El twitter de las bacterias

El calamar Eyprymna scolopes aprovecha la bioluminiscencia de la bacteria Vibrio fischeri para camuflarse. Foto de Hans Hillewaert (vía PLoS).

El calamar Euprymna scolopes aprovecha la bioluminiscencia de la bacteria Vibrio fischeri para camuflarse. El estudio de esa relación simbiótica llevó al descubrimiento de que las bacterias se comunican y coordinan sus acciones usando un lenguaje químico. Foto de Hans Hillewaert (vía PLoS).

Hace ya unas cuatro décadas que John Hastings y sus colegas describieron por primera vez el fenómeno que los biólogos llaman hoy en día percepción de quórum —en inglés, quorum sensing. Ocurre que, por medio de señales bioquímicas, las bacterias pueden percibir su propia densidad de población. Si se reúne la densidad suficiente de células microbianas —si hay quórum— las bacterias se dan cuenta, ciertos genes se ponen en acción y las bacterias realizan en sincronización perfecta funciones a veces tan complejas que la comunidad microbiana semeja un organismo pluricelular.

Gracias a la percepción de quórum, una población bacteriana puede, por ejemplo, organizarse en una biopelícula: la colonia produce una especie de baba pegajosa —de hecho, una compleja matriz polimérica— con la que se adhiere al casco de un barco, a la dentadura de una persona, a los tejidos de un pulmón o a la superficie de ciertos aparatos médicos, para a continuación construir una estructura en la que se resguardan las bacterias. También mediante la percepción de quórum, un buen número de patógenos coordinan invasiones de tejidos y se ponen de acuerdo para liberar toxinas al unísono y activar factores de virulencia. Ciertas especies, cuando escasea el alimento, se valen de la percepción de quórum para construir cuerpos fructíferos y producir esporas a fin de que la colonia sobreviva.

La bacteria y el calamar

Hastings y colaboradores descubrieron la percepción de quórum en la bacteria bioluminiscente marina Vibrio fischeri. En el agua de mar, donde su densidad normal no es muy alta (unas 102 células por mililitro), la bacteria lleva una vida más bien oscura; pero es capaz de formar poblaciones muy densas (unas 1011 células por ml) en los órganos luminosos de calamares como Euprymna scolopes, donde se encarga de generar la luz .

Al calamar le conviene. Por las noches, cuando los calamares adultos se congregan en gran número cerca de la superficie de las aguas someras para cazar y aparearse, su silueta pasa desapercibida para los predadores que nadan más abajo, pues los puntos de luz de sus órganos luminosos la confunden con el cielo estrellado. De hecho, el calamar es capaz de detectar la luz de la luna que brilla sobre el agua y compensarla regulando la cantidad de luz que emiten sus farolitos, con lo que evita proyectar una sombra visible para sus enemigos.

Así que el calamar les ofrece un festín de nutrientes a sus simbiontes microbianos para que le presten sus servicios de iluminación nocturna; por la mañana, terminada la parranda, expulsa a la mayoría al agua, para que coman en otra parte. El calamar, por su parte, se va a descansar enterrado en la arena. Si lo necesita, volverá a llenar de bacterias sus órganos luminosos, pero posiblemente le baste con la multiplicación de las que quedaron en éstos.

Para generar luz, Vibrio fischeri utiliza una enzima del variado grupo de las luciferasas. La luciferasa de V. fischeri es un heterodímero, es decir, una proteína formada por dos subunidades diferentes, a las que se denomina α y β. En  la reacción de luminiscencia, la luciferasa convierte un aldehído alifático (R-CHO), oxígeno y la forma reducida del cofactor flavín mononucleótido (FMNH2) en el correspondiente ácido alifático, agua y FMN, con la producción concomitante de luz.

Se han hallado en el genoma de Vibrio fischeri ocho genes encargados de codificar las proteínas necesarias para que la bacteria pueda realizar la reacción de luminiscencia. Estos genes se organizan en dos operones. (Un operón es un conjunto de genes bacterianos que contribuyen a una misma función, ubicados muy cerca unos de otros y cuya expresión se gobierna de manera coordinada.) Uno de los operones tiene siete genes, todos ellos llamados lux pero distinguidos por letras que se agregan a este nombre: luxA, luxB, luxC, etc. Cuando nos referimos a este operón, lo llamamos luxICDABEG, para indicar el orden que guardan los siete genes en él. Los genes luxA y lux B codifican las subunidades α y β de la luciferasa; luxI codifica una proteína de 193 aminoácidos que cataliza la síntesis de la acil homoserina lactona (AHL). Los genes luxC, luxD y luxE codifican las enzimas que toman parte en la formación del aldehído de cadena larga. Por lo que toca a luxG, parece que ayuda a mejorar la capacidad de la bacteria de sintetizar flavín nucleótido. El otro operón, formado por un solo gen, luxR, codifica la proteína LuxR, que se acopla a la AHL y activa la expresión del operón luxICDABEG.

