Bioterrorismo Vegetal

La bacteria Xanthomonas oryzae en el interior del xylema de una planta de arroz

La Madre Naturaleza es el bioterrorista más peligroso. Dr. Stephen Morse

Una noticia reciente de la revista Nature informa de que el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA) ha añadido a la bacteria Xanthomonas oryzae en la lista negra de agentes antimicrobianos con potenciales usos bioterroristas.

Generalmente los microbios que se usan en la elaboración de armas biológicas suelen ser microorganismos patógenos que afectan al ser humano, como es el caso de Bacilus anthracis. Pero también pueden ser usados los microorganismos que ataquen a las cosechas o a los animales de granja. El daño que se produce es indirecto, pero igual de terrible para los seres humanos, pues en lugar de enfermedades toma la forma de hambrunas y escasez. Es el caso de la bacteria Xanthomonas oryzae, un patógeno que afecta al arroz. En concreto causa lo que se conoce como tizón foliar del arroz (leaf blight o también bacterial rice blight). Esta enfermedad es muy destructiva y tiene un gran potencial epidémico, sobre todo en las regiones tropicales. La bacteria ataca al sistema vascular de la planta produciendo unas lesiones de color blanquecino a lo largo de los venas de las hojas. En los casos más severos puede destruir hasta un 50% de la superficie cultivada. Teniendo en cuenta que el arroz es el principal sustento alimentario en el sudeste asiático uno puede imaginarse el daño que produce esta bacteria sin necesidad de que nadie intervenga.

Lesiones foliares producidas por Xanthomonas oryzae

Plantas de arroz afectadas por el tizón foliar causado por X. oryzae

Fotografías de T.W. Mew, International Rice Research Institute, Bugwood.org

Los primeros estudios sobre X. oryzae se realizaron en Japón en 1901 centrándose en su ecología y en su control mediante diversos tratamientos químicos. Actualmente se sabe que las estrategias más efectivas de control de dicha plaga es el desarrollo de plantas resistentes, pero eso no parece fácil. En el año 2005 se secuenció su genoma completo. Como se dispone también del genoma completo del arroz se pudo realizar un estudio sobre la coevolución entre el patógeno y su hospedador. Así se han identificado una serie de genes involucrados en el reconocimiento de la planta por el parásito, y más importante, de genes involucrados en la resistencia de la planta a la infección.

Microfotografía de X oryzae infectando a una planta a traves del hidatodo

Al parecer el USDA ha incluido X. oryzae en la lista como una medida preventiva, pues la bacteria no parece aclimatarse bien en las latitudes norteamericanas. Por ahora las zonas americanas más afectadas parecen encontrarse en Venezuela. Son muchos los laboratorios estadounidenses los que se han opuesto a dicha medida preventiva. Incluir un microorganismo en la lista negra supone que una serie de restricciones y dificultades para su manejo. Restricciones que pueden llevar a condenas judiciales si no se cumplen o se obvian. Pero el efecto más nocivo de dichas restricciones es que no facilitan para nada la investigación y por lo tanto el desarrollo de un tratamiento efectivo de dicha plaga.

Y es que a veces, las mejores intenciones causan los peores males.

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El retorno de los intraterrestres

El volcán Snæfells, lugar donde Julio Verne situó la entrada al centro de la Tierra

Hace unos meses dedique una entrada en el blog a los microorganismos presentes en las rocas basálticas formadas en las dorsales oceánicas. Pero la corteza terrestre sigue deparándonos sorpresas. En el último número de la revista Science se publica un estudio realizado por un conjunto de diversos grupos científicos sobre el hallazgo de una nueva bacteria quimiolitotrofa en una mina de oro sudafricana.

Agujero de perforación en una mina de oro sudafricana. El precipitado negro es sulfuro de hierro producido por la actividad metabólica de los microorganismos reductores de sulfato. La corrosión observada es debida a los microorganismos oxidadores de hierro y azufre.

