¿Hacen endosporas las micobacterias?

Robert Koch(1843–1910),
descubridor de Mycobacterium tuberculosis

Recientemente han aparecido un par de interesantes comentarios sobre las micobacterias. Uno en el blog de Miguel Vicente, "Esos pequeños bichitos", dedicado a la co-evolución y dispersión del patógeno Mycobacterium tuberculosis en su relación con la especie humana, y otro en el blog de Moselio Schaeter "Small Things Considered". Este último está escrito por Peter Setlow de la Universidad de Connecticut y trata del reciente descubrimiento de la capacidad de las micobacteias de formar endosporas como otras bacterias Gram positivas. A continuación presento su traducción:


Rara vez ocurre una noticia que amenace con poner patas arriba nuestras creencias más arraigadas. Desde el descubrimiento del bacilo de la tuberculosis por Robert Koch en 1882, las micobacterias ha sido consideradas como bacterias que no forman esporas. Ahora, ha aparecido un estudio que desafía dicho aserto.

Primera página del artículo original de Robert Koch, La etiología de la Tuberculosis publicado en el Berliner Klinische Wochenschrift el 10 de abril de 1882

El género Mycobacterium engloba a una serie de los más importantes patógenos humanos incluyendo a M. tuberculosis. Una de las características principales de la infección por dicho microorganismo es su habilidad de persistir en el hospedador durante largos períodos de tiempo y sin producir ningún síntoma, para luego reaparecer y causar nuevamente la enfermedad. El reciente artículo de Ghosh et al. de la Universidad de Uppsala en Suecia, afirma que algunos miembros del género Mycobacterium son capaces de formar esporas muy parecidas a las que producen las especies del género Bacillus. Estos investigadores han trabajado con M. marinum, una micobacteria de crecimiento relativamente rápido, con tiempos de generación de 4 a 6 horas. Observaron que en cultivos envejecidos aparecían formas que recordaban a las endosporas, no sólo en su morfología, también en su resistencia y en la acumulación de ácido dipicolínico, una molécula característica de las esporas de Bacillus. También han observado estructuras similares en cultivos de M. bovis (el causante de la tuberculosis en el ganado). Al estudiar los genomas de las distintas especies del género Mycobacterium, incluyendo el de M. tuberculosis, han encontrado que todos contienen homólogos de genes importantes para la esporulación en B. subtilis. Algunos de dichos genes son transcritos activamente en los cultivos envejecidos de M marinum.

Microfotografías electrónicas de transmisión mostrando las posibles endosporas de M. marinun. En los paneles de la izquierda se observa la estructura de dichas endosporas. En los paneles de la derecha se muestra la germinación de dichas endosporas cuando son inoculadas en medio fresco. La fotografía de la esquina inferior derecha muestra dos células, la superior conteniendo una pre-espora y la inferior una endospora madura. (Ghosh et al.)

De confirmarse estas observaciones se provocaría una transformación en nuestro conocimiento de la biología de Mycobacterium, particularmente en el aspecto de las causas de la latencia y persistencia de las infecciones micobacterianas. Dado el carácter revolucionario que implicarían estas conclusiones es imperativo que dichas observaciones sean confirmadas y duplicadas. Una posibilidad es que las estructuras observadas puedan ser contaminantes. Las micobacterias tienen tiempos de generación muy grandes y crecen muy lentamente en cultivo. En cambio las especies de Bacillus tienen tiempos de generación muy cortos (30 minutos) por lo que podrían ser un posible contaminante. Los investigadores han realizado una variedad de controles para evitar las contaminaciones, pero el escepticismo en este caso es obligado, ya que es la primera vez que se describe una cosa así. Es de esperar que otros laboratorios trabajen para confirmar dichas observaciones y que las amplíen incluyendo análisis del DNA de las esporas purificadas y examinar si en cultivos de otras especies de Mycobacterium se ven dichas estructuras. Si finalmente se concluye que el género Mycobacterium es capaz de formar endosporas entonces si que estaremos frente a un cambio paradigmático. Será fascinante observar el desarrollo de esta historia, ya sea para confirmar o rebatir esta primera observación.

Actualización: ¿Hacen endosporas las micobacterias? Pues va a ser que no.

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La sal de la vida

Este ha sido el título de la charla del profesor Antonio Ventosa y que cierra el ciclo de conferencias Microorganismos Extremófilos coordinado por la profesora Pepa Antón, de la Universidad de Alicante. Como puede uno imaginarse, la charla estuvo dedicada a los microorganismos halófilos.

Lago Owens en California. El color rojo es debido a los pigmentos que poseen los microorganismos halófilos.