Se han hallado en el genoma de Vibrio fischeri ocho genes encargados de codificar las proteínas necesarias para que la bacteria pueda realizar la reacción de luminiscencia. Estos genes se organizan en dos operones. (Un operón es un conjunto de genes bacterianos que contribuyen a una misma función, ubicados muy cerca unos de otros y cuya expresión se gobierna de manera coordinada.) Uno de los operones tiene siete genes, todos ellos llamados lux pero distinguidos por letras que se agregan a este nombre: luxA, luxB, luxC, etc. Cuando nos referimos a este operón, lo llamamos luxICDABEG, para indicar el orden que guardan los siete genes en él. Los genes luxA y lux B codifican las subunidades α y β de la luciferasa; luxI codifica una proteína de 193 aminoácidos que cataliza la síntesis de la acil homoserina lactona (AHL). Los genes luxC, luxD y luxE codifican las enzimas que toman parte en la formación del aldehído de cadena larga. Por lo que toca a luxG, parece que ayuda a mejorar la capacidad de la bacteria de sintetizar flavín nucleótido. El otro operón, formado por un solo gen, luxR, codifica la proteína LuxR, que se acopla a la AHL y activa la expresión del operón luxICDABEG.

La señal bioquímica que inicia el proceso es un compuesto orgánico que la propia bacteria secreta en su entorno y que se difunde bastante libremente a través de la membrana bacteriana. A los compuestos que cumplen esta función en la percepción de quórum se los denomina autoinductores y, de hecho, antes de que lo llamaran percepción de quórum, el fenómeno se conocía con el nombre que le dio Hastings: autoinducción. El autoinductor de V. fischeri resultó ser una acil homoserina lactona. Luego se vino a descubrir que la generalidad de las bacterias Gram negativas emplea una o varias acil homoserina lactonas —hay toda una variedad de ellas— como autoinductores, en tanto que las bacterias Gram positivas emplean, por lo general, oligopéptidos modificados. También se han descubierto sistemas de señales mixtos.

La acción del autoinductor está sujeta a la densidad de la población bacteriana. En el agua de mar, la lactona que secretan las bacterias no se acumula; pero en el órgano luminoso del calamar, conforme la bacteria prolifera, la concentración del autoinductor va en aumento, hasta que abunda tanto que su influjo de vuelta a las células microbianas contrapesa la velocidad de secreción, con lo que se desencadenan los procesos bioquímicos que desembocan en la reacción de oxidación. Y se hace la luz.

El encendido es simultáneo. Como lo expresó en una charla TED sobre el tema una de las personas que más ha contribuido a esclarecer el fenómeno de la percepción de quórum, Bonnie L. Bassler, investigadora de la Universidad de Princeton: las bacterias “emiten sus votos químicos, los votos se cuentan y todo el mundo responde a la votación”.

Bonnie L. Bassler. Una de las cosas que ha descubierto es que, además de poseer un sistema de comunicación bioquímica propia de cada especie, las bacterias comparten un sistema de comunicación más general, lo que quiere de diferentes especies y hasta diferentes géneros de bacterias se pueden comunicar con un lenguaje químico universal, el “esperanto bacteriano”, como ella lo llama. Foto: Princeton Weekly Bulletin.

Bonnie L. Bassler. Una de las cosas que ha descubierto es que, además de poseer un sistema de comunicación bioquímica propio de cada especie, las bacterias comparten un sistema de comunicación más general, lo que quiere decir que diferentes especies y hasta diferentes géneros de bacterias se pueden comunicar con un lenguaje químico universal, el “esperanto bacteriano”, como ella lo llama. Foto: Princeton Weekly Bulletin.

Cuando el enemigo se atrinchera

Una de las operaciones coordinadas que realizan cotidianamente las bacterias es la construcción de biopelículas. En éstas, los microorganismos se mantienen unidos mediante una matriz extracelular compuesta de exopolisacáridos, proteínas y, a veces, ácidos nucleicos. La biopelícula es como una fortificación militar que resguarda a las bacterias de una amplia variedad de amenazas: predadores, antibióticos, componentes del sistema de inmunidad del organismo infectado, cambios del pH, calor, etc. Muy a menudo, la biopelícula tiene canales para proporcionarle agua y nutrientes a los miembros de la colonia. En las profundidades de la biopelícula, parte de las bacterias pueden entrar en estado de latencia y volverse prácticamente inmunes a los antibióticos que sólo afectan a microbios en crecimiento activo.

En enero de este año, un grupo de investigadores médicos de las fuerzas armadas de los EUA publicó en BMC Infectious Diseases un estudio de 205 muestras microbiológicas clínicas tomadas de variadas regiones anatómicas de pacientes admitidos para tratamiento en el Centro Médico Militar Brooke entre 2004 y 2011. La intención del estudio fue averiguar la capacidad de las poblaciones microbianas para formar biopelículas in vitro. En el caso de pacientes con infecciones recurrentes, se evaluaron cepas seriales.

