Nuestros científicos

Jesús Diez Dapena

Departamento de Bioquímica, Facultad de Veterinaria, Córdoba

El tamaño no importa, ¿o sí?

Las picocianobacterias marinas son los organismos fotosintéticos más abundante del planeta, contribuyendo tanto a una producción muy importante de biomasa como a la generación de oxígeno. En este artículo recogemos también algunos resultados de estudios metabólicos que tratan de explicar el éxito ecológico de estos microorganismos.

Cuando pensamos en el clima, el oxígeno que respiramos, o el dióxido de carbono acumulado en la atmósfera que provoca el calentamiento global, instintivamente nos trasladamos a los grandes bosques, la Amazonía, como responsables de enormes beneficios. Entre otros, permitir la producción de alimentos y oxígeno para poder obtener energía, o secuestrar y fijar el dióxido de carbono como posible solución a los problemas climáticos. Sin embargo, aunque indiscutible, ésta dista mucho de ser la única causa. Si nos trasladamos desde los enormes árboles de las junglas terrestres a lo que se consideran los desiertos de los océanos, nos encontraremos con los organismos fotosintéticos más pequeños que se conocen. Estos contribuyen de manera significativa a proporcionar el oxígeno que necesitamos (más de una de cada cinco moléculas que respiramos) y a paliar los problemas ocasionados por el exceso del dióxido de carbono. Son las cianobacterias marinas Prochlorococcus y Synechococcus, los organismos fotosintéticos más abundantes en los océanos (1). A pesar de su enorme abundancia Prochlorococcus no fue descubierto hasta mediados de los 80 (2), debido a su pequeño tamaño. Con unas 0,4 micras y 1800 genes los más pequeños, contienen la mínima cantidad de información para un organismo fotosintético. Pronto se descubrieron, y secuenciaron, distintas formas de Prochlorococcus, ecotipos, capaces de vivir en condiciones muy diversas fundamentalmente en lo que se refiere a su relación con la luz: algunos viven en aguas superficiales y otros hasta a 200 m de profundidad, sorprendente si se considera que son organismos fotosintéticos. La secuenciación de estas estirpes mostró también que todas tienen un núcleo central de genes común y otra parte que varía, el pangenoma, de forma que se prevé que el conjunto de los ecotipos de Prochlorococcus puede tener unos 80.000 genes. Esta increíble diversidad les permite adaptarse a vivir en condiciones muy distintas de iluminación y ser muy abundantes en zonas de los océanos donde hay una extraordinaria escasez de nutrientes. A este éxito contribuyen también su pequeño tamaño, que les confiere una gran relación superficie/volumen, y la adaptación de sus moléculas para necesitar una menor cantidad de N que sus competidores.

El cultivo de Prochlorococcus en el laboratorio se mostró extraordinariamente difícil. Nuestro grupo fue pionero en el cultivo de este microorganismo en grandes volúmenes, lo que nos permitió abordar el estudio del metabolismo del nitrógeno (3). En la mayor parte de los organismos fotosintéticos la vía central de la asimilación de N está compuesta por las enzimas nitrato y nitrito reductasas, glutamina sintetasa y glutamato sintasa, aunque hay muchas otras que pueden participar en la asimilación de diferentes formas de nitrógeno. Estudiamos en profundidad las enzimas glutamina sintetasa, con especial atención a su regulación, glutamato deshidrogenasa e isocitrato deshidrogenasa, que sirve de unión a los metabolismos de carbono y nitrógeno, y demostramos que la mayor parte de las estirpes carecen de una enzima clave en organismos fotosintéticos, la nitrato reductasa. Estos estudios, junto con los realizados sobre los reguladores transcripcionales como NtcA (4), nos permitieron establecer que el metabolismo del nitrógeno en cianobacterias marinas es sensiblemente distinto al de las cianobacterias de agua dulce, así como proponer que la simplificación de esta vía metabólica, y sus sistemas reguladores, puede tener un papel clave en su éxito ecológico (5). Posteriormente ampliamos estos estudios a la otra picocianobacteria marina que juega un papel esencial en la producción de biomasa y en los ciclos biogeoquímicos del planeta: Synechococcus, con enorme capacidad de colonizar distintos ambientes, desde las zonas costeras al océano abierto y desde las aguas tropicales a las cercanas a los polos.

