¡Hola, Micromunders! Hoy os traemos el primer post de esta temporada. Estad muy atentos porque este curso se vienen microcosillas interesantes. ¡Comencemos!
¿Alguna vez os habéis preguntado si los microorganismos se comunican entre ellos? ¿Y qué tiene esto que ver con la resistencia a los antimicrobianos? Poneos cómodos y vayamos al meollo de la cuestión.
Quorum sensing, el chat de los microorganismos
Las bacterias y otros microorganismos no se comunican como nosotros. Lo hacen a través del quorum sensing. ¿Recordáis cuando en el colegio le pasabais a vuestro amigo un mensajito lanzándole un trozo de papel en forma de bolita para pasarle el último cotilleo del día? Pues algo así, pero con moléculas. Y para fines más necesarios. Veamos cómo se descubrió, qué es y cómo funciona este parloteo entre las bacterias.
En la historia se ha considerado a las bacterias como organismos unicelulares, como unidades individuales con sistemas de autorregulación para su metabolismo y crecimiento. Sin embargo, en las últimas décadas se ha descartado ver a las bacterias como seres solitarios. Está bastante establecido que las células bacterianas producen y sienten pequeñas moléculas señalizadoras para comunicarse entre ellas mediante un proceso denominado quorum sensing. Este proceso les permite regular factores extracelulares con funciones importantes para el bien común del conjunto: virulencia, búsqueda de nutrientes, formación de biofilms (más info aquí), producción de antibióticos, etc. Muchas de estas funciones tienen un coste energético. Si hay pocas bacterias, el coste sería perjudicial para la comunidad. El quorum sensing también permite controlar y regular dichas funciones al permitirles conocer el tamaño de su comunidad (Figura 1). ¿Son pocas bacterias? No realizan la función. ¿Son suficientes? Adelante.
Bioluminiscencia: desde los mares de leche a los calamares que brillan.
Vamos a imaginarnos una situación mágica. Sois marineros de principios del siglo XX. Es de noche y de repente os encontráis en el mar un fenómeno surrealista, inexplicable para vosotros. Las aguas brillan de forma intensa y uniforme, extendiéndose en todas las direcciones hacia el horizonte. ¿Magia? Tal magnitud de emisión luminosa no corresponde a las características de ningún organismo emisor de luz. En la siguiente imagen (fig. 2) podéis ver observaciones recientes de este fenómeno en Java, Indonesia. El área de bioluminiscencia es mayor de 100.000 km cuadrados, es decir, más que Castilla y León y Cantabria juntas, para que podáis haceros una idea de lo espectacular que debe ser este fenómeno en persona.
Los tripulantes del barco que captó estas imágenes describen así el fenómeno:
‘When waking up at 22.00 the sea was white. There is no moon, the sea is apparently full of ? plankton ? but the bow wave is black! It gives the impression of sailing on snow!’ (Al despertar a las 22.00 el mar estaba blanco. No hay luna, el mar está aparentemente ¿lleno de plancton?, ¡pero la proa es negra! Da la impresión de navegar sobre nieve.)
Hay que tener en cuenta que es un fenómeno poco frecuente y eso hace más difícil a los científicos estudiarlo. Las imágenes anteriores muestran también lo difícil que es capturarlo en imágenes en la superficie y no solo a través de satélites. Los tripulantes lo describieron como el color de las pegatinas de estrellas que brillan en la oscuridad. ¿Pero qué provoca esto? Hay bacterias y eucariotas unicelulares capaces de emitir luz gracias a la enzima luciferasa.
Vamos a centrarnos en las bacterias. La mayoría de estas bacterias bioluminiscentes son de tres familias, entre las que se encuentra la familia Vibrionaceae. El primero en observar el fenómeno en esta familia fue Hastings en dos bacterias marinas (Vibrio harveyi y Vibrio fischeri) en los 70. Lo importante es que contienen en su genoma un operón* denominado lux, del que hablaremos más adelante.
*Operón: grupo de genes que se regulan entre sí y codifican proteínas relacionadas funcionalmente.
El conocimiento actual hace creer que la luz juega un papel importante en la comunicación de las bacterias con sus huéspedes (infectados o simbiontes) y en la formación de biofilms en los tejidos del huésped por sistemas de fotorrecepción de los huéspedes distintos a los visuales. Por ejemplo, Vibrio fischeri se relaciona de forma simbiótica con el calamar Euprymna scolopes (fig. 3). En este calamar la luminiscencia de la bacteria es percibida por fotorreceptores que se encuentran en un órgano luminoso del hospedador.
