María Eugenia Farías

El arsénico, un veneno muy antiguo

El arsénico (As) es un elemento químico que se encuentra ampliamente distribuido por toda la corteza terrestre. Las principales fuentes de arsénico son naturales, incluyendo zonas volcánicas y aguas termales. También puede encontrarse como resultado de la actividad humana debido a minería o al tratamiento de residuos, a plaguicidas o a actividad industrial. En la tabla periódica de los elementos, el arsénico pertenece al grupo de los metaloides, ya que muestra propiedades intermedias entre metales y no metales. El arsénico puede estar en el ambiente en varios estados de oxidación, (0, +III y +V). En aguas naturales se encuentra sobre todo como arsenato [V] o arsenito As[III]. El estado predominante del arsénico es en forma de As [V] y se encuentra así en ambientes acuosos oxigenados. En condiciones reducidas y anóxicas el que predomina es el As[III], que es 100 veces más tóxico que el As [V].

03Fig01     El arsénico, junto con el azufre, forma un cristal color rubí que se lo conoce como rubí de arsénico piedra: el rejalgar. Este cristal presenta un rojo muy intenso que se empleaba para fabricar pigmentos rojizos. Sin embargo, resulta muy tóxico; tan es así, que en muchos lugares del mundo se pulverizaba la roca y se utilizaba para matar o repeler insectos y ratones. En la antigua China y Grecia se espolvoreaba rodeando casas o graneros con este propósito. Pero no sólo de matar insectos se trataba, a lo largo de la historia se lo utilizó como veneno sobre todo para acelerar herencia. Tan famoso es este veneno que en la época de los Borgia se lo conocía como polvo de sucesión. Se especula que Napoleon murió envenenado con este tipo de veneno.

     La toxicidad del arsénico se debe a que es químicamente muy parecido al fósforo, elemento esencial para los seres vivos; de hecho está ubicado justo encima de él en la tabla periódica, y esto significa que tiene muchas propiedades similares. En los seres vivos el arsénico “se cuela a la célula” por el mismo canal de entrada que el fósforo, y toma su lugar en algunas reacciones químicas claves del metabolismo. Mas precisamente, puede introducirse en la cadena de producción del ATP (adenosin trifosfato) en lugar del elemento legítimo, el fósforo, de modo que inhibe la formación de esta molécula ocasionando la muerte de la célula. En otras palabras, el arsénico es lo suficientemente parecido al fósforo como para suplantarlo en reacciones, pero también es lo suficientemente diferente del fósforo como para que las moléculas formadas no tengan función biológica.

     Por otro lado, la presencia de arsénico inhibe la formación de enzimas como la piruvato deshidrogenasa, sin las que no se puede llevar a cabo la respiración celular. Como resultado, por supuesto, la célula (y el organismo) no respira y muere.

La resistencia al arsénico

03Fig02A pesar de su toxicidad, la mayoría de los microorganismos no sólo han desarrollado mecanismos de resistencia al arsénico (como el operón ars), sino que además algunos de ellos son capaces de utilizarlo en su metabolismo. De este modo, existen microorganismos que pueden emplear al As en la respiración y/o como donador de electrones. Algunos microorganismos también pueden metilar a las formas inorgánicas del. El As[V] (AsO3-3)es el compuesto mas abundante del ambiente es transformado en As[III] por diversos microorganismos. Éste a su vez puede sufrir diversas reacciones de metilación dando lugar a compuestos metilados de As en un proceso de detoxificación de la célula, ya que este mecanismo convierte al As en un compuesto volátil, lo que le permite a la célula ¨sacarse el As de encima¨ mediante su volatilización.

     Con base en el parecido que hay entre el arsénico y el fósforo (P), se propuso la idea de que en condiciones de falta de fósforo, el arsénico podría reemplazarlo en la formación de la cadena de ADN. ¿Podrías imaginarlo? Esta teoría se basaba en que una bacteria podría crecer si se encontraba aislada en un ambiente con alta concentración de arsénico. Un sitio que podría cumplir estas características es el lago Mono en California, que es un lago muy alcalino, salino y con alto contenido de arsénico. Teóricamente, en ausencia de P esta bacteria incorporaba As en su ADN. Esta idea conmocionó al mundo científico cuando fue publicada en la revista Science en el año 2010. Las críticas no tardaron en aparecer, y se demostró que aunque la bacteria sí tenía una alta resistencia al As, ésta no podía vivir en ausencia de fósforo. Sin embargo, la idea de que el As puede formar parte de las reacciones químicas de la vida es cada vez es más aceptada.