Microbiólogos en el interior de una mina de oro sudafricana en plena toma de muestras

La fiebre del oro ha llevado al ser humano a realizar grandes esfuerzos en la búsqueda del vil, pero muy deseado, metal. En el caso de Sudáfrica se han llegado a excavar minas de hasta 5 kilómetros de profundidad. Al excavar dichos pozos se producen fracturas en las rocas o se realizan agujeros de perforación por las que el agua suele manar. Estas minas son un paraíso para los geólogos pues les permite acceder a sedimentos profundos formados hace más de 40 millones de años. Pero también se han convertido en un paraíso para los microbiólogos. Resulta que el agua que fluye por esos sedimentos arrastra consigo a microorganismos. Y esos microorganismos son los descendientes de aquellos microorganismos que se depositaron inicialmente sobre dichos sedimentos hace precisamente 40 millones de años.

Gracias a los análisis del 16S rRNA se ha llegado a evaluar la biodiversidad de dichas profundidades. Hasta ahora parece haber al menos unas 324 Unidades Taxonómicas Operacionales (OTUs) nuevas de las que 280 corresponden a bacterias y 44 a arqueas. Lo de Unidad Taxonómica Operacional quiere decir que se ha encontrado un nuevo 16S rRNA, pero no se ha podido aislar el microorganismo al que pertenece dicho rRNA. Hasta ahora sólo se han conseguido aislar 12 bacterias y 1 arquea metanógena de dichas profundidades.

El caso es que este grupo ha analizado el agua de una de esas fracturas localizada a 2'8 kilómetros de profundidad en una mina de oro. Y lo que han encontrado es un sólo tipo de 16S rRNA, Eso quiere decir que ese ácido nucleico pertenece tan sólo a una especie de microorganismo y por lo tanto ese agua que mana de dicha fractura es un cultivo puro natural. Al analizar dicho rRNA se han encontrado que pertenece a la clase de los clostridios, bacterias Gram positivas anaeróbias estrictas, en concreto a la familia de los Pectococacceae. Desgraciadamente no se ha podido aislar y crecer dicha bacteria en el laboratorio, pero como resulta que en ese agua sólo está esa bacteria como si fuera un cultivo puro, los investigadores han conseguido secuenciar gran parte de su genoma y han postulado un nombre (en jerga taxonómica Candidatus) para dicha bacteria: Desulforudis audaxviator.

Candidatus Desulforudis audaxviator

¿Y por qué ese nombre? Pues ellos mismos lo explican en el material suplementario del artículo.

La forma bacilar y el metabolismo energético basado en la reducción desasimilatoria del azufre es lo que da nombre al género: Desulforudis.

Estas propiedades y algunas más se conocen gracias al estudio de su genoma. Se sabe que es una bacteria flagelada, endoesporulada, que es capaz de reducir el sulfato, es termófila (60º C), alcalófila (pH = 9,8) y quimiolitotrofa. Puede asimilar amonio, fijar nitrógeno gracias a una nitrogenasa y fijar carbono por la Ruta de la Aceti-CoA, y eso lo hace gracias a que tiene una maquinaria molecular que es muy parecida a la de algunas arqueas. Esto parece indicar que esta bacteria ha conseguido adaptarse a este estilo de vida adquiriendo por alguna forma de transmisión horizontal dicha información genética. El hecho de estar ella sola indica que estamos delante de un ejemplo de ecosistema formado por un sólo tipo de ser vivo.

¿Y cuál es la fuente de energía? Por el análisis del genoma se sabe que el sulfato es el aceptor de electrones por lo que se produce Sulfuro de Hidrógeno (H2S) como desecho. Este compuesto reacciona con el hierro formando precipitados negros de Sulfuro de Hierro. Pero falta la otra parte de la ecuación: el donador de electrones. A una profundidad de 2,8 kilómetros no es que haya muchas sustancias reducidas que sean fácilmente asimilables por un ser vivo, a menos que la radiactividad nos eche una mano.

