Clasificación de organismos “He llamado a este principio por el cual cualquier pequeña variación, si es útil, es preservada, con el término de Selección Natural. Estoy convencido que esta ha sido la mas importante, pero no la única, forma de modificación” C. Darwin, 1859 Clasificar implica realizar un arreglo ordenado de organismos en grupos con características similares. La ciencia de la clasificación es la taxonomía. Existen diferentes criterios de clasificación, sean basados en determinar lo que los organismos nos muestran (fenotipos) y con ello construir fenogramas; o distintas características emergentes de sus genomas y con ellos construir relaciones filogenéticas o cladogramas. Veremos mas adelante esto en detalle. Breve historia de la clasificación Utilizamos el sistema binomial de nomenclatura introducido por C. Linneo en 1735 (siglo XVIII). Bajo este sistema, la unidad de definición es la especie (organismos que pueden tener descendencia por cruza sexual), la cual está a su vez incluida en el género (grupo de organismos relacionados filogenéticamente mediante un ancestro común próximo, pero que han perdido la capacidad de cruza sexual). Ejemplo, el género Equus (Linneo 1758) abarca a las especies Equus africanus (asno), Equus ferus (caballo), Equus zebra (cebra), etc. Y podemos ir un nivel inmediato superior y llegar a la Familia, Equidae en este ejemplo y que incluye a mamíferos extintos. O hacia un nivel inmediato inferior y llegar a las subespecies: 1) de E. ferus E. ferus caballus (caballo doméstico) E. ferus przewalskii (caballo salvaje) 2) de E. africanus E. africanus africanus E. africanus asinus (burro) Y aún a Híbridos (generalmente estériles) Mula (burro + yegua) Cebrallo (cebra macho + yegua) Cebrasno (cebra + asno Y todo ello nos habla de un proceso dinámico al que llamamos evolución. Obviamente la definición de especie se complica en el caso de organismos sin reproducción sexual como son los microbios. Siglo IV AC: Aristóteles diferencia todas las entidades vivas de la naturaleza y las incluye en dos Reinos: animal y vegetal. Siglo XVIII: Linneo retoma esto y también distingue estos dos reinos, Animalia y Plantae (aunque también inventa un tercer reino para los minerales, Mineralia, lo que hoy nos suena absurdo). Divide a los Reinos en phyla, a estas en clases, las clases en órdenes, los órdenes en familias, y las familias en géneros. Pero, mas relevante, inventa el sistema binomial, el cual define a todo organismo vivo mediante dos palabras que indican su género

(grupo de organismos relacionados) y especie (pueden tener descendencia fértil por cruza sexual). Siglo XVIII: Charles Bonnet, biólogo suizo, introduce la palabra “evolución”. 1858: C. Darwin y A. Wallace presentan en la Sociedad Linneana de Londres un trabajo conjunto las conclusiones de años de estudios independientes: La Teoría de la Selección Natural, concepto por el cual los organismos vivos son el resultado de un proceso continuo de cambio y selección. 1859. Darwin publica su libro “On the Origins of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life”, título que es reducido en posteriores ediciones a “The Origin of Species”, 1866: Ernst Haeckel distingue entre organismos unicelulares (protistas) y pluricelulares (plantas y animales) y propone un nuevo reino, Protista, en donde colocar a los organismos que no eran animales ni plantas. 1937: E. Chatton propone que no existen Reinos sino dos grupos primarios de vida: Prokaryotae y Eukaryotae. 