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Estrés térmico en organismos marinos antárticos: ¿podrán hacer frente al aumento de la temperatura del agua?

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Publicado
29 de abr del 2014

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Ciencia educacion

La fauna marina antártica ha evolucionado de tal forma que es capaz de soportar las gélidas aguas polares y lo hace a través de dos mecanismos para producir calor. Hay organismos que gracias a su maquinaria celular, además de adaptaciones en la piel, pueden generar calor y nadar en aguas que, en verano, están entre los 0 y 2 °C.

Sin embargo, existen otros organismos, como los peces antárticos e invertebrados marinos, que no son capaces de independizar su temperatura corporal del medio externo (en este caso, el agua de mar). Por tal razón, su temperatura interna podría ser igual o estar por sobre estos valores.

Los erizos antárticos son organismos estenotermos, es decir, que pueden vivir en un estrecho rango de temperatura entre los -1.8 y 2 °C. Esto significa que todos sus procesos celulares y moleculares ocurrirán a bajas temperaturas, por lo cual podríamos asumir que, por ejemplo, la síntesis de nuevas moléculas o la degradación de estas ocurre en dicho rango térmico. No se conoce mucho de estas adaptaciones, por lo que nos pareció interesante estudiarlas.

Los invertebrados de la península Antártica pueden estar hoy frente a un nuevo escenario de cambio climático, donde el aumento de la temperatura superficial y la acidificación del océano podrían tener serios efectos en la abundancia, la biodiversidad y las tramas tróficas del ecosistema polar.

El proyecto “Inducción de la respuesta inmune en el erizo antártico” (financiado por el Programa de Iniciación de Fondecyt y apoyado por el INACH), trató de entender el efecto de un aumento de temperatura en el sistema de defensa del equinodermo Sterechinus neumayeri para hacer frente a patógenos, como virus o bacterias.

Nosotros logramos observar que unas células similares a nuestros glóbulos blancos denominados celomocitos, pueden aumentar en número e inducir ciertos genes inmunitarios cuando son activadas por algunos patógenos. Por el contrario, el aumento rápido de 5 o 10 °C produce una depresión de la expresión de estos mismos genes. Este aumento drástico produciría en el breve plazo la degradación de los ARN mensajeros o el silenciamiento del proceso de síntesis de estos genes por la posible participación de micro ARN (pequeñas moléculas de ácido ribonucleico que tienen la función de regular la expresión de otros genes). Sin embargo, esta hipótesis deberá ser corroborada por otros experimentos. En este sentido, se está realizando el primer análisis genómico de estos micro ARN del erizo antártico junto a la investigadora Yolanda Espinoza, de la Universidad Pompeu Fabra de Barcelona.

En paralelo, evaluamos la presencia y expresión de proteínas de estrés térmico del tipo HSP70, que son proteínas presentes en todos los organismos vivientes ante situaciones de estrés térmico (por ejemplo, en respuesta a elevadas temperaturas ambientales).

Las proteínas de estrés térmico (HSP) corresponden a una familia de proteínas que ayudan al organismo a modular la respuesta al estrés impidiendo el daño de los tejidos. La mayoría de las HSP se expresan de manera constitutiva, pero frente a una condición estresante pueden inducir su expresión para participar en la protección de otras proteínas (fig. 1).


Figura 1. Después de un evento de estrés, una de las funciones de las proteínas de estrés térmico tipo HSP70 es la de volver una proteína desnaturalizada a su condición normal de plegamiento (modificado de Whitley et al., 1999. J Vasc Surg; 29:748-51).

Sin embargo, no solo el calor aumenta la expresión de estas proteínas, sino que también pueden inducir su expresión el frío extremo, los patógenos y contaminantes como metales pesados. De esta manera, el nombre “proteínas de estrés térmico” no es el más correcto por lo que llamarlas solo como “proteínas de estrés” es más adecuado. Estos diferentes tipos de proteínas han sido detectados principalmente amplificando el gen o utilizando anticuerpos específicos. Por otra parte, es posible reconocer dos tipos de proteínas de estrés térmico del tipo HSP70: una que se expresa constitutivamente (denominada HSC) y otra que se expresa en razón de un estrés térmico induciendo su expresión.

En el erizo antártico (S. neumayeri) la expresión o inducción de estas proteínas no aumentaría en presencia de un estrés térmico y sería similar a lo que ocurriría en otros invertebrados antárticos como la estrella de mar Odontaster validus y el crustáceo Paracedarocus gibber. Este tipo de proteínas sería producido constantemente a un nivel determinado probablemente para hacer frente al frío (fig. 2).

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Figura 2. Al evaluar la expresión por el método de ELISA, es posible apreciar que en el erizo antártico no hay un aumento de la proteína producto de las diferentes condiciones de estrés térmico durante el tiempo y respecto del grupo control.