Los microorganismos halófilos fueron los primeros extremófilos en ser aislados y estudiados por el ser humano. La razón es sencilla. Eran los microorganismos responsables de echar a perder las conservas en salazón, así que no es de extrañar que los microbiólogos se preguntaran qué tipo de ser vivo era capaz de crecer en unas condiciones en las que ningún otro ser vivo podía hacerlo. Uno de los primeros fue Salinivibrio costicola, llamado así porque era un vibrio aislado de unas costillas de cerdo conservadas en salmuera.

Haloquadra walsbyi. Esta arquea de morfología cuadrada suele ser la forma viva más abundante de los ecosistemas salinos. Los puntos brillantes en su interior son vesículas de gas.

Pero evidentemente más de uno pensó que si había microorganismos creciendo en ambientes artificiales con tan alta concentración de sal, también deberían encontrarse en medio ambientes naturales. Y eso es lo que hizo el microbiólogo de origen judío Benjamin Elazari Volcani. Se fue al ecosistema hipersalino más famoso del mundo: el Mar Muerto. Cogió unas cuantas muestras y las miró al microscopio. Lo que encontró es que las aguas estaban llenas de microorganismos de todo tipo. Sus resultados fueron publicados en la revista Nature en el año 1936 con el sugerente título: Life in the Dead Sea. En el año 1940 leyó su tesis doctoral: Studies on the microflora of the Dead Sea. Fue la primera tesis leída y escrita en hebreo. Volcani guardó muestras de su tesis en una botella que se llevó consigo a la Scripss Institution of Oceanography en La Jolla, California. 50 años después, dicha muestra de agua fue vuelta a examinar por Antonio Ventosa y David Ruiz Arahal. Aún había organismos viables en la misma y David pudo completar su tesis doctoral que tituló: La microbiota del Mar muerto, 50 años después.

Detalle del mosaico de Madaba. En este mosaico se representa a Jerusalén y sus alrededores, entre ellos el río Jordán y el Mar Muerto. Puede observarse que hay dos barcas recolectando sal. La que está a la izquierda (el norte) recoge sal blanca, mientras que la que está a la izquierda (el sur), recoge sal de color rojizo debido a la presencia de microorganismos halófilos.

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Some like it hot

El título de la famosa comedia dirigida por Billy Wilder es la mejor descripción de los microorganismos hipertermófilos, tema que fue tratado por el profesor José Berenguer en su charla "Vivir en ebullición y no quemarse" dentro del ciclo de conferencias Microorganismos Extremófilos coordinado por la profesora Pepa Antón, de la Universidad de Alicante.

Los microorganismos hipertermófilos son aquellos que tienen una temperatura óptima de crecimiento superior a 80ºC. Para conseguir vivir a dichas temperaturas presentan una serie de adaptaciones: sus membranas son una monocapa y no una bicapa con lo que evitan que el calor las funda, tienen una serie de proteínas que se unen a su DNA para evitar que se desnaturalice, etc. El precio que tienen que pagar es que estos microbios son incapaces de crecer por debajo de los 70ºC, algunos incluso no pueden crecer si la temperatura baja de 95ºC.

Fuente hidrotermal en Yellowstone, lugar donde fueron aislados los primeros organismos hipertermófilos por T. Brock

Como ya vimos en una entrada anterior del blog, en Biología los hipertermófilos tienen su importancia porque son las formas vivas más cercanas a la base del árbol de la vida. Eso hace suponer que la primera forma de vida que surgió en este planeta lo hizo en un ambiente bastante calentito. Pero los hipertermófilos también tienen un interés aplicado. Sus enzimas son estables a dichas temperaturas tan elevadas por lo que pueden ser usadas para procesos industriales. Algunas son tan famosas como la Taq polimerasa, gracias a la cual existe la técnica de la PCR.

Microfotografía electrónica de Thermus thermophilus

Pero es que además, estos microbios pueden ser usados para "termoestabilizar" otras proteínas provenientes de otros seres vivos. En el caso de la bacteria Thermus thermophilus se han desarrollado vectores en los cuales pueden clonarse y posteriormente expresarse genes foráneos. Posteriormente, mediante un proceso de mutagénesis se pueden seleccionar variantes "termoestabilizadas" de las proteínas clonadas. La "termoestabilización" tiene una ventaja, las proteínas son más resistentes a la acción de proteasas. Eso es lo que han realizado Berenguer y su grupo con los interferones. ¿Y para que lo han hecho? Los interferones tienen un gran interés terapéutico como antitumorales y antivirales. Pero estas proteínas son rápidamente destruidas por nuestro organismo por lo que hay que inyectar dosis elevadas y con frecuencia para que hagan efecto. Al conseguir "termoestabilizarlas" su vida media es mucho mayor, por lo que las dosis que pueden usarse son mucho menores, evitando unos cuantos efectos secundarios.