Por otro lado, nuestro grupo descubrió que Prochlorococcus era capaz de captar glucosa (6), algo inesperado en cianobacterias marinas, lo que despertó cierto escepticismo en el campo. Sin embargo, posteriormente demostramos que el gen glcH codifica un transportador bifásico de glucosa con elevada afinidad, y que las poblaciones naturales de Prochlorococcus eran capaces de tomar glucosa en el océano (7). Estudios con diferentes estirpes de Prochlorococcus y Synechococus nos permitieron mostrar la correlación entre la diversidad de las cinéticas de transporte de glucosa y la mejora en la eficiencia del proceso a lo largo de la evolución de las cianobacterias marinas. Estos y otros estudios han demostrado que las picocianobacterias marinas muestran un comportamiento mixotrófico, lo que las capacita para usar moléculas como la glucosa cuando la encuentran disponible en su entorno. Este concepto ha supuesto un cambio importante en las ideas tradicionales sobre la estricta separación entre organismos fotosintéticos y heterotróficos (8).

Rutas de asimilación de N en Prochlorococcus. Sombreado, las vías metabólicas que poseen todas las estirpes.
REFERENCIAS
  1. Scanlan DJ, Ostrowski M, Mazard S, Dufresne A, Garczarek L, et al. 2009. Microbiology and Molecular Biology Reviews 73: 249-99
  2. Chisholm SW, Olson RJ, Zettler ER, Goericke R, Waterbury JB, Welschmeyer NA. 1988. Nature 334: 340-3
  3. El Alaoui S, Diez J, Humanes L, Toribio F, Partensky F, García-Fernández J. 2001. Applied and Environmental Microbiology 67: 2202-7
  4. Domínguez-Martín MA, López-Lozano A, Clavería-Gimeno R, Velázquez-Campoy A, Seidel G, et al. 2018. Frontiers in Microbiology
  5. García-Fernández J, Tandeau de Marsac N, Diez J. 2004. Microbiology and Molecular Biology Reviews 68: 630-8
  6. Gómez-Baena G, López-Lozano A, Gil-Martínez J, Lucena J, Diez J, et al. 2008. PLOS ONE 3: e3416
  7. Muñoz-Marín MC, Luque I, Zubkov MV, Hill PG, Diez J, García-Fernández JM. 2013. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 110: 8597-602
  8. Muñoz-Marín MC, Gómez-Baena G, López-Lozano FA, Moreno-Cabezuelo JA, Díez J, García-Fernández JM. 2020. The ISME Journal 14: 1065-73

Entrevista a Jesús Diez Dapena

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica? ¿Le influyó alguien de forma especial?

R.- Prácticamente al mismo tiempo que mi interés por la licenciatura en Biología. La causa, una muy común por aquella época, los programas de Félix Rodríguez de la Fuente. Me quedaba absorto viendo cómo se comportaban los animales y como me gustaba mucho salir al campo pensé que era a lo que quería dedicarme en la vida. Curiosamente, al estudiar ciencias biológicas en la Universidad de Sevilla me encontré con que lo que se estudiaba en Zoología y posteriormente Etología distaba mucho de lo que yo esperaba. Sin embargo, descubrí un mundo fascinante, la investigación de las moléculas. Eso hizo que en el último trimestre del segundo curso consiguiera entrar de alumno interno en el Departamento de Bioquímica que dirigía el Profesor Losada y 50 años después aquí sigo con la Bioquímica.
No recuerdo ningún científico en especial, pero sí los ánimos de mi padre para que estudiara lo que deseaba. Era una época en la que, cuando te preguntaban los amigos y conocidos qué ibas a estudiar y respondías Biología, con cara de extrañeza contestaban: Bio ¿qué? Su opinión era que uno debía tratar de hacer aquello con lo que disfrutara, y hoy sigo estando totalmente de acuerdo con eso. Ya en el laboratorio, tuvo una enorme influencia la calidad humana del grupo al que me incorporé, sobre todo doctorandos y doctores jóvenes, que tenía un ambiente de trabajo en equipo, un interés por descubrir cosas y al mismo tiempo ayudar a los más jóvenes a hacerlo que me enganchó para siempre.

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional? ¿Lo repetiría en su totalidad?

