El agua es el componente más abundante de nuestro planeta. La célula viva, por su parte, también está constituida en un porcentaje importante por agua, así como también el medio que la rodea es esencialmente hídrico. Este medio posee disueltos en agua la mayoría de los componentes que eventualmente constituirán el medio interno intracelular. Esto determina la existencia de una relación muy armónica entre el medio externo y el interno, la que en caso de romperse originará un grave y quizás irreversible daño a la célula.

Los animales superiores poseen mecanismos complicados que les permiten controlar las variaciones ambientales de humedad, en un rango más o menos amplio y por períodos discretos. Plantas y bacterias, por el contrario, están mucho más expuestas a las variaciones del contenido de agua ambiental. Desde luego, la expresión más clara de esto último está presentado por las sequías, en que la deshidratación puede originar verdaderos desastres bioeconómicos. Se calcula que durante la sequía de 1983, que asoló gran parte de Estados Unidos, se perdió cerca del 40% de los cultivos, originando pérdidas de alrededor de 10 mil millones de dólares.

La sequía representa uno de los mayores riesgos de la agricultura moderna. En un año normal, sobre el 40% de las indemnizaciones pagadas por las compañías de seguro agrícola se refieren a pérdidas por sequía. De este modo, el significativo aumento de la salinidad, provocado por la escasez de agua, representa el estrés más frecuente a que se ven expuestos los vegetales.


La hora de la biología

Dada la frecuencia con que se suceden los episodios de sequía, la planta (o la célula, en general) ha debido diseñar algunos mecanismos adaptativos que le permitan sobrevivir al estrés osmótico. En la actualidad, se conocen con alguna exactitud los elementos involucrados en este mecanismo conocido como osmorregulación; estos elementos resultaron ser moléculas orgánicas pequeñas que reciben el nombre genérico de osmoprotectores y que pertenecen a un tipo de molécula tales como la prolina, prolina betaína, glicina betaína y otras. Se estima que estas moléculas previenen la deshidratación celular, equilibrando la potencia osmótica de la célula con la del medio externo. Existen una serie de estudios que permiten comprobar un incremento en la acumulación de estos compuestos al interior de la célula, correlacionado con el aumento de la salinidad del medio en que han crecido tales células.

Un aspecto que ha despertado gran interés en estos estudios es el mecanismo que utiliza la célula para percibir el cambio osmótico. En esta área, los trabajos en bacterias han aclarado algunos aspectos que parecen relevantes. El ingreso de sales al interior de una bacteria como la Escherichia coli se realiza a través de proteínas de la pared externa de la bacteria, conocidas como porinas. A través de ellas penetran también otros compuestos de bajo peso molecular gracias a un mecanismo de difusión pasiva. Cuando las bacterias son expuestas a un medio de alta salinidad, se produce una expresión selectiva del gen, que codifica para una de las porinas (ompC), mientras que al crecer bacterias en un medio de baja salinidad, se expresa de preferencia la porina ompF. Se supone que a través de una compleja secuencia de reacciones que incluye otras proteínas (esta vez citoplasmáticas) se produciría la expresión selectiva de los genes de porinas y la adaptación de la bacteria al ambiente salino.

Los estudios realizados en osmoprotectores han logrado explicar en buena parte la adaptación de las bacterias al estrés osmótico, así como también algunas aspectos genéticos de la osmoprotección. La figura Nº1 ilustra la estructura de algunos de los compuestos osmoprotectores, los que comparten una cualidad química muy importante: su extrema solubilidad en agua y que en algunos casos alcanza a 14kg por kg de agua.

¿Cómo trabajan los osmoprotectores?. La explicación más fácil es que estos compuestos permiten balancear las presiones osmóticas intracelulares con la del medio externo, evitando la pérdida neta de agua. No obstante, en la actualidad se ha comprobado que estas sustancias juegan un importante papel en la estabilidad de la estructura de las proteínas intracelulares. Durante un cambio osmótico severo, algunas proteínas celulares quedan literalmente bañadas por osmoprotectores que pueden alcanzar concentraciones altísimas, que nada tienen que ver con las concentraciones de solutos, que normalmente maneja la célula. De este modo, la célula logra retener agua y evitar la deshidratación.


Genética

La posibilidad de disponer hoy de cepas de bacterias mutantes que presentan una gran tolerancia osmótica, dada por una sobreproducción de prolina, ha permitido conocer algo más sobre la genética de este proceso. La figura Nº2 esquematiza la secuencia de reacciones que dan origen a prolina, uno de los más activos osmoprotectores, y describe cómo este producto final de la reacción inhibe la primera reacción del ciclo, mediante una típica retroalimentación negativa. La cepa mutante posee una sensibilidad a la inhibición 100 veces menor, lo que provoca una sobreproducción de prolina y a través de ello, la osmoprotección. No obstante constituir este hallazgo una situación bastante poco frecuente, el mecanismo de adaptación parece ser muy atractivo para futuras investigaciones.

Otro mecanismo propuesto para la modulación se plantea con el uso de osmoprotectores radiactivos. Utilizando bacterias sometidas a estrés osmótico se pudo demostrar que la captación de glicina betaína, marcada con 14C fue muy superior en estas bacterias, comparadas con las que provenían de un medio fisiológico. Estos resultados sugieren fuertemente que la salinidad del medio permite la expresión de un sistema de captura de moléculas osmoprotectoras del medio, que a su vez protegen a la célula contra la deshidratación. Por otra parte, se ha demostrado que las dos reacciones involucradas en la síntesis de prolina betaína son "osmorreguladas", esto es, las enzimas aparecen en su expresión máxima cuando la salinidad del medio se eleva.

El conocimiento adquirido en bacterias ha permitido explorar la osmoprotección en vegetales. Se han realizado interesantes estudios en alfalfa, cuya raíz tiene una asociación simbiótica con una bacteria, Rhizobium meliloti. Se ha descrito que esta bacteria está protegida del shock osmótico por betaínas, lo que le permite una adecuada fijación de nitrógeno.

En resumen, las moléculas osmoprotectoras representan una alternativa muy importante para mantener la viabilidad de las bacterias y/o vegetales en ambientes salinos. La evidente importancia económica de estos estudios nos hacen esperar importantes resultados futuros.