Alvinella pompejana (Aquí puede verse una animación en 3D y un video)

Volviendo a los hipertermófilos. Por ahora todos son organismos procariotas, no hay ningún eucariota que sobrepase los 70º C como temperatura óptima de crecimiento. Hay un gusano poliqueto llamado Alvinella pompejana que vive en las fuentes hidrotermales submarinas. Este gusano puede aguantar temperaturas de 80º C en su cola, mientras que su cabeza se encuentra a temperaturas de 20ºC. La razón de que necesite esas temperaturas se encuentra en el hecho de que este gusano mantiene una simbiosis mutualista con unas bacterias quimiolitotrofas que son capaces de utilizar los compuestos inorgánicos reducidos expulsados por la fuente hidrotermal para crecer. El exceso de crecimiento poblacional de estas bacterias le sirve como alimento al gusano.

Pyrolobus fumarii

El record de temperatura lo ostenta la archaea Pyrolobus fumarii con 113ºC, siendo su óptimo de crecimiento a los 106ºC. Este microorganismo de aspecto globoso puede aguantar una hora de autoclave (120ºC a 1,2 atmósferas de sobrepresión). Vive en las cercanías de fuentes hidrotermales submarinas llamadas "chimeneas negras" (black smokers) y de ahí viene su nombre: Glóbulo de fuego de la chimenea.

La casa de Pyrolobus fumarii

¿Cúal es el límite de temperatura para la vida? Pues esta pregunta se la hicieron en los años sesenta y se propuso que debía de ser los 73ºC. La explicación que se dió es que a esa temperatura los ácidos nucleicos se desnaturalizaban y por lo tanto no podrían replicarse. Está claro que la predicción fue equivocada. Actualmente se supone que el límite está en los 130ºC. A esa temperatura el ATP y el NAD son destruidos por hidrólisis térmica a un ritmo más rápido que su síntesis celular, por lo que un microorganismo no podría mantener su metabolismo activo. Eso quiere decir que aún quedan 17º de margen para los hipertermófilos.

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¿Están los marcianos en Huelva?

No, no se ha confundido de blog. No está en un blog sobre avistamientos ovnis y fenómenos paranormales. El título hace referencia a la charla que dio ayer Ricardo Amils titulada "Río Tinto, Marte en la Tierra" dentro del ciclo de conferencias Microorganismos Extremófilos coordinado por la profesora Pepa Antón, de la Universidad de Alicante.

Ricardo Amils haciendo mediciones en el Río Tinto

El Río Tinto está situado en la provincia de Huelva. Su nombre viene dado por el color rojo intenso de sus aguas. El pH del río es de 2.2 lo que permite que el ión férrico se encuentre en disolución y el agua tenga ese color rojo. Un pH tan bajo indica que la comunidad microbiana está compuesta de acidófilos extremos. Pero en dicho ambiente no sólo hay bacterias y arqueas, también hay representantes eucariotas. Una gran parte de los miembros de dicha comunidad son microorganismos quimiolitotrofos que consiguen energía gracias a que son capaces de oxidar las piritas donde se asienta el río. Al hacerlo producen ácido sulfúrico (de ahí el pH tan ácido) e iones férricos.

Esquema explicativo del funcionamiento del ecosistema microbiano de Río Tinto.

Fuente: Riotinto, un universo de mundos microbianos, de A.I. López-Archilla.

Debido a sus condiciones tan extremas y a su composición mineralógica, Río Tinto está considerado como el mejor análogo geoquímico terrestre del planeta Marte. Sin embargo hay unas cuantas diferencias que deben de ser tomadas en cuenta. Una de las más importantes es que en Río Tinto hay agua líquida en abundancia y en la superficie de Marte no. Pero el subsuelo de Río Tinto no tiene tanta abundancia de agua. Por eso se ha empezado a estudiar las comunidades microbianas del interior. Es decir, se espera que el conocimiento de los intraterrestres de Rio Tinto nos de pistas sobre como pueden vivir los intramarcianos. Es lo que se conoce como el proyecto MARTE (Mars Analog Research and Technology Experiment), desarrollado conjuntamente entre la NASA y el Centro Nacional de Astrobiología.

Una de las hipótesis con la que se trabaja es la siguiente. El metabolismo de los microorganismos de Rio Tinto transforma a los minerales piríticos, formándose nuevos minerales. Si se encuentran minerales semejantes en Marte es posible que puedan tener un origen biológico. Y eso es lo que encontraron los robots exploradores Spirit y Opportunity en una de las misiones de la NASA al planeta Marte.

