Un equipo internacional que incluye investigadores del Instituto Max Planck de Ecología Química ha descrito una bacteria que reside en una especie de escarabajos de las hojas que tiene una característica inesperada:proporciona al escarabajo las enzimas necesarias para descomponer ciertos componentes de la pared celular de las plantas. El genoma de la bacteria es el más pequeño jamás secuenciado de cualquier organismo que viva fuera de una célula huésped. Contiene genes que son responsables de la producción de pectinasas, las enzimas que descomponen la pectina, un componente esencial de la pared celular vegetal. La producción de pectinasas es, por tanto, la función principal de estas bacterias. Sin simbiontes bacterianos, los escarabajos no podrían acceder a los nutrientes dentro de las células de las plantas y, por lo tanto, no podrían sobrevivir. El estudio se informa hoy en Celda .

"La base de nuestro estudio fueron las descripciones histológicas y los dibujos de los órganos simbióticos del escarabajo que fueron publicados por primera vez por el zoólogo alemán Hans-Jürgen Stammer hace más de 80 años. Queríamos caracterizar molecularmente la asociación extraordinaria entre un escarabajo de la hoja y sus simbiontes descrito por Stammer como una peculiaridad rara, "primer autor Hassan Salem, ex estudiante de doctorado en el Instituto Max Planck de Ecología Química, explica. Actualmente es miembro postdoctoral Feodor Lynen de la Fundación Alexander von Humboldt en la Universidad de Emory en Atlanta, Georgia, ESTADOS UNIDOS.

Hans-Jürgen Stammer (1899-1968) estudió las asociaciones simbióticas entre insectos y bacterias durante las décadas de 1920 y 1930. Encontró que los escarabajos de las hojas (Chrysomelidae) son conocidos por no participar en asociaciones simbióticas. Sin embargo, sus estudios también revelaron que había excepciones a este hallazgo entre algunas especies de escarabajos tortuga, como el escarabajo tortuga cardo Cassida rubiginosa ). Estos escarabajos tortuga están equipados con órganos inusuales, que describió en un estudio de 1936. Las bacterias simbióticas residen en depósitos en forma de sacos en las entrañas de los escarabajos. Los escarabajos hembras transfieren los simbiontes a través de tubos vaginales a su descendencia aplicando una pequeña cápsula simbionte a cada huevo. Las larvas que eclosionan comen a través de la cáscara del huevo y luego consumen las cápsulas que contienen las bacterias simbióticas.

Los escarabajos de las hojas pueden degradar componentes de la pared celular de la planta, como celulosa y pectina, con la ayuda de enzimas digestivas. Sin embargo, El análisis genético mostró que el escarabajo tortuga cardo carece de los genes responsables de la producción de las respectivas enzimas (pectinasas). El nuevo estudio revela que este déficit se compensa con una asociación cercana con una bacteria que reside en órganos especiales cercanos al intestino del escarabajo. Para comprender la importancia de los simbiontes bacterianos para el escarabajo, los autores realizaron una variedad de bioensayos, algunos que se combinaron con mediciones enzimáticas. "Cuando comparamos la actividad enzimática en los escarabajos tortuga con y sin bacterias simbióticas, Descubrimos que los escarabajos sin simbiontes no podían digerir la pectina para acceder a los nutrientes de la célula y, como consecuencia, sus posibilidades de supervivencia disminuían. "dice Roy Kirsch del Instituto Max Planck de Ecología Química.

El análisis genético de las bacterias simbióticas que los investigadores presentan como "Candidatus Stammera capleta" en su estudio actual para honrar las observaciones de Stammer descubrió otra sorpresa:el genoma del microorganismo se reduce a solo unos pocos cientos de genes, entre ellos algunos genes que regulan la producción y transporte de pectinasas. Respectivamente, el genoma es pequeño:contiene solo ~ 270.000 pares de bases, el genoma de la bacteria es el más pequeño jamás descrito para un organismo que existe fuera de una célula huésped. La bacteria Escherichia coli en comparación, las bacterias que viven dentro del intestino de muchos animales, incluidos los humanos, tienen 4.600.000, o 17 veces más pares de bases. Se sabe que solo algunas bacterias que se encuentran dentro de las células de sus huéspedes tienen genomas más pequeños que el simbionte del escarabajo.

La simbiosis entre el escarabajo y su simbionte se caracteriza por una clara división del trabajo. "El escarabajo anfitrión posee los genes responsables de producir celulasas para digerir la celulosa, mientras que el simbionte proporciona las pectinasas. Juntos tienen las enzimas necesarias para romper la pared celular vegetal. Especialmente notable es el hecho de que esta es la primera descripción de un simbionte bacteriano especializado con una función primaria o incluso única dedicada a la degradación de la pectina. "Resume Hassan Salem.

El hecho de que existan muchos animales herbívoros en la actualidad es el resultado de adaptaciones que evolucionaron con el tiempo. De hecho, los microorganismos han jugado un papel importante en muchas de estas adaptaciones. El escarabajo tortuga cardo es un ejemplo impresionante. Sin pectinasas, no tendría acceso a los nutrientes dentro de una célula vegetal. La producción de estas enzimas se ha subcontratado a un proveedor de servicios:una bacteria que vive en órganos especiales cerca de su intestino.

En muchas especies de escarabajos de las hojas, los genes que activan las enzimas digestivas para la degradación de las paredes celulares de las plantas se originaron a partir de hongos y bacterias y se introdujeron en los genomas de los antepasados ​​de los escarabajos mediante transferencia genética horizontal. "Es fascinante que los insectos hayan resuelto el problema de cómo romper las paredes celulares de las plantas de manera tan diferente. Por qué algunos insectos adquirieron genes de microbios horizontalmente, mientras que otros mantienen simbiontes para hacer el mismo trabajo es una pregunta interesante que queda por responder en estudios futuros, "dice Martin Kaltenpoth de la Universidad de Mainz.