R.- Como alumno interno en el Departamento de Bioquímica de la Facultad de Ciencias de Sevilla conseguí hacer mi Tesis de Licenciatura, lo que me acabó de convencer que era a eso a lo que quería dedicarme. Además, durante los años que estuve de alumno interno colaboré activamente en la impartición de clases prácticas a compañeros de cursos inferiores y me gustó. Por ello, el camino de profesor de universidad, que me permitiría compaginar ambos aspectos investigación y docencia, era un objetivo claro. La obtención de una beca de Formación de Personal Investigador del Ministerio de Investigación y Ciencia me permitió iniciar con buen pie ese camino mediante la realización de mi tesis doctoral que versó sobre la nitrato reductasa del alga verde Monoraphidium braunii. Al terminar la tesis y siguiendo la tradición del departamento salí al extranjero, algo que entonces era raro en la mayor parte de los departamentos de la Universidad. Realicé mi estancia postdoctoral en la Universidad de Dundee en Escocia, con el Prof. Stewart, director de un macro departamento que estudiaba las cianobacterias desde áreas muy diversas de la Biología. Mi trabajo versó sobre la acumulación de glucógeno y la fijación de nitrógeno en cianobacterias. Aunque mi objetivo fundamental era seguir formándome, el Prof. Stewart, que me había contratado con cargo a un proyecto de investigación, consideraba que, como doctor, tenía mucho que aportar. Esa exigencia, que me planteó no pocos problemas al principio, me hizo madurar muy rápido y constituyó un aspecto clave de mi formación que me ayudaría mucho en la siguiente etapa de mi vida profesional. La vuelta a España fue en respuesta a un reto que me planteó el Dr. López Barea, con el que había coincidido en Sevilla, de incorporarme al Departamento de Bioquímica de la Facultad de Veterinaria de la Universidad de Córdoba, que desde el curso anterior él estaba tratando de echar a andar. Su acceso a una plaza de Profesor Adjunto en otra Universidad hizo que buscara un sustituto y me lo ofreció a mí. La llegada a Córdoba fue un choque brutal respecto a mi experiencia anterior tanto en Sevilla como en Dundee, donde me había incorporado a sendos departamentos perfectamente establecidos y funcionando a un alto nivel. El Dr. López Barea solo había estado un año y quedaba mucho por hacer, además hubo un boom en aquella época para los estudios de Veterinaria y me encontré con 600 alumnos con la única ayuda a tiempo parcial de un profesor ayudante. Unos años más tarde y gracias al esfuerzo de unos magníficos compañeros (Antonio López, siempre) que se fueron incorporando, incluido el Prof. López Barea que volvió como catedrático, el Departamento de Bioquímica de Veterinaria se convirtió en uno de los mejores de la Universidad de Córdoba. Tiempos duros pero gratificantes donde hubo que hacerlo todo prácticamente desde cero. En 1984 me estabilicé como funcionario y en 1996 obtuve la cátedra. Durante todos estos años, salvo un paréntesis dedicado a tratar de resolver problemas de calidad en el zumo de naranja, mi investigación se ha centrado fundamentalmente en el metabolismo de nitrógeno y de carbono en distintos organismos fotosintéticos, fundamentalmente algas verdes y cianobacterias marinas.

Sí la repetiría, pero hecho en falta una segunda estancia postdoctoral tras un tiempo de vuelta en España.

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador? ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica?

R.- Creo que la curiosidad y la ilusión por descubrir “cosas nuevas”, una mente abierta, la honestidad y una gran capacidad de trabajo, que para mí incluye no dejarse vencer por las adversidades, que sin duda van a surgir, y seguir siempre con ánimo adelante. En una etapa posterior, creo muy importante la capacidad de crear un buen ambiente de trabajo en el grupo que se dirige, donde todos se sientan parte de un proyecto común y trabajen apoyándose.

No soy muy dado a dar consejos, pero quizás les diría que deben estar convencidos de que eso es lo que quieren realmente hacer, porque el camino va a ser duro y solo compensará si se tiene vocación para ello. Les diría también que deben tener en cuenta que la mayor parte del tiempo la van a dedicar a hacer tareas rutinarias, a repeticiones sin fin, a actividades poco vistosas pero esenciales para completar un trabajo serio y bien hecho y que eso no debe desanimarles porque la alegría que se obtiene cuando sale un experimento complicado o, mejor aún, cuando algo que parece que no tiene sentido se transforma a la larga en un resultado nuevo y sorprendente, esa alegría es difícil de conseguir en otras muchas profesiones.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en que consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia? ¿Cómo ve el futuro de esta área científica?

R.- Durante los últimos 25 años nuestro grupo ha estado trabajando en el estudio de las cianobacterias marinas Prochlorococcus y Synechococcus, dos de las especies más importantes en los océanos por ser los organismos fotosintéticos más abundantes del planeta y por su papel crucial en su ecología, al ser esenciales en los ciclos biogeoquímicos. Tratamos fundamentalmente de profundizar en el conocimiento de los procesos básicos que controlan la fisiología de esas dos importantes especies de los océanos.

Estamos particularmente interesados en descubrir cómo las adaptaciones y cambios que han ido experimentando esos procesos fisiológicos a lo largo de la evolución, desde su separación a partir de un organismo común, les han permitido adaptarse a una enorme variedad de ambientes: desde las aguas tropicales a otras próximas a los polos y desde la superficie a casi 200 m de profundidad. Por otro lado, se han adaptado también a áreas con distintas abundancias de nutrientes, particularmente destacable su éxito en unas enormes zonas de los océanos que se consideraban desiertos debido a la escasez de nutrientes de todo tipo. En relación con esto, una de nuestras líneas actuales trata de estudiar la contribución que tienen a este éxito la presencia de unos transportadores de nitrógeno y glucosa de elevada afinidad.

