Un recorrido de mil kilómetros por la Patagonia permitió observar la evolución en acción. Investigadores chilenos descubrieron que poblaciones silvestres del ancestro de la levadura lager han cambiado genética y fisiológicamente en respuesta al clima: las que habitan el extremo sur son más diversas, funcionan mejor a bajas temperaturas y presentan una mayor capacidad reproductiva. El hallazgo, publicado en PNAS, convierte a la Patagonia en un laboratorio natural para entender cómo el cambio ambiental puede moldear la evolución de los microorganismos.
En el límite de los bosques patagónicos, donde el frío y el viento son tan intensos que pocos árboles logran sobrevivir, crece la lenga (Nothofagus pumilio). Su corteza, que a simple vista puede parecer una superficie inerte, es en realidad el hábitat de una diversa comunidad de microorganismos que responde a los cambios de temperatura, lluvia y estaciones. Entre ellos vive Saccharomyces eubayanus, una levadura silvestre adaptada al frío y con una historia sorprendente: es uno de los ancestros de la levadura con que hoy se produce la cerveza lager en todo el mundo.
Así es como una investigación multidisciplinaria realizada en bosques del sur de Chile muestra que sus poblaciones tienen distintas formas de responder a las condiciones del ambiente. Y revela una sorpresa: las poblaciones de los lugares más fríos y húmedos del sur funcionan como un motor de diversidad genética.
El estudio, titulado «Climate-driven adaptive microevolution in wild yeasts» y publicado recientemente en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), corresponde a la tesis doctoral de Christian I. Oporto, desarrollada bajo la supervisión del genetista y microbiólogo Francisco A. Cubillos. El trabajo constituye además uno de los resultados centrales del Núcleo Milenio LiLi y fue desarrollado por un equipo de investigadores e investigadoras de distintas universidades y centros de investigación (Luis A. Saona, Pablo Quintrel, Kamila Urbina, José Benavides-Parra, Francisca Grene, Pablo Villarreal, Juliana A. Vianna, Frida I. Piper y Roberto F. Nespolo).
La investigación invita a mirar los bosques en una escala que normalmente permanece invisible: la de los microorganismos. Lejos de ser habitantes pasivos, estas poblaciones poseen su propia diversidad genética, una historia evolutiva y respuestas adaptativas a las condiciones ambientales de los lugares donde viven.
De Nevados de Chillán a Coyhaique
El trabajo implicó seguir a estas levaduras desde su ambiente natural hasta el laboratorio. Durante un año, el equipo recorrió bosques de lenga a lo largo de la Patagonia, muchas veces en sectores remotos y poco intervenidos, para recuperar microorganismos que viven sobre la corteza de los árboles. De regreso en el laboratorio, las muestras se incubaban para permitir que las levaduras presentes crecieran y formaran colonias visibles. A partir de ellas, los investigadores podían aislar individuos, cultivarlos por separado y comenzar a estudiar quiénes eran y cómo diferían entre sí.
«Era muy gratificante pensar que una pequeña colonia creciendo en una placa podía provenir de una levadura que llevaba años habitando silenciosamente la corteza de una lenga en medio de la Patagonia», recuerda el otrora estudiante de doctorado en Microbiología en la Universidad de Santiago de Chile y actual asociado postdoctoral en la Universidad de Estocolmo, Suecia.
El otoño y el invierno pusieron a prueba esa planificación. Según Oporto, en algunos sectores encontraron entre uno y tres metros de nieve, además de lluvia, viento y baja visibilidad. Hubo salidas que debieron suspender por seguridad, después de horas de viaje y caminata. La experiencia también les permitió dimensionar las condiciones que estos microorganismos enfrentan en el bosque.
El trabajo reveló que la corteza de las lengas alberga una comunidad rica de levaduras, entre ellas Saccharomyces eubayanus. Aislarla y cultivarla en laboratorio permitió pasar de detectarla en el bosque a comparar su genética, su crecimiento y su respuesta a distintas condiciones ambientales.
Una misma historia observada desde distintas disciplinas
Para Roberto Nespolo, investigador de la Universidad Austral de Chile y director de LiLi, uno de los aspectos más interesantes del estudio es que el mismo patrón aparece cuando el problema se observa desde escalas completamente diferentes.