03Fig03     De hecho, numerosos trabajos han demostrado que el metabolismo del arsénico microbiano, como los que contienen el operón ars, es antiguo y probablemente se remonta a la Tierra primitiva. En trabajos realizados en el lago Mono, un grupo de científicos de la NASA estudió biopelículas microbianas anóxicas. Estas biopelículas crecen en superficies rocosas que contienen arsenito y sulfuro a altas concentraciones, y están alimentadas por manantiales de agua caliente. Los científicos descubrieron un proceso de oxidación en estas bacterias, que es dependiente de luz y de condiciones anóxicas, en el que el arsenito se convierte a arsenato: las comunidades del biofilm están formadas por bacterias fotosintéticas fotótrofas, pero son capaces de utilizar el arsenito como el donador de electrones y así producen arsenato, mediante una reacción similar a la fotosintética, pero que sucede en ausencia de oxígeno.

El arsénico en microbialitos del pasado y actuales en los Andes

Los estromatolitos son estructuras formadas por láminas de sedimentos de origen biológico. Estos sedimentos son generados por la unión, captura y cementación de partículas que generalmente son producidas por organismos fotótrofos presentes en tapetes microbianos (Falcon et al. Oikos= 2 p. 7). Los estromatolitos son el registro biológico más antiguo y la evidencia más temprana de la vida sobre la Tierra. Aparecieron por primera vez hace 3,500 millones de años y en el registro fósil permanecen como el componente más frecuente durante miles de millones de años. Hoy sabemos que fueron grandes productores de oxígeno (O2) a lo largo de millones de años, que transformaron el planeta en un ambiente rico en este elemento y contribuyeron a crear la capa de ozono. La abundancia de oxígeno es la razón por la que la Tierra se conoce como el planeta azul.

03Fig04     En un trabajo publicado recientemente, se aplicó espectroscopía raman y fluorescencia de rayos X para ver la composición de estromatolitos fósiles australianos de hace 2,700 millones de años, y se demostró que el arsénico está asociado a la precipitación de carbonatos por actividad biológica. Este estudio propone que el metabolismo en los estromatolitos estuvo dado por un proceso de oxidación de arsenito y de reducción de arsenato en microbios que vivieron en condiciones anóxicas, lo cual sugiere que la respiración de arsénico podría haber ocurrido ampliamente en ambientes marinos de la Tierra primitiva, cuando había poco oxígeno.

     Recientemente, en la región del Altiplano Andino, en lagunas hipersalinas de Chile, Bolivia y Argentina, se reportaron distintos tipos de ecosistemas microbianos asociados a minerales (estromatolitos, microbialitos y evaporitas). Estos ambientes presentan características similares a la Tierra primitiva ya que, por la altitud en la que se encuentran, están expuestos a baja presión de O2 , alta radiación UV y viven en aguas someras alcalinas salinas, con alto contenido de arsénico de origen volcánico.

03Fig05     Laguna Diamante es uno de los ecosistemas más extremos del Altiplano Andino, y está ubicada dentro del cráter del volcán Galán, que llega a 4750 m sobre el nivel del mar, en la provincia de Catamarca en Argentina. El volcán Galán es un super-volcán que tiene una de las calderas más grandes del mundo, de unos 34 km de diámetro. Es tan enorme esta caldera, que en su interior se forma la Laguna Diamante, producto de la acumulación, y posterior evaporación, de agua que surge permanentemente de un geiser a 80°C . Esta laguna presenta condiciones ambientales muy extremas (pH= 11, arsénico= 117 mg/L, altura= 4650 m s.n.m., por lo tanto hay baja presión de oxígeno, mucha radiación UV, gran salinidad= 217 mS/cm y con una amplia variación de temperatura día/noche de 10 °C a -20 °C). En este lugar se encontraron biopelículas sumergidas (biofilms) de color rojo, que estaban formadas en la parte inferior de microbialitos (tipo leiolitos). Los resultados del análisis metagenómico de esta comunidad microbiana mostraron que las biopelículas están formadas casi exclusivamente (93%) por Haloarqueas y Halobacterias (Natronomonas sp. y Halorubrum sp. respectivamente), y el 7% restante por otros tipos de Bacteria. En el análisis genético se documentó una alta proporción de genes de litotrofía del arsenito (aioB) y para respiración anaeróbica del arsenato (arrA). Estos dos sistemas de enzimas son los que se conocen actualmente para mediar el uso bioenergético de arsénico. La enzima Aio es utilizada para la oxidación del As[III] a As[V] dentro de las cadenas bioenergéticas. La enzima Arr, por el contrario, es una oxidasa terminal en la conversión de energía, y por lo tanto está situada en el extremo opuesto de las cadenas bioenergéticas de transferencia de electrones y reduce As [V] en As[III].