Puede resultar contradictorio, pero el frío extremo puede dañar a las proteínas claves de la maquinaria celular en los tejidos del erizo antártico, ya que un tipo de celomocitos expresaría específicamente esta proteína de manera no inducible. Además, este tipo celular sería un nuevo tipo de célula inmune, quedando por estudiar con más detalle sus funciones junto con la expresión de las HSP70 en otros tejidos (fig. 3).


Figura 3. Reconocimiento de la HSP70 en celomocitos atípicos. La proteína se puede apreciar en verde, producto del reconocimiento del anticuerpo específico que es marcado con una sonda que entrega florescencia en ese color. Los núcleos de las células se observan de color rojo, ya que se utilizó un compuesto que se intercala en el ADN. La imagen de este mismo celomocito sin reconocimiento del anticuerpo donde se observa su citoplasma vacuolado con el núcleo característico.

Ahora está planteado un nuevo desafío con otro proyecto, financiado por el Programa Regular de Fondecyt, que lleva por nombre “Lidiando con el calentamiento del océano Austral: Respuestas de los invertebrados a condiciones de estrés térmico”. Este proyecto tratará de demostrar si el estrés térmico puede afectar en el corto y largo plazo la expresión de proteínas implicadas en el control del estrés oxidativo en aguas frías, ya que este tipo de actividad antioxidante sería elevado en estos organismos.

Es así como se medirá la actividad de las enzimas Superóxido dismutasa y Catalasa, y la expresión de otras HSP. Además, el uso de nuevas tecnologías de secuenciación del ADN nos permitirá generar una gran cantidad de información de los genes que expresan estos dos invertebrados antárticos en escenarios de cambio climático con aumento de 3 oC, que es lo esperado para los próximos cien años. Los datos asociados a los mecanismos antioxidantes podrían también ayudarnos a entender los procesos de envejecimiento celular.

La evaluación del efecto del estrés térmico en crustáceos polares se ha realizado en las últimas dos campañas (2012-2013); para esto se ha escogido al isópodo gigante Glyptonotus antarcticus y al pequeño camarón hada (Branchinecta gaini) que habita en lagunas de la península Antártica (fig. 4).


Figura 4. Crustáceos antárticos. A) Laguna Jade ubicada en la península Fildes (isla Rey Jorge), donde es posible observar a Branchinecta gaini bajo la capa de hielo. B) Detalle de especímenes del camarón hada. C) El isópodo gigante Glyptonotus antarcticus al que se le evalúa su comportamiento frente al estrés térmico (D).

Al someter al isópodo gigante a temperaturas esperadas en un escenario de calentamiento global, se observó un incremento cercano al doble de su consumo de oxígeno (fig. 5).


Figura 5. Consumo de oxígeno del isópodo gigante Glyptonotus antarcticus a diferentes temperaturas. En un escenario de calentamiento global, con una temperatura del agua de 3 °C, el isópodo aumenta notoriamente su consumo de oxígeno. Esto implicaría que para mantener sus actividades normales a esta temperatura, deberá aumentar su incorporación de energía, es decir, cada individuo deberá comer más de lo que consume ahora, lo que representa una dificultad no menor para la especie, ya que para enfrentar esta situación, debe, primero, sobrevivir al estrés térmico.

El consumo de oxígeno es un muy buen indicador de la tasa metabólica, por lo que este incremento permite predecir un aceleramiento de sus actividades normales o metabolismo. Esto también implica que la demanda por oxígeno se duplica. Para la especie, esto tiene varias implicancias y una de ellas está asociada a que existe una relación entre la tasa metabólica y las demandas de energía. En el escenario evaluado, para que la especie mantenga sus actividades normales y tasas de crecimiento con una duplicación del consumo de oxígeno, requerirá de una duplicación de la tasa de incorporación de energía, o sea, de la tasa de ingestión, lo que en el ambiente antártico podría resultar bastante complejo.

Del mismo modo, es interesante la comparación entre la respuesta de estos crustáceos en dos ambientes: uno marino y otro lacustre de agua dulce. El ambiente marino presenta una tendencia al aumento de la temperatura del agua, aunque es en las aguas de lagos de la península Antártica donde este aumento es más notorio. Esto podría impactar en especies como el camarón hada que se distribuye desde la Patagonia hasta la bahía Margarita en la península Antártica. Nuestro interés es determinar los límites térmicos y la capacidad de respuesta al estrés térmico de estos organismos para ampliar nuestro conocimiento respecto de la variabilidad en las respuestas ecofisiológicas de estos invertebrados antárticos.

Por Marcelo González-Aravena 1, Kurt Paschke 2 y Luis Mercado Vianco 3

1 INACH,2 Universidad Austral de Chile (Sede Puerto Montt),3 Pontificia Universidad Católica de Valparaíso

Publicado en el Boletín Antártico Chileno (vol. 32, edición Aniversario INACH).