«La Patagonia funciona como un gigantesco experimento natural. El clima cambia a medida que avanzamos hacia el sur y esa transición aparece reflejada simultáneamente en el genoma, en la fisiología, en el metabolismo y en la reproducción de organismos tan diversos como hongos, plantas y animales. Es difícil comprender un fenómeno así desde una sola disciplina», señala.
Esa aproximación representa precisamente uno de los objetivos centrales del Núcleo Milenio del Límite de la Vida Patagónica: reunir investigadores provenientes de distintas áreas de la biología para comprender cómo los organismos enfrentan ambientes extremos y dónde se encuentran los límites que condicionan su existencia.
La corteza como fuente de alimento
Frida Piper, ecóloga y ecofisióloga vegetal Directora Alterna de LiLi, explica que la corteza de la lenga almacena azúcares que sirven como reserva energética durante el largo invierno, cuando el árbol permanece sin hojas, y contribuyen a su vida en ambientes fríos. Esos recursos también están disponibles para los microorganismos que la habitan.
«Las levaduras usan los azúcares del árbol para crecer y reproducirse», señala Piper. La investigadora vincula la abundancia de distintas especies de levaduras en la corteza, incluida S. eubayanus, con esa disponibilidad de alimento.
La comparación entre altitudes aportó otra manera de estudiar el ambiente. Piper explica que el descenso de la temperatura con la elevación convierte a las montañas en un experimento natural para evaluar cómo cambian la diversidad y el desempeño de los organismos. Ese diseño ayuda a investigar su relación con la temperatura y a explorar posibles respuestas al cambio climático.
Sin embargo, todavía queda por esclarecer qué recibe el árbol de esta convivencia. Piper indica que actualmente investigan si las levaduras aportan algún beneficio a las lengas. Por ahora, esa posibilidad permanece abierta y no puede darse por demostrada una relación de beneficio mutuo.
Una sorpresa escrita en el ADN
El paso siguiente fue mucho más profundo: secuenciar genomas completos. Eso significa leer, para cada aislamiento, prácticamente toda su información genética y comparar millones de posiciones del ADN entre poblaciones provenientes de distintos lugares. Pero el estudio no se quedó en el genoma. Las levaduras también fueron cultivadas bajo distintas condiciones de temperatura y nutrientes para medir cómo crecían, cuál era su temperatura óptima y qué tan bien se reproducían. De esa manera, el equipo pudo conectar tres niveles que rara vez se estudian juntos en poblaciones silvestres: el ambiente donde viven, las diferencias escritas en su ADN y la forma en que esas diferencias se expresan en su funcionamiento.
Estos análisis distinguieron tres grandes linajes patagónicos y mostraron que la distribución de la diversidad genética estaba asociada con la latitud, la temperatura y las precipitaciones.
Francisco Cubillos, especialista en genética y genómica de microorganismos, explica que una mayor diversidad genética significa encontrar más diferencias al comparar las secuencias de ADN de los individuos de una población.
«Es como revisar distintas ediciones de un mismo libro: cuentan una historia común, pero contienen pequeñas variaciones», explica Cubillos. En los datos del estudio, esas diferencias fueron mayores entre las poblaciones de los ambientes más fríos y húmedos del sur.
Oporto recuerda que observó el patrón cerca de un año después de terminar el muestreo, durante una pasantía en Taiwán en la que desarrolló los análisis bioinformáticos. Aunque existían antecedentes que sugerían esa posibilidad, encontrarla con claridad en sus propios datos resultó emocionante. La asociación de la diversidad genética con la latitud, la temperatura y las precipitaciones abrió una nueva pregunta sobre los procesos ecológicos y evolutivos que la explican.
El hallazgo contrasta con el patrón ampliamente descrito para numerosos grupos de organismos, cuya diversidad suele aumentar hacia regiones más cálidas. Aquí, sin embargo, los investigadores midieron diferencias genéticas dentro de una misma especie de levadura, no la cantidad total de especies que habitan un bosque.
Esa distinción es clave para entender el descubrimiento. El estudio muestra que las poblaciones australes de S. eubayanus contienen una diversidad genética que merece atención y que los patrones conocidos para plantas y animales no necesariamente describen lo que ocurre entre los microorganismos.