1969. R. Whittaker postula un reino adicional, Fungi, y enuncia el sistema de los 5 reinos basado principalmente en las diferencias en materia de nutrición: Plantae son en su mayoría pluricelulares autótrofos; Animalia, pluricelulares heterótrofos; Fungi, pluricelulares saprofitos; Protista, eucariotas unicelulares; y Monera, los procariotas. Esta clasificación es hoy a todas luces insuficiente, estudios moleculares muestran que tanto Protista como Monera son polifilogénicos (derivan de distintos ancestros cercanos). -1970: E. Zuckerkandl propone que el ADN no solo constituye el genoma de un organismo, sino que también representa un documento de su historia evolutiva. Esta información puede estar desordenada y oculta, o ser muy fragmentaria o estar perdida. Los métodos moleculares de clonado y secuenciación del ADN nos permiten mirar a ese documento histórico, ordenar esa información, e interpretar su sentido. Concepto de cronómetros moleculares. -1970: Teoría neutralista de Kimura. -1970: C. Woese. El rRNA como cronómetro universal. El Gran Árbol de la Vida. -1990. Secuenciación de genomas completos. -2000: Concepto de pan-genoma microbiano: genoma core + genoma accesorio La “especie” microbiana. La unidad de la clasificación del sistema binomial es la especie, definida por su habilidad de generar progenie viable mediante reproducción sexual. Esto es, la continuidad de una determinada especie está aquí asegurada por la existencia de barreras pre- y post-cigóticas interespecies: la sinapsis (el apareamiento de cromosomas homólogos paterno y materno al inicio de la meiosis) la cual previene la incorporación estable de ADN “foráneo” obtenido por transferencia horizontal de genes (THG). Y esto define a la población de una determinada especie. Sin embargo, la reproducción sexual es un evento reciente en la evolución (~500 millones de años). Dicho concepto de “especie” y “población” es así inaplicable a los microbios, la mayoría de la vida sobre este planeta, donde no existe reproducción sexual y donde la variación genética es producida mayoritariamente por THG. Aún así, existen fuerzas evolutivas para preservar la existencia de líneas microbianas diferenciadas, ya que en su ausencia la acumulación de variación genética resultaría en un continuo genético (organismos portando parte de un metagenoma).

Además existe la necesidad de definir diferentes “especies” microbianas: Microbiología Médica -Identificación rápida de patógenos -Reconocimiento de nuevos patógenos -Formulación de medios selectivos de aislamiento -Control de calidad -Evaluación de riesgos Microbiología Industrial -Elección de cepas para ensayo de bioactividad -Formulación de medios selectivos de aislamiento -Determinar el grado de diversidad bacteriana -Identificación de organismos nuevos -Patentamiento -Evaluación de riesgos -Regulaciones de cuarentenas -Validación de procesos Ahora, como colocamos los límites de una “especie” (o “población”) microbiana para evitar una clasificación totalmente artificial, antes que definir un grupo biológica y evolutivamente coherente? Métodos de análisis de relaciones entre microbios: -Taxonomía numérica: se obtiene una abundante información sobre caracteres bioquímicos, nutricionales, fisiológicos, etc., de los organismos. Luego se agrupan los mismos en base a similaridad. -Quimiosistemática: detección de marcadores químicos y “fingerprints” de organismos totales -Sistemática molecular: Composición ADN, hibridización ADN, secuenciamiento de ADN. Clasificación fenética (taxonomía numérica). Un fenograma es un diagrama que une las taxa por las estimaciones de similaridad. Clasificación filogenética (cladística). Basada en las relaciones evolutivas entre organismos, o ancestría común. Un cladograma es un diagrama (dendrograma, árbol) que representa una historia evolutiva hipotética. Puede asimismo indicarse mediante la longitud de sus ramas el número de cambios estimado entre distintas líneas evolutivas. Tendencias actuales: Taxonomía polifásica: Término utilizado para significar estudios taxonómicos sucesivos o simultáneos de un grupo de organismos utilizando un conjunto de técnicas designadas para proporcionar datos genotípicos y fenotípicos Requerimientos mínimos para la descripción de una nueva especie bacteriana 1) Propiedades genotípicas