De las 205 muestras microbiológicas, 126 cepas (61.4 %) mostraron una capacidad de formar biopelículas in vitro igual o mayor que la de la cepa de Staphylococcus epidermidis que los investigadores usaron como referencia por ser una notable constructora de biopelículas. No me sorprende que Pseudomonas aeruginosa y Staphylococcus aureus hayan resultado las bacterias con el mayor número de cepas hábiles para la tarea, dada su fama de patógenos oportunistas y difíciles de erradicar. P. aeruginosa es notoria por sus devastadores efectos en pacientes de fibrosis quística.

A juicio de los investigadores, sus resultados confirman, entre otras cosas, que los patógenos con resistencia múltiple a medicamentos son las que más frecuentemente forman biopelículas y que las cepas obtenidas de pacientes con infecciones persistentes son en todos los casos constructoras de biopelículas.

Formación de una biopelícula de Escherichia coli en una manzana inoculada. Las manzanas fueron inoculadas y dejadas secar a 4°C por 72 horas antes de tomar la imagen. Fuente: Journal of Food Science, volumen 74, número 1, 2009.

Formación de una biopelícula de Escherichia coli en una manzana inoculada. Las manzanas fueron inoculadas y dejadas secar a 4°C por 72 horas antes de tomar la imagen. Fuente: Journal of Food Science, volumen 74, número 1, 2009.

Desde hace un tiempo se sabe que la percepción de quórum es esencial para el desarrollo de la infección pulmonar de P. aeruginosa, porque gobierna la adhesión, la formación de la biopelícula y la expresión del factor de virulencia. Tal vez la esperanza de las víctimas de este cruel patógeno sean las investigaciones sobre la percepción de quórum, que pueden mostrarnos una manera novedosa y eficaz de desorganizarles la fiesta a las bacterias nocivas, sobre todo a las que han aprendido a sobrevivir nuestros ataques con antibióticos.

¿Por qué quórum?

Como lo mencioné arriba, cuando Hastings y sus colegas hicieron las primeras observaciones del fenómeno, lo llamaron sencillamente autoinducción. ¿De dónde salió la idea de llamarlo percepción de quórum?

En un artículo publicado en 2001 en la revista Panacea, Mercè Piqueras explica que la expresión inglesa quorum sensing apareció por primera vez en una minirrevisión que W. Clairbone Fuqua, Stephen C. Winans y E. Peter Greenberg publicaron en 1994 en el Journal  of  Bacteriology. Según Greenberg, la expresión fue idea de una persona ajena al mundo de la microbiología, un abogado cuñado de Winans. En una reunión navideña, éste le expuso a su cuñado el tipo de investigación en que trabajaba. El cuñado le comentó que quorum sensing, a su juicio, expresaba mejor la idea de que las bacterias se dan cuenta de que han reunido el número suficiente para hacer algo. Y así quedó.

Referencias

A todos los lectores interesados les recomiendo ver el video de la charla TED que dio Bonnie Bassler en 2009. Está en inglés pero con traducción al español en subtítulos. Por si no lo vieron allá arriba, aquí está de nuevo el ENLACE.

Para la elaboración de esta nota he aprovechado las siguientes fuentes:

Bassler, Bonnie L., y Christopher M. Waters. «Quorum Sensing: Cell-to-Cell Communication in Bacteria.» Annual Review of Cell and Developmental Biology, 2005: 319-346.

Bassler, Bonnie L., y Richard Losick. «Bacterially Speaking.» Cell, nº 125 (2006): 237-246.

Nealson, K.H., y John W. Hastings. «Bacterial Bioluminescence: Its Control and Ecological Significance.» Microbiological Reviews 43, nº 4 (1979): 496-518.

Sánchez, Carlos J., y otros. «Biofilm formation by clinical isolates and the implications in chronic infections.» BMC Infectious Diseases 13, nº 47 (2013).

Schauder, Stephan, y Bonnie L. Bassler. «The languages of bacteria.» Genes and Development, nº 15 (2001): 1468-1480.

Schuster, Martin, C. Phoebe Lostroh, Tomoo Ogi, y E. P. Greenberg. «Identification, Timing, and Signal Specificity of Pseudomonas aeruginosa Quorum-Controlled Genes: a Transcriptome Analysis.» Journal of Bacteriology 185, nº 7 (2003): 2066–2079.

Tehrani, Golnaz Asaadi, y otros. «Molecular cloning and expression of the luciferase coding genes of Vibrio fischeriAfrican Journal of Biotechnology 10, nº 20 (2011): 4018-4023.

Wingreen, Ned S., y Simon A. Levin. «Cooperation among Microorganisms.» PLoS Biology 4, nº 9 (septiembre 2006): 1486-1488.

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2 pensamientos en “El twitter de las bacterias

  1. Este articulo es muy intetesante por la investigacion realizada, por conocer que existen otros seres que son capaces de comunicarse. Es algo sorprendente… sin embargo esto significa que no estamos solos en nuestro ambiente !!

    • Gracias por comentar. Te recomiendo que, si no lo has hecho, veas el video de Bonnie Bassler. Busca el enlace en las referencias que incluí en el artículo.

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