Litotrofia de arsenito y respiración anaeróbica del arsenato

03Fig06Con los análisis de los metagenomas de las comunidades microbianas de la Laguna Diamante, se demostró que el sistema de respiración de arsénico es tan ancestral que pertenecería a LUCA (siglas en inglés de Last Unique Common Ancestor), antes de que separaran las Arqueas de las Bacterias. En pocas palabras, se reportó una contraparte moderna de los sistemas paleo-microbianos de 2,700 millones de años de antigüedad. Sistemas similares se encontraron en el estudio comparativo de los genes del ciclo de As en 5 metagenomas de microbialitos y tapetes microbianos de la Puna del Altiplano Andino.

Hay bacterias andinas que sí pueden respirar arsénico

     Para poner a prueba las hipótesis surgidas del análisis del metagenoma descrito en párrafos anteriores, se aisló una cepa de arquea, llamada haloarquea Halorubrum H156. Se secuenció el genoma de este microorganismo obtenido del biofilm de Diamante, y se encontró que posee ambos sistemas de enzimas (aio y arr).

     Se realizaron estudios fisiológicos para determinar si esta haloarquea crecía mejor en arsenato o arsenito, y se descubrió que esta arquea no sólo creció en As [III], sino que ¡su crecimiento fue más rápido que en su ausencia! Durante ese crecimiento el As[III] en As[V]. Mediante estudios de la transcripción de mRNA se comprobó también que se expresa el gen Aio. Todo esto demuestra que las Haloarqueas son capaces de vivir obteniendo energía del As de la misma forma que lo hicieron sus antecesores en la sopa primitiva.

     Para concluir podemos afirmar que, si bien es tóxico para las células actuales, el As fue abundante en la tierra primitiva, y  los microorganismos lo usaron para obtener energía en la sopa primitiva, cuando la atmósfera era reductora y el O2 no había sido liberado a la atmósfera. Jugó un papel fundamental en la formación de estructuras fósiles como son los estromatolitos, y hoy encontramos sistemas similares en los altos desiertos de los Andes donde se recrean las condiciones de esa Tierra primitiva.

Para saber más

  • Farías M.E, M. Contreras, M.C. Rasuk, D. Kurth, M.R. Flores, D.G. Poiré, F. Novoa y P.T. Visscher. 2014. Characterization of bacterial diversity associated with microbial mats, gypsum evaporites and carbonate microbialites in thalassic wetlands: Tebenquiche and La Brava, Salar de Atacama, Chile. Extremophiles 18:301-329.
  • Hoeft S.E., T.R. Kulp, S. Han, B. Lanoil y R.S. Oremland. 2010. Coupled arsenotrophy in a hot spring photosynthetic biofilm at Mono Lake, California. Applied and Environmental Microbiology 76: 4633–4639.
  • Oremland R.S., C.W. Saltikov, F. Wolfe-Simon y J.F. Stolz. 2009. Arsenic in the Evolution of Earth and Extra- terrestrial Ecosystems. Geomicrobiology Journal 26: 522–536.
  • Páez-Espino D., J. Tamames, V. De Lorenzo y D. Cánovas. 2009. Microbial responses to environmental arsenic. Biometals 22:117–130.
  • Rascovan N., M.J. Maldonado, M.P. Vazquez y M.E. Farías. 2015. Bioenergetic use of arsenic in haloarchaea biofilms from Diamante Lake. The ISME journal 10:  299-309.