¿Pero para qué sirve brillar? En el caso de las asociaciones con eucariotas como la del calamar, la luz permite al calamar iluminarse como estrategia de anti depredación, evitando que produzca sombra durante las noches claras en las que la luz de la luna y las estrellas penetran el agua. Por otro lado, muchas bacterias viven en asociación con plantas, en la rizosfera (zona de influencia inmediata de las plantas en el suelo). Existe la hipótesis de que la bioluminiscencia les permite atraer a bacterias fotofílicas y repeler a otros organismos, bacterias y eucariotas depredadores que son fotofóbicos. La luz que emiten también influye en las raíces vegetales produciendo diversas respuestas (fig. 4).
Vale. Todo esto es muy chulo y curioso, ¡y con mucho estudio por delante! ¿Pero qué tiene que ver con el quorum sensing? Aunque en la actualidad se han encontrado algunas especies cuya bioluminiscencia es independiente de dichos sistemas de comunicación o controlada por otros factores medioambientales, en algunas bacterias depende de la densidad celular, que, como hemos dicho, se detecta a través del quorum sensing.
El ejemplo más común es el de Vibrio fischeri-calamar Euprymna scolopes. La emisión de la luz está correlacionada con la densidad celular de las bacterias en el órgano. Aquí es donde entra en juego el quorum sensing. A medida que la comunidad de V. fischeri crece, produce y libera una hormona autoinductora (HSL: N-(3-oxohexanoil)-homoserina lactona) al medio en el que se encuentra y dicha hormona queda atrapada junto a las bacterias en el órgano luminoso del animal. La hormona se acumula en el órgano y actúa como señal, ‘comunicando’ a la bacteria que está dentro del huésped y no en el mar (donde la hormona no se acumula en un espacio concreto). Cuando las bacterias detectan esta hormona autoinductora se activa una cascada de señalización que culmina en la emisión de luz gracias a la luciferasa, enzima que oxida el pigmento luciferina (gastando energía) y dicha reacción libera luz (fig. 5).
La bioluminiscencia es solo una de las muchas funciones en las que influye el quorum sensing. En estos sistemas y según el grupo bacteriano entrarán en juego diferentes sistemas y moléculas autoinductoras. Además, aunque aquí estemos hablando de la comunicación en bacterias, también existe en otros microorganismos como los hongos. Sin embargo, eso es otra historia. ¡Las bacterias no tienen nada de simple! ¿No os resulta increíble cómo interactúan entre ellas para ‘estudiar’ la situación en la que se encuentran?
De antibióticos, resistencias y un poco de comunicación
Erwinia carotovora es una bacteria Gram negativa que causa la podredumbre blanda en plantas. Esta bacteria posee dos sistemas de quorum sensing: uno para la producción de exoenzimas y otro que regula la síntesis de antibióticos carbapenémicos. Un grupo de investigadores realizó un experimento en el que expresaban un gen hidrolasa para degradar los autoinductores AHL en esta bacteria. In vivo no vieron síntomas de la enfermedad. Estudios posteriores confirmaron que había un regulador, VirR, que reprime la producción de factores de virulencia en la ausencia de moléculas de quorum sensing.
Otro ejemplo es el quorum sensing en Staphylococcus aureus, en este caso Gram positiva. Esta bacteria es una colonizadora de la nasofaringe humana y causa infecciones agudas y crónicas. Expresa un auténtico arsenal de factores de virulencia entre toxinas, proteínas de superficie que evaden el sistema inmune, exoenzimas, etc. Muchos de estos factores son controlados por un sistema de regulación denominado agr que se induce por un factor que el mismo sistema secreta. Se piensa que este factor es un pequeño péptido (AIP), molécula de los sistemas de quorum sensing en bacterias Gram positivas que se sintetiza como preseñal, se procesa y se exporta al medio (a más densidad celular, más bacterias y más se activan ciertos genes que responden a estos sistemas). El quorum sensing en esta bacteria también está implicado en la formación de biofilm, algo que resulta problemático en las infecciones.
¿Os suena la anterior bacteria? Es una de las bacterias ESKAPE (fig. 6). Son un grupo de bacterias que actualmente son altamente virulentas y, sobre todo, presentan un gran número de resistencias a antibióticos. Esto las hace altamente problemáticas en clínica. Y si el quorum sensing parece estar implicado en la virulencia… ¿por qué no estudiarlo en mayor profundidad como posible diana para luchar contra la resistencia a los antibióticos? Nada más importante que conocer al enemigo y el quorum sensing es su forma de comunicarse.
María Lorenzo Sánchez
Bibliografía
Figuras: Created with BioRender.com.
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