Representación artística de los robots exploradores

El Opportunity amartizó en la planicie Meridiani Planum en enero de 2004. Se pensó que iba a funcionar tan sólo durante 3 meses. Aún sigue funcionando. Y en estos 5 años ha hecho una gran serie de descubrimientos geológicos, entre ellos el encontrar un mineral de hierro conocido como jarosita. Este mineral se forma en presencia de agua líquida, luego su existencia parece indicar que en Marte hubo agua. Pero no solo eso. La jarosita es muy abundante en Rio Tinto. Otro mineral que se encontró fue la hematita en un tipo de formaciones globulares conocidas como blueberries (arándanos) y que también se forman en condiciones con gran cantidad de agua. La Spirit, que amartizó en la otra punta del planeta, también ha realizado otros hallazgos entre ellos el encontrar unos depósitos similares a las originados en una fuente hidrotermal. Y en la Tierra dichas fuentes también suelen tener presencia microbiana. Otros hallazgos de estas sondas ha sido confirmar la presencia de nubes de vapor de agua en la atmósfera marciana.

El siguiente paso es intentar mandar un nuevo robot explorador a Marte, pero en este caso el robot debe de ser perforador y no explorador. Con dicha misión se intentaría encontrar si hay agua líquida en el subsuelo marciano, y al mismo tiempo comprobar si hay comunidades microbianas homólogas a las de Río Tinto. Eso implica disponer de una tecnología y de una instrumentación, no sólo para perforar de manera aséptica, sino para tomar muestras y luego analizarlas in situ. Por ello lo que se está realizando actualmente es una simulación de la misión en las tierras onubenses. La previsión más optimista es que la misión será lanzada en el 2016.

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¿Es el ser humano más inteligente que un microbio?

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La verdad es que viendo a algunos políticos que nos gobiernan uno diría que no. Y si uno se lee un reciente artículo que publica la revista New Scientist, entonces sus sospechas se confirman.

Hay comportamientos desarrollados por algunas especies de microorganismos que parecen "inteligentes". Y eso parece imposible porque los microorganismos no tienen sistemas nerviosos y mucho menos un cerebro. Así que ¿cómo lo hacen? La explicación parece encontrarse nuevamente en los grandes números. Los microorganismos son muy pequeños pero hay muchos. Denys Bray lo ha definido como el Wetware, o que cada célula sería un minúsculo ordenador que recibe información del ambiente (input) y lo procesa de forma que produce un comportamiento como respuesta (output). Las unidades de procesamiento de este minúsculo ordenador serían las proteínas que realizarían operaciones lógicas a la manera de las que realiza un ordenador electrónico. Los inputs ambientales causarían cambios conformacionales, o agregaciones o modificaciones químicas en las proteínas receptoras y estas a su vez transmitirían esos cambios a las proteínas efectoras que harían que la célula se mueva, contraiga o cambie de forma. Eso es bastante sencillo de hacer para una célula, pero cuando hay millones de ellas suceden cosas bastante llamativas. Aquí van unos cuantos ejemplos:

Colonia de Bacillus subtilis

Comunicación

Las bacterias hablan unas con otras gracias a compuestos químicos. En el caso de Bacillus subtilis, si una gran número de bacterias de dicha especie se encuentra en un lugar con poca comida se comienza a liberar una sustancia que viene a decirles a sus congéneres - Hay poca comida, o nos vamos o nos moriremos de hambre. Así que muchas de ellas comienzan a desplazarse hacia otros lugares para buscar comida, o a esporular, con lo que ya no consumen la poca comida que queda. Eso provoca que la morfología de la colonia cambie.

Toma de decisiones

La percepción de quórum (en inglés quorum sensing) es también un producto de la comunicación química entre bacterias. Pero en este caso le sirve a una bacteria para saber cuántas hay de su propia especie a su alrededor. En el caso de la bacteria Vibrio fischeri, cada individuo libera una pequeña cantidad de N-acilhomoserina lactona (AHL) al medio. La AHL es detectada por otras V. fischeri gracias a unos receptores en su membrana externa. Si hay pocas bacterias, la concentración de AHL es baja y los receptores estimulados son pocos. Si hay muchas bacterias habrá una concentración elevada de AHL. Cuando se alcanza una concentración crítica los receptores estimulados en cada bacteria son muchos y estos activan a LuxR, un factor transcripcional que promueva la síntesis de proteínas para producir bioluminiscencia. Resumiendo, si hay pocas están a oscuras, si hay muchas comienzan a brillar.

Construyendo micro-ciudades

En el blog se ha hablado varias veces de la formación de biofilms. Algunos son simples capas formadas por el amontonamiento y cementación de un