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Mecanismos de resistenciaa la radiacin en microorganismos

El ININ hoy

Las radiaciones forman parte del mundo en

que vivimos, por lo que todos estamos expues-

tos a diferentes tipos de radiacin ya sea visi-

ble o invisible, ionizante o no ionizante. Des-

de su aparicin, los seres vivientes han desa-

rrollado diversos mecanismos para proteger y

reparar sus molculas de ADN de los daos

que no slo las radiaciones, sino tambin una

amplia variedad de compuestos qumicos

(genotxicos), les infieren. A travs de la histo-

ria evolutiva dichos mecanismos han alcan-

zado una eficiencia ptima para enfrentar los

niveles naturales de radiacin y de diversos

agentes genotxicos.

Sin embargo, en la naturaleza hay organis-

mos extremadamente resistentes a la radia-

cin. El origen de su alta resistencia es difcil

de explicar. Su capacidad de reparar diversos

tipos de dao, es ms que suficiente para neu-

tralizar el escaso dao que se genera en su

hbitat natural. Un ejemplo es la bacteria

Deinococcus radioduransDeinococcus radioduransDeinococcus radioduransDeinococcus radioduransDeinococcus radiodurans que como su

nombre lo sugiere, posee una extraordinaria

resistencia a la radiacin ionizante, luz

ultravioleta y muchos otros agentes que da-

an el ADN.

Esta bacteria fue originalmente aislada en

1956 a partir de alimentos radioesterilizados

y los estudios posteriores revelaron que posee

una gran capacidad para reparar rompimien-

tos de las cadenas de ADN, que es el princi-

pal perjuicio causante de la letalidad ocasio-

nada por la radiacin ionizante, as como tam-

bin diversas lesiones genticas producidas

por la luz ultravioleta y compuestos qumicos.

Para explicar la alta eficiencia en la repara-

cin de los rompimientos dobles, se ha pro-

puesto un modelo segn el cual

DeinococcusDeinococcusDeinococcusDeinococcusDeinococcus posee varios cromosomas per-

manentemente entrelazados mediante estruc-

turas conocidas como intermediarios de

Holliday, que en otras bacterias slo se for-

man transitoriamente. Se supone que gracias

a esta caracterstica puede soportar dosis de

hasta 15,000 Gy de radiacin gamma, sin que

se observe ningn efecto letal o mutagnico.

Esta dosis causa alrededor de 130 rompimien-

tos de la doble hlice del ADN por cada

cromosoma y, para dar idea de la magnitud

del dao cabe aclarar que la mayora de los

organismos no sobrevive a ms de 2 3 rom-

pimientos por cromosoma.

Si el nivel natural de radiacin ha sido ms o

menos constante a lo largo de la historia de

la tierra, entonces resulta difcil explicar el ori-

gen de la extraordinaria capacidad de

Deinococcus radioduransDeinococcus radioduransDeinococcus radioduransDeinococcus radioduransDeinococcus radiodurans para reparar

esos daos genticos. Segn algunos investi-

gadores, hay evidencias de que esta gran re-

sistencia a la radiacin ionizante es inciden-

tal, es decir, es una consecuencia de la adap-

tacin de D. radioduransD. radioduransD. radioduransD. radioduransD. radiodurans a ambientes con

bajo contenido de humedad. Segn ellos, la

Por David Alcntara Daz, Departamento de Bio-loga. (dad@nuclear.inin.mx)

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elevada sequedad, que tambin causa rompi-

mientos en el ADN, favoreci la aparicin de

mecanismos extremadamente eficientes que

eliminaran este tipo de dao. Sin embargo esta

hiptesis no explica la extrema resistencia de

la bacteria a la luz ultravioleta, cuyos daos

en el ADN son muy distintos, de manera que

el origen de su gran capacidad de reparacin

del ADN no est totalmente aclarado. Esta

adaptacin de Deinococcus radioduransDeinococcus radioduransDeinococcus radioduransDeinococcus radioduransDeinococcus radiodurans

a la sequedad no slo le permite resistir altas

dosis de radiacin, sino tambin temperaturas

extremas, deshidratacin y el ataque de una

amplia variedad de agentes qumicos

genotxicos, condiciones que podran presen-

tarse en otros planetas. De ah que la NASA

est interesada en esta bacteria ya que me-

diante tcnicas de ingeniera gentica podra

ser modificada para producir medicinas y pu-

rificar agua y oxgeno, contribuyendo de esa

manera a la supervivencia de los astronautas

en otros mundos. De hecho ya ha sido mani-

pulada genticamente para degradar com-

puestos orgnicos txicos en sitios contami-

nados con desechos radiactivos.

Como muchas de las caractersticas de los se-

res vivientes, la alta radioresistencia de

Deinococcus radioduransDeinococcus radioduransDeinococcus radioduransDeinococcus radioduransDeinococcus radiodurans es resultado de

un largo proceso darwininiano de mutacin y

seleccin, ocasionado por el estrs ambiental

al que se vio sometido este organismo. Surge

entonces la pregunta de si dicho proceso puede

ser reproducido en el laboratorio acelerando

la variabilidad gentica (mutacin) as como

la seleccin de los individuos mejor adapta-

dos. Esta pregunta ha sido abordada por al-

gunos investigadores los cuales han logrado,

mediante la exposicin crnica, incrementar

la resistencia de algunos microorganismos a

la radiacin.