Resulta que la desintegración de los elementos radiactivos presentes en cualquier sustrato geológico puede provocar la radiohidrólisis del agua liberándose iones hidroxilos (OH-) y protones (H+). Los iones hidroxilos pueden reaccionar con la pirita o con otros minerales dando lugar a compuestos oxidados. Pero los protones pueden ser aprovechados por la ATPasa de membrana o combinarse entre sí formando Hidrógeno (H2). Y el hidrógeno puede ser aprovechado por una Hidrogenasa. En ambos casos tenemos un donador de electrones y por lo tanto energía para la célula.

Una vez bautizado el género faltaba el nombre de la especie. Para ello se basaron en la obra "Viaje al centro de la Tierra" de Julio Verne. En un determinado momento los exploradores describen un mensaje cifrado en el que se lee:

In Sneffels Joculis craterem quem delibat Umbra Scartaris Julii intra calendas descende, audax viator, et terrestre centrum attinges.

Y cuya traducción sería: "Desciende intrépido viajero, en el cráter del glaciar Sneffel tocado por la sombra de Scartaris antes de las calendas de julio y llegarás al centro de la Tierra"


D. audaxviator comenzó su audaz viaje hacia las profundidades hace 40 millones de años, en pleno Eoceno, cuando se originó la cordillera del Himalaya y el linaje de las ballenas acababa de nacer.

La Tierra hace 40 millones de años, en pleno Eoceno

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Bichos de Bichos

Gorgojo descortezador. El micangio estaría cerca de las mandíbulas

En el último número de la revista Science aparece un artículo y un comentario sobre una curiosa asociación entre un escarabajo, tres hongos y una bacteria. De hecho, el título de esta entrada es el mismo título del comentario.

Bosque de pinos afectados por el gorgojo descortezador

Ciclo del gorgojo descortezador. El ciclo de vida dura unas 4 a 5 semanas

Cavidades producidas por el gorgojo en el interior del arbol

Hay un buen resumen en español en el siguiente artículo del diario "El Mundo" pero para resumir la historia aún mas, se trata de la descripción de la forma de vida de un escarabajo fitopatógeno que ataca a un tipo de pinos en Norteamérica. Pero en realidad el escarabajo no ataca él solo al pino. Necestia la ayuda de cuatro microorganismos, tres hongos y una bacteria.

Su ciclo de vida es el que sigue: el gorgojo descortezador Dendroctonus frontalis se abre paso a través de la corteza del pino. Cerca de sus mandíbulas hay una estructura llamada micangio y que es parecida a una bolsita. Dentro de esa bolsita podemos encontrar a los cuatro microorganismos antes indicados. Según se va abriendo paso el escarabajo a través de los tejidos de la planta, estos quedan inoculados con los microorganismos. Y cada uno cumple una función cuyo resultado final es la infestación y futura muerte del árbol.

Los hongos Entomocorticum sp. y Ceratocystiopsis ranaculosus invanden los tejidos vasculares de la planta aprovechando los nutrientes que se encuentran en los mismos. Estos hongos cuando crecen serán la principal fuente de alimentación del escarabajo y de sus larvas. Es algo parecido a la asociación simbióntica que uno puede encontrar en las hormigas cortadoras de hojas. Estas hormigas cortan hojas par procudir un medio de cultivo para un hongo que luego es devorado por las hormigas. En este caso, el escarabajo está "cultivando" su propia comida aprovechandose del árbol.

Pero resulta que el árbol intenta defenderse y en el caso de las coníferas la mejor defensa que tienen es producir resina para inundar las cavidades que produce el escarabajo. Y aquí entra en juego el tercer hongo, Ophiostoma minus. Este hongo inhibe dicha secreción resinosa. Pero tiene un "pequeño" inconveniente. O. minus no sólo inhibe la secreción de resina, también impide el crecimiento de los otros dos hongos de los cuales se va a alimentar el escarabajo. El dilema es el siguiente, el hongo que te salva de las defensas de la planta es el que te puede dejar sin alimento. Solución: poner en juego a una bacteria que inhiba el crecimiento de O. minus.

