organismo o en una sola capa de información (como el genoma). Pero cuando se trata de biofilms, esta visión es insuficiente. Un biofilm es un ecosistema dinámico donde la función de una bacteria está intrínsecamente ligada a la señalización de un hongo cercano, y todo esto está mediado por la matriz de EPS.

El enfoque multiómico es la única forma de descifrar esta complejidad. Por ejemplo, la genómica nos dice qué potencial tiene una comunidad (qué genes están presentes), mientras que la transcriptómica revela qué genes se están activando activamente en respuesta al microambiente espacial. La metabolómica es especialmente crucial, ya que identifica las pequeñas moléculas (metabolitos) que los microbios están produciendo e intercambiando, que son la moneda de cambio real en la comunicación del biofilm y en la interacción con la planta.

Al aplicar la multiómica a experimentos de rizósfera en la EEI, los científicos pueden identificar qué vías metabólicas se activan cuando una planta está estresada y cómo los microbios del biofilm ajustan su producción de hormonas vegetales o agentes protectores para compensar.

"Al combinar la genética y la bioquímica de múltiples especies, la multiómica moderna tiene la emocionante capacidad de revelar nuevos mecanismos de biofilm derivados de las respuestas al vuelo espacial, y está empezando a llenar importantes vacíos en nuestra comprensión de la señalización y el metabolismo en la interfaz de los biofilms y las raíces de las plantas," explicó la coautora Eszter Sas.

Ingeniería de Biofilms para la Supervivencia Lunar. La meta a largo plazo no es solo comprender los biofilms espaciales, sino diseñarlos. La ingeniería de biofilms implica la selección o modificación de cepas microbianas que demuestren una simbiosis robusta con plantas específicas bajo microgravedad. Podríamos necesitar introducir cepas de Rhizobium (fijadores de nitrógeno) o Bacillus (promotores del crecimiento vegetal) que estén genéticamente optimizadas para mantener su función protectora y su productividad incluso cuando se cultiven en un sustrato de regolito lunar o marciano. Esta biotecnología espacial representa una frontera crítica para la autonomía fuera de la Tierra.

De los Vuelos Espaciales a la Vida Cotidiana en la Tierra: Lecciones Aprendidas

Aunque la Perspectiva publicada se centra en el vuelo espacial, sus implicaciones no se limitan a la órbita terrestre. Los biofilms influyen profundamente en la salud humana, la resistencia a los antibióticos y la función de los ecosistemas terrestres. Comprender cómo estas comunidades microbianas responden a un estrés tan peculiar y extremo como el entorno espacial podría informar nuevas formas de gestionarlas y manipularlas en la Tierra.

Impacto Clínico. En el ámbito clínico, los biofilms son la causa de la mayoría de las infecciones crónicas y resistentes. Desde infecciones de implantes médicos y catéteres hasta enfermedades como la fibrosis quística (donde Pseudomonas aeruginosa forma biofilms impenetrables en los pulmones), la naturaleza resistente de estas comunidades es un desafío monumental. Al descubrir qué genes se activan en el espacio para aumentar la densidad o la resistencia del biofilm (por ejemplo, ante la radiación), los investigadores pueden identificar nuevas dianas farmacológicas para la terapia antibiótica terrestre. La comprensión de los mecanismos de estrés bajo microgravedad podría traducirse en nuevos enfoques para desmantelar la matriz protectora de la EPS en pacientes con infecciones crónicas.

Agricultura y Sanidad del Suelo. Las tensiones ambientales en la Tierra (como la sequía, el aumento de la salinidad debido al cambio climático o la contaminación del suelo) ejercen una presión similar, aunque diferente, a la que se observa en el espacio. El estudio de los biofilms en la rizósfera bajo condiciones de vuelo espacial puede proporcionar modelos de cómo las comunidades microbianas pueden ayudar a las plantas a superar el estrés ambiental terrestre. Por ejemplo, al identificar los metabolitos de señalización que los biofilms utilizan para fomentar el crecimiento vegetal en un entorno espacial pobre en nutrientes, podemos replicar ese efecto para mejorar la salud del suelo y la productividad de los cultivos en zonas agrícolas degradadas en la Tierra.

"El vuelo espacial puede revelar una biología nueva bajo un estrés desconocido, y esos conocimientos pueden decirnos mucho sobre cómo podría sobrevivir la vida en el espacio, pero también informar enfoques para la salud y la agricultura en la Tierra," concluyó el autor principal, Nicholas J. B. Brereton. El espacio, por lo tanto, se convierte en el último laboratorio de biología extrema, ofreciéndonos soluciones no solo para el futuro de la exploración humana, sino también para los desafíos de salud y medio ambiente que ya afrontamos.

Fuentes

https://www.eurekalert.org/news-releases/1113438

https://www.nature.com/articles/s41522-023-00431-1

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6447817/

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2021.684784/full

https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/biofilms-in-space/