Polytech-CyanoSPO is a chemically rationalized BG11 derivative overcoming precipitation and toxicity for robust cyanobacterial growth

En los rincones tranquilos de los lagos y ríos de agua dulce, las plantas microscópicas llamadas cianobacterias están constantemente trabajando. Estos organismos unicelulares son los motores del mundo acuático, capturando la luz solar para crear energía y liberando oxígeno, de forma muy similar a los árboles en la tierra. Sin embargo, algunas de estas diminutas plantas pueden volverse peligrosas. Cuando las condiciones son las adecuadas, pueden multiplicarse rápidamente, formando densas costras verdes conocidas como floraciones algales nocivas. Estas floraciones pueden asfixiar la vida de otros organismos en el agua y liberar venenos que amenazan los suministros de agua potable, a las mascotas y a las personas. Para comprender cómo comienzan estas floraciones, cómo producen toxinas y cómo detenerlas, los científicos deben ser capaces de cultivar estos organismos en el laboratorio. Necesitan un entorno controlado donde puedan observar la división de las células y estudiar su comportamiento sin el caos de un lago natural.

Durante décadas, la receta estándar para alimentar estas cianobacterias de agua dulce en un laboratorio ha sido una mezcla llamada BG11. Es una fórmula muy conocida y confiable para los investigadores en todo el mundo, que contiene agua, sales y nutrientes esenciales como hierro, nitrógeno y fósforo. La idea es simple: proporcionar la comida que las células necesitan y ellas crecerán. Pero para un grupo específico de cianobacterias tóxicas, esta receta estándar ha fallado por completo. Cuando los científicos intentaron cultivar tres especies particulares —Planktothrix agardhii, Shackletonia antarctica y Pseudanabaena catenata— en esta mezcla estándar, las células no solo crecieron lentamente; dejaron de crecer por completo. Se volvieron pálidas, su maquinaria interna se descompuso y los cultivos murieron. Este fracaso creó un importante obstáculo. Sin una forma de cultivar estas cepas tóxicas específicas en el laboratorio, los investigadores no podían estudiar qué las impulsa a liberar sus venenos o cómo predecir cuándo ocurrirá una floración en la naturaleza.

Un equipo de investigadores de la Universidad Politécnica de San Petersburgo Pedro el Grande decidió investigar por qué este alimento estándar estaba fallando y construir uno mejor. Descubrieron que el problema no era la falta de comida, sino la forma en que se entregaba ese alimento. En la mezcla estándar, ciertos ingredientes reaccionaban entre sí para formar grumos sólidos que las bacterias no podían comer, mientras que otros ingredientes creaban un entorno químico que era en realidad tóxico para las células. Para solucionar esto, los científicos desarrollaron una nueva receta modificada que llamaron Polytech-CyanoSPO. Esta nueva mezcla no inventó nuevos nutrientes; en su lugar, cambió cuatro ingredientes específicos por diferentes formas de los mismos nutrientes que las bacterias realmente pueden utilizar.

El primer cambio abordó el hierro, un mineral vital necesario para que las bacterias realicen la fotosíntesis. En la receta antigua, el hierro se mezclaba con un compuesto que se descomponía rápidamente con la luz, lo que hacía que el hierro se convirtiera en un lodo sólido similar al óxido que se asentaba en el fondo del recipiente. Las bacterias no podían alcanzarlo. La nueva receta reemplazó esto con una sal de hierro diferente combinada con una molécula especial que actúa como una jaula protectora, manteniendo el hierro en un estado líquido y disuelto para que las células pudieran tomarlo fácilmente. El segundo cambio involucró la fuente de nitrógeno. La receta antigua utilizaba una forma de nitrógeno que traía consigo sodio, una sal que puede estresar a las células y alterar su equilibrio interno. La nueva receta cambió esto por una forma de nitrógeno combinada con potasio, un mineral que las bacterias necesitan para funcionar, convirtiendo efectivamente el alimento en una fuente tanto de energía como de minerales esenciales sin el estrés.

El tercer ajuste abordó el fósforo, otro nutriente clave. En la mezcla estándar, la forma en que el fósforo estaba disuelto hacía que fuera probable que se pegara al calcio y al magnesio, formando sólidos invisibles que las bacterias no podían absorber. La nueva receta utilizó una forma diferente de fósforo que mantenía el agua ligeramente ácida, evitando la formación de estos sólidos y manteniendo el fósforo disponible para que las células lo consuman. Finalmente, el equipo cambió la fuente de un metal traza llamado cobalto, eliminando una forma química que podría ser dañina y reemplazándola con una versión más segura y estable. Estos cuatro cambios fueron pequeños en número pero masivos en su efecto.

Cuando los investigadores probaron su nueva mezcla contra la anterior, los resultados fueron dramáticos. En la mezcla estándar BG11, las tres especies tóxicas apenas sobrevivieron. Sus números no aumentaron, su color verde se desvaneció y produjeron casi nada de oxígeno, una señal de que sus motores de energía se habían detenido. En contraste, los cultivos cultivados en la nueva mezcla Polytech-CyanoSPO explotaron con vida. Durante un período de catorce días, el número de células en la nueva mezcla creció de diez a treinta veces más que en la antigua. El agua en los nuevos cultivos se volvió tan rica en oxígeno que contenía más de lo que el aire por encima de ella podría disolver normalmente, una clara señal de que las bacterias estaban realizando la fotosíntesis a toda velocidad.

Los científicos también midieron lo que quedó en el agua después del experimento. En los cultivos que fallaron, el agua todavía estaba llena de nitrógeno y fósforo sin usar, lo que demostró que las bacterias estaban demasiado enfermas para comerlos. En los cultivos exitosos, el agua estaba casi vacía de estos nutrientes, mostrando que las bacterias saludables habían consumido casi todo lo disponible. La nueva mezcla también mantuvo el nivel de pH del agua en un nivel neutro y estable, mientras que la mezcla antigua se volvió demasiado alcalina, lo que envenenó aún más a las células. Al resolver estos acertijos químicos, los investigadores han proporcionado una forma fiable de cultivar estas cepas difíciles y tóxicas. Este avance significa que los científicos ahora pueden estudiar estos organismos en el laboratorio con confianza, abriendo la puerta para comprender cómo producen sus toxinas y cómo proteger los suministros de agua de los peligros de las floraciones algales nocivas.