«El crecimiento nos muestra lo que una levadura hace; el genoma también revela su historia», sostiene Cubillos. Según el investigador, secuenciar los 117 genomas permitió identificar linajes y reconstruir relaciones entre poblaciones, además de estudiar la asociación entre el clima y su diversidad genética. Destaca que ese análisis fue posible gracias al trabajo colectivo y al exigente muestreo liderado por Oporto.
Crecer y persistir en ambientes distintos
Las diferencias también se observaron en el laboratorio. Las poblaciones del sur presentaron temperaturas óptimas de crecimiento más bajas y una mayor capacidad de esporulación, un proceso reproductivo mediante el cual estas levaduras forman esporas. Las poblaciones del norte, en cambio, mostraron un mejor desempeño de crecimiento en ensayos con altas concentraciones de determinados azúcares.
Los autores interpretan estos resultados como estrategias vinculadas con las condiciones ambientales: en los sectores fríos, rasgos que podrían favorecer la persistencia; en los más cálidos, una mayor capacidad de aprovechar recursos para crecer.
La campaña dejó, además, una pregunta abierta: no se obtuvieron aislamientos de S. eubayanus durante el invierno. Oporto señala que también disminuyó la recuperación general de microorganismos en esa estación y que la especie volvió a aparecer en los muestreos posteriores. Por ello, la ausencia en los cultivos no demuestra que desaparezca del bosque.
El investigador plantea como hipótesis que su abundancia o actividad metabólica disminuya hasta dificultar la detección, o que permanezca en latencia o formando esporas resistentes. Son explicaciones que requieren investigación adicional para conocer cómo atraviesa los meses más fríos.
Del bosque a la cerveza y el rol clave de la ciencia fundamental
El vínculo con la cerveza tiene una explicación genética. Cubillos señala que la levadura lager es un híbrido entre Saccharomyces cerevisiae y S. eubayanus, y que de esta última heredó su capacidad de fermentar a bajas temperaturas. Así, las levaduras silvestres de los bosques patagónicos serían los ancestros del microorganismo utilizado para elaborar esta bebida.
Para el investigador, esa conexión muestra el valor de estudiar la biodiversidad antes de exigir una aplicación inmediata. Explorar, aislar y comprender estos organismos constituye una base para desarrollar nuevas levaduras y otras herramientas biotecnológicas.
«Si Chile solo financia resultados aplicados e inmediatos, nunca construiremos la base científica necesaria para generar nuestra propia biotecnología y desarrollo», afirma Cubillos.
Conservar también la vida microscópica
Los resultados también invitan a revisar cómo se conserva un bosque. Piper advierte que las comunidades microbianas de la corteza son sensibles a las condiciones ambientales. Una práctica como el raleo puede modificar la luz y la humedad que reciben los árboles restantes y, con ello, afectar a los microorganismos que los habitan.
La investigadora añade que plantar ejemplares jóvenes tampoco reproduce de inmediato el hábitat de los árboles adultos y añosos, cuya corteza está más desarrollada. Por ello, propone incorporar esta diversidad microscópica a las decisiones de conservación y restauración.
«Creo que este estudio nos obliga a revisar el concepto de conservación y restauración del bosque, enfatizando las limitaciones que presenta la reforestación y las ventajas de conservar bosque maduros», señala Piper.
Una investigación desde distintas disciplinas
En el estudio participaron los cuatro investigadores principales de LiLi: Francisco Cubillos, especialista en genética y genómica de microorganismos; Frida Piper, ecóloga y ecofisióloga vegetal; Juliana Vianna, especialista en genética, evolución y conservación; y Roberto Nespolo, fisiólogo y ecólogo evolutivo. Los cuatro participaron, junto con Christian Oporto, en el diseño general de la investigación.
Esta colaboración reúne distintas áreas de la biología para estudiar cómo los organismos enfrentan las condiciones ambientales de la Patagonia y cuáles son los límites que condicionan su existencia.
Artículo científico: Oporto y colaboradores, «Climate-driven adaptive microevolution in wild yeasts», PNAS, volumen 123, número 40, e2618715123. DOI: 10.1073/pnas.2618715123.