% G+C Hibridización ADN/ADN Secuenciación de ac. nucleicos: 16S rRNA, otros genes 2) Propiedades fenotípicas Morfología y tinción Pruebas metabólicas Marcadores químicos (ácidos grasos de membrana) Electroforesis proteica Tests enzimáticos Serología Y actualmente: secuenciación de genomas completos Que información se ha obtenido? Existe considerable variación en microbios clasificados como miembros de la misma especie. Hay líneas que mantienen su integridad genómica durante largos períodos de tiempo o distancias. Esto es, sus genomas no están sujetos a grandes cambios debidos a mutaciones recurrentes y/o recombinación. Esto dio origen al concepto del "clon" bacteriano, esto es, poblaciones que no son simplemente ensambles de líneas genéticamente distantes. El grado de "clonalidad" varía con la especie analizada. Algunas, como Escherichia coli, son altamente clonales. Otras, como Neisseria gonorrhoeae y Bacillus subtilis son muy variables genéticamente. Pero aún las mas estables son quimeras que poseen porciones de cromosoma obtenidos por THG. Re-definición: la (arbitraria) “especie” microbiana La especie microbiana consiste en un ensamble de aislamientos originados de una población derivada de un ancestro común en el cual la generación de diversidad genética resulta en clones con distintos grados de recombinación, pero que poseen un grado de hibridación de ADN/ADN no menor al 70% en condiciones estandarizadas, un cierto grado de consistencia fenotípica, y una identidad de secuencia del 16S rRNA no menor al 98,7%. Concepto de especie tipo Una especie bacteriana puede ser definida como tipo junto con otras especies o cepas bacterianas aceptadas por taxónomos como suficientemente relacionadas El propósito de los métodos moleculares de tipificación (subtipificación) es examinar una serie de aislamientos bacterianos asignados a la misma especie, a fin de revelar heterogeneidad genética (identificar grupos clonales).

Relaciones filogenéticas entre microbios. Clasificación basada en la comparación de secuencias de macromoléculas. Evolución de la vida sobre nuestro planeta. El árbol universal según Woese Identidad y similitud de secuencia de nucleótidos o aminoácidos son observaciones. Homología es una conclusión. 1970: Teoría neutralista de Kimura: la mayoría de las mutaciones son selectivamente neutras o cuasi neutras 1970: Se desarrolla el concepto de cronómetros moleculares: Moléculas relacionadas que llevan a cabo la misma función en diferentes organismos (ortólogos), y en las cuales la mayoría de las mutaciones son selectivamente neutras (esto es, sin consecuencias fenotípicas). Dichos cambios pueden así ser utilizados para medir la distancia evolutiva relativa entre organismos desde que los mismos se separaron de un ancestro común. Concepto de ortólogos, parálogos, duplicación de genes y su efecto sobre la evolución. La similaridad entre dos macromoléculas está definida por tres componentes: 1) La retención de caracteres ancestrales (útil para alineamientos). 2) La emergencia de caracteres nuevos en distintas líneas evolutivas (útil para construir relaciones filogenéticas) 3) Homoplasias (convergencias, paralelismos, reversiones, duplicaciones, transmisión horizontal de genes THG (causa de problemas). Un árbol derivado de un gen determinado puede reflejar la historia evolutiva del mismo. Asimismo, puede también reflejar la de los organismos que lo contienen si las secuencias son ortólogas, no representan distintos parálogos retenidos durante eventos de duplicación, y no han sido victimas eventos disruptivos luego de la especiación (ejemplo, THG). Actualmente, con la posibilidad de secuenciar genomas completos se intenta definir una especie en base a la identidad promedio de genes ortólogos (ANI). En 28 especies analizadas, el 70% hibridación DNA/DNA correspondió al 95% ANI, lo cual podría ser usado con límite inferior para definir una “especie” microbiana. Bibliografía 1) Brock. Biology of Microorganisms. Madigan-Martinko-Stahl-Clark (Capítulo sobre taxonomía y evolución, últimas ediciones). 2) Structural and functional relationships in prokaryotes. L. Barton, Springer Science Press (Capítulo 1).