La bacteria pertenece a los actinomicetos y por análisis de sus genes ribosomales está emparentada con Streptomyces thermosacchari. Con ella el escarabajo se asegura de que O. minus solo crezca los justo para evitar la resina, pero no para desplazar a los hongos de los cuales se va alimentar. Y lo hace gracias a que sintetiza un potente antifúngico que inhibe selectivamente a O. minus y no a los otros dos hongos. El nuevo compuesto ha sido bautizado como micangimicina y debido a la escasez de antifúngicos en la farmacopea ha despertado un gran interés.

En resumen. Para acabar con un pino solo hacen falta un escarabajo, tres hongos, una bacteria y un fungicida.

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Microbe Kombat

Soy de la opinión de que la mejor forma de enseñar una cosa es hacerla divertida. Desgraciadamente a veces eso no es tan fácil. Creo que nadie ha encontrado la forma de que el metabolismo bacteriano aparezca en un monólogo del "Club de la comedia".

Pero hay otros conceptos de la Biología que tienen más éxito cuando son adaptados a un aspecto lúdico. Quizás el que más éxito ha tenido es el de la Evolución de las Especies y la competencia entre las mismas. Solo hay que ver lo que ocurrió con el videojuego "Pokemon" para darse cuenta de ello. Unos monstruitos de bolsillo que evolucionan consiguiendo nuevas habilidades y compitiendo con otros monstruitos. Recientemente ha llegado a los mercados el nuevo videojuego "Spore", que parece una versión actualizada del "Simlife". En este tipo de juegos debemos de hacer evolucionar la vida sobre un planeta. Generalmente comenzamos como un ser vivo microscópico que poco a poco va evolucionando y ganando habilidades hasta que llegamos a desarrollar una forma de vida inteligente que comenzará a colonizar otros planetas. No he tenido la ocasión de jugar al "Spore", pero si puedo decir que el "Simlife" era medianamente entretenido.

Pantalla del juego Simlife (1992)

El lado bueno de estos juegos es que nos enseñan de manera dinámica diversos conceptos de la evolución y la ecología, como pueden ser el cambio genético, la competencia por los recursos, el cambio medioambiental que produce cualquier ser vivo por su propia actividad. Recuerdo que en el "Simlife" uno de los principales objetivos era desarrollar la fotosíntesis oxigénica para que así pudiera haber seres pluricelulares. Si no lo conseguías, no había seres pluricelulares y por lo tanto no se desarrollaba la inteligencia.

Evolución de los videojuegos. Video de presentación de Spore (2008)

Sin embargo, estos juegos también tienen un defecto común: hay muy poco sitio para la "contingencia". Estos juegos son el mejor simulador de evolución biológica mediante el "Diseño Inteligente", si tal hipótesis fuera cierta. Porque en "Spore" el jugador es un dios que dirige la evolución de las especies. Y normalmente el objetivo de conseguir la inteligencia es una "necesidad". Algo que se pega de patadas con la Teoría de la Evolución actual en la que el desarrollo de la inteligencia se considera producto del azar. En palabras de Jacques Monod: la Naturaleza no tiene ninguna intención ni ningún objetivo.

Sin embargo de vez en cuando te puedes encontrar juegos que simulan bastante bien lo que debe de "sentir" un ser vivo cuando compite por los recursos. Es el caso de "Microbe Kombat". Aquí no se trata de evolucionar. Se trata de sobrevivir. Y la supervivencia es el primer requisito de la evolución. En el juego, el jugador es un microbio que debe de comer para hacerse más grande y reproducirse. Lo malo es que hay otro microbio que "piensa" lo mismo por lo que debes de competir contra él. Y no sólo por los recursos, también puedes convertirte en su depredador o en su presa. Y para hacer las cosas aun más entretenidas, también hay virus que pueden matar a ambos.

El juego es muy simple y los gráficos muy sencillitos, pero es mucho más difícil de lo que parece a primera vista. No en vano, en la vida real las reglas pueden ser sencillas y el resultado ser muy complicado.

A pasarlo bien.