Aunque es poco probable que en la naturale-

za ocurra un incremento notable en el nivel de

radiacin ambiental, el estudio de la respuesta

que los organismos tendran ante tal eventua-

lidad es de gran inters por varias razones.

Por ejemplo, permitira saber si la estrategia de

D. radioduransD. radioduransD. radioduransD. radioduransD. radiodurans es la nica posibilidad de

adaptacin a tal situacin o si es slo una

entre una gama de vas adaptativas posibles.

Por otro lado, no se sabe hasta donde seran

capaces los organismos de sobrevivir en con-

diciones de radioactividad elevada y qu cam-

bios en su naturaleza gentica y bioqumica

traera consigo esa adaptacin.

Puesto que las mutaciones inducidas ocurren

al azar y sin direccionalidad aparente, es bas-

tante probable que los mecanismos de resis-

tencia se diversifiquen en diferentes poblacio-

nes de microorganismos. Sin embargo, a pesar

de la naturaleza aleatoria de esos eventos, que-

da la posibilidad de que durante el proceso de

seleccin llegue a darse una convergencia de

las distintas poblaciones hacia un mecanismo

de resistencia nico, especialmente si les con-

fiere mayor ventaja adaptativa.

Para examinar ambas posibilidades, se expu-

sieron cinco poblaciones genticamente idn-

ticas de la bacteria Escherichia coliEscherichia coliEscherichia coliEscherichia coliEscherichia coli a 80

ciclos de luz ultravioleta, que como se sabe

induce una variedad de daos en el ADN de

las clulas expuestas, con la idea de reprodu-

cir en el laboratorio los procesos que tienen

lugar en la naturaleza bajo una intensa pre-

sin selectiva, que en este estudio son acelera-

dos por un agente que as como induce muta-

ciones genticas, tambin selecciona a las que

ofrecen mayor ventaja adaptativa en ese me-

dio particular.

As se obtuvieron 5 cepas con mayores niveles

de resistencia a radiacin UV, en las que por

la tcnica de mapeo gentico, se pudo locali-

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zar a las mutaciones responsables de ese au-

mento en la resistencia para as poder inferir

los mecanismos causantes.

Los resultados indican que hubo una diversi-

ficacin de los mecanismos de resistencia en

las distintas poblaciones, ya que las mutacio-

nes seleccionadas afectan diferentes genes y

por lo tanto diferentes vas metablicas. Des-

de luego hubo una tendencia hacia la selec-

cin de mecanismos basados en una mayor

capacidad de reparacin del ADN, pero

sorpresivamente en una de las dos poblacio-

nes ms resistentes se afect la duplicacin

de la molcula de ADN.

Parece ser que la resistencia de dicha cepa se

debe a dos mutaciones en genes encargados

de la sntesis de protenas que normalmente

participan en la duplicacin del ADN. Por lo

tanto, se supone que su resistencia es el resul-

tado de un efecto que combina una mayor

eficiencia en el copiado de las bandas de ADN

con la deficiencia en la correccin de los erro-

res cometidos durante dicho copiado, lo cual

en clulas normales impide el avance de la

sntesis de la molcula a travs de las lesiones

presentes en ella. Si bien esto permite duplicar

la molcula de ADN sin necesidad de elimi-

nar de antemano los daos, la consecuencia

de ello es un aumento en la frecuencia de

mutacin.

Afortunadamente para esta cepa, los efectos

de esas dos mutaciones se manifiestan casi

exclusivamente durante la duplicacin de ADN

daado por la luz UV, pero no durante la du-

plicacin del ADN normal, lo cual tiene la

ventaja de evitar la acumulacin de mutacio-

nes presuntamente perjudiciales. Cabe pregun-

tarse entonces si bajo otras condiciones se-

lectivas esta caracterstica conferira una ma-

yor ventaja adaptativa al aumentar su capa-

cidad de variabilidad gentica. Este y otros

aspectos son tema de investigacin en el De-

partamento de Biologa

Se puede concluir que la adaptacin de esas

5 poblaciones bacterianas fue consecuencia

de eventos de mutacin y seleccin al azar

que dieron por resultado diferentes mecanis-

mos de resistencia. Aunque este experimento

est limitado a condiciones de laboratorio,

muestra que la evolucin adaptativa puede

dar lugar a divergencia gentica an en po-

blaciones que viven en ambientes idnticos,

siempre y cuando dichas poblaciones encuen-

tren soluciones alternativas de adaptacin. Es

difcil creer que con 80 ciclos de UV se haya

alcanzado el mximo nivel posible de resis-

tencia a radiacin o de que se hayan agota-

do los posibles mecanismos de resistencia y

por ello es de inters proseguir con estos estu-

dios.

Finalmente, es importante mencionar que al-

gunos resultados de estos experimentos fue-

ron presentados en la Astrobiology Science

Conference que tuvo lugar en el Ames Research

Center de la NASA en el mes de marzo de

2004.

FE DE ERRATAS

En el N 37 de Contacto Nuclear se public

el artculo Participacin del ININ en el pro-

ceso entrenamiento del personal de la Cen-

tral Laguna Verde de Jorge Flores Callejas.

A solicitud del propio autor y por una omi-

sin involuntaria, se agregan a la lista de

instructores ADRIEL LPEZ PUERTAS y RAL

RUIZ CENTENO.