Recientemente hemos iniciado una nueva línea que estudia el posible papel de vesículas producidas por Synechococcus en la transferencia horizontal de genes, y posiblemente como transportadoras de otras moléculas, como proteínas y diversos metabolitos, que pueden constituir una interesante forma de comunicación e interacción con otros organismos.

La verdad es que soy muy optimista acerca del futuro de este área científica. Cada vez hay una mayor concienciación respecto a los problemas que está ocasionando el cambio climático y será necesario utilizar todas las herramientas posibles para al menos mitigarlo. Entre ellas los microorganismos que estudiamos debido a su enorme número y a su capacidad de fijar dióxido de carbono jugarán un papel especial. Este papel podría ser aún mayor si se cumplieran las previsiones actuales de un importante aumento en la cantidad de individuos de ambos géneros en los próximos años, debido precisamente al cambio climático. Por ello creo que el seguir profundizando en el conocimiento de estos organismos tiene un futuro optimista.

P.- ¿Cuál consideraría que ha sido el principal avance científico del siglo XX-XXI?

R.- El descubrimiento de la estructura del DNA y la revolución genética a la que dio lugar, culminada ahora con la tecnología CRISPR/Cas, que aún con mucho recorrido por delante ya ha demostrado su enorme capacidad.

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España? ¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovción en nuestro país?

R.- Pues me parece obvio que no demasiado bien. Creo que algo no funciona adecuadamente cuando en España se forman un número importante de doctores, que en general son muy apreciados en los mejores laboratorios de países de todo el mundo, pero después no pueden volver tras un tiempo razonable de 2-4 años de formación postdoctoral. Cada vez es más frecuente que tengan que quedarse de 6 a 10 años no por decisión propia, sino por no tener posibilidades razonables de vuelta. Esto origina por un lado un gran problema personal para los investigadores y por otro que en una etapa de enorme producción científica su trabajo se desarrolle y beneficie al país destinatario y no al nuestro, donde se han formado. Me parece un absoluto disparate. Todo esto va acompañado además de una tremenda incertidumbre, mucho mayor de la lógica, en cuánto a no saber qué va a ocurrir hasta una edad demasiado elevada. No abogo por una estabilización temprana, pero sí por una vía de desarrollo perfectamente clara que, caso de cumplir los requisitos que se establezcan, permitan su incorporación al sistema. Esto, junto con una mayor posibilidad de incorporación a equipos de empresas, de momento muy minoritarios en comparación con otros países de nuestro nivel económico, podría ayudar a mejorarla.
Esencial una financiación mucho mayor, acorde con el potencial del país y próxima a la de otros países de nuestro entorno. Aún con los controles adecuados una mayor agilidad y menos trabas a la hora de realizar los gastos y, sobre todo, en la contratación de personal. A la vez una mayor apreciación por parte de las fuerzas políticas de la importancia que una buena investigación tiene para el país a muchos niveles, incluido el económico, y que se deje de considerar como algo complementario a lo que se le puede “ayudar” en tiempos de bonanza, pero de lo que se puede prescindir en cuanto aparezca algún problema. Nada original pero que sigue estando pendiente de resolver.

Perfil biográfico

Su grupo ha sentado las bases del estudio del metabolismo del nitrógeno en picocianobacterias marinas y descubierto la capacidad que tienen para captar y utilizar glucosa en el océano, lo que permitió proponer su carácter no estrictamente autotrófico sino mixotrófico.

Jesús Diez Dapena (Sevilla 1953), biólogo, realizó su tesis doctoral en el Departamento de Bioquímica de la Universidad de Sevilla bajo la dirección del Dr. José María Vega sobre la nitrato reductasa de Monoraphidium braunii. Posteriormente estancia postdoctoral en el Department of Biological Sciences de la University de Dundee (Escocia), donde trabajó en metabolismo de carbono y nitrógeno de cianobacterias. Se incorporó al recién creado Departamento de Bioquímica de la Facultad de Veterinaria de Córdoba. Desde 1996 es Catedrático de ese departamento. Investigador responsable del grupo “Adaptaciones en el metabolismo de nitrógeno y carbono en cianobacterias marinas” del PAIDI. Su grupo ha sentado las bases del estudio del metabolismo del nitrógeno en picocianobacterias marinas y descubierto la capacidad que tienen para captar y utilizar glucosa en el océano, lo que permitió proponer su carácter no estrictamente autotrófico sino mixotrófico. Actualmente Coordinador del Grupo de Metabolismo del Nitrógeno y Bioquímica de Plantas y Microorganismos.