Entre las comunidades microbianas, las sustancias químicas que se secretan al medio ambiente brindan oportunidades tanto para la cooperación como para la explotación, dando lugar en algunos casos a "tramposos" microbianos. Estos tramposos explotan los comportamientos cooperativos de sus contrapartes, beneficiándose de los compuestos secretados sin pagar los costos metabólicos de producción.

En un nuevo artículo publicado en Molecular Biology and Evolution , investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison y la Universidad de Vanderbilt revelan la historia evolutiva de las moléculas de absorción de hierro secretadas en las levaduras, arrojando nueva luz sobre las dinámicas cooperativas y competitivas que dan forma a las comunidades microbianas limitadas en hierro.

La mayoría de los organismos necesitan hierro para numerosos procesos biológicos, pero no pueden absorber la forma más común de hierro en el medio ambiente. Por tanto, el hierro suele ser un recurso limitado en las comunidades biológicas. Para superar esta escasez, los microorganismos han desarrollado la capacidad de eliminar el hierro del medio ambiente utilizando sideróforos, moléculas con una alta afinidad por el tipo de hierro que se encuentra en el medio ambiente.

Los sideróforos se sintetizan dentro de la célula y luego se secretan al medio ambiente, donde se unen al hierro; Las moléculas unidas al hierro deben luego importarse nuevamente a la célula antes de que el hierro pueda liberarse y utilizarse en el metabolismo celular. Los sideróforos secretados al medio ambiente pueden ser explotados por tramposos, quienes obtienen una ventaja de aptitud física al absorber sideróforos unidos a hierro sin invertir energía en su producción.

Si bien la mayoría de las levaduras no pueden producir sideróforos, un equipo de investigación dirigido por Chris Hittinger descubrió que las levaduras del clado Wickerhamiella/Starmerella (W/S) podrían producir un sideróforo llamado enterobactina. Los genes necesarios para sintetizar enterobactina aparentemente fueron transferidos horizontalmente desde una antigua bacteria al ancestro de las levaduras W/S.

Curiosamente, sin embargo, las levaduras W/S no tenían forma aparente de reimportar el sideróforo de enterobactina una vez que estaba unido al hierro. "No encontramos ningún gen bacteriano que codifique un transportador de enterobactina en sus genomas", afirma Liang Sun, autor principal del nuevo artículo.

"Secretar enterobactina sin devolverla a la célula para la absorción de hierro no sería una decisión inteligente para una célula de levadura, por lo que teníamos mucha curiosidad por saber cómo esas levaduras podrían utilizar potencialmente el hierro unido a la enterobactina".

Para resolver este enigma, el equipo buscó en el genoma de Starmerella bombicola un mecanismo alternativo para el transporte de sideróforos. A través de experimentos de alteración genética específicos y análisis filogenómicos, el equipo identificó un gen conocido como ENB1 como crucial para la absorción de hierro unido a enterobactina en St. bombicola. Sorprendentemente, ENB1 es un gen fúngico antiguo que probablemente se remonta a cientos de millones de años y es anterior a la divergencia de los linajes de hongos Basidiomycota y Ascomycota.

Análisis adicionales revelaron una historia compleja de ENB1 dentro de las levaduras. Los investigadores propusieron que ENB1 se transfirió horizontalmente de un antepasado del clado W/S a un antiguo linaje de Saccharomycetales, el grupo que incluye Saccharomyces cerevisiae, que se utiliza para hacer pan, cerveza y vino. Esta transferencia, junto con las duplicaciones y pérdidas de genes posteriores, ha dado forma a la distribución irregular de la utilización de enterobactina que se observa actualmente entre las levaduras.

Estos hallazgos tienen varias implicaciones interesantes para la historia de la absorción de hierro en la levadura. Como la absorción de enterobactina aparentemente es anterior a la capacidad de producir enterobactina en las levaduras W/S, los antepasados ​​de este clado probablemente fueron tramposos que se beneficiaron de la producción de enterobactina por parte de otros microbios en su entorno.

Posteriormente, el clado W/S adquirió genes de biosíntesis de enterobactina de una bacteria dentro de un contexto ecológico en el que ser productor era más ventajoso que ser tramposo.

Basándose en lo que se sabe sobre la distribución de estas levaduras, los autores del estudio proponen que esto ocurrió en el intestino de un insecto, donde la competencia por el hierro entre las bacterias, las levaduras y el huésped puede ser feroz. La capacidad de las levaduras W/S para producir enterobactina e importarla utilizando el transportador Enb1 puede haber proporcionado una ventaja de aptitud física en este entorno altamente competitivo y limitado en hierro.

Por el contrario, la retención de ENB1 en tramposos como S. cerevisiae "puede estar asociada con nichos ecológicos donde los cohabitantes bacterianos y fúngicos producen enterobactina en respuesta a la escasez de hierro", según los autores del estudio. "Por el contrario, la pérdida de ENB1 puede haber ocurrido en levaduras que habitan en ambientes con una disponibilidad de hierro relativamente alta o donde los productores de enterobactina están ausentes".

Si bien estos resultados son intrigantes, se necesita investigación adicional para descubrir completamente los mecanismos por los cuales los genes de enterobactina fúngica y bacteriana se integraron en las levaduras W/S. Según Sun, estos genes deben estar estrechamente coregulados, ya que "la secreción y la importación desequilibradas de enterobactina podrían dificultar la absorción de hierro y, posteriormente, provocar defectos de crecimiento en las levaduras".

Desafortunadamente, Sun señala que las redes metabólicas y reguladoras de estas levaduras no se comprenden bien, lo que podría dificultar los estudios futuros. "Por lo tanto, estudiar la regulación de esta vía en particular puede requerir un esfuerzo adicional para llenar algunos de estos vacíos".

A pesar de estos obstáculos, este sistema ofrece un modelo único para futuras investigaciones sobre la dinámica evolutiva de los transportadores de sideróforos en levaduras y su papel en la promoción de la cooperación y el engaño dentro de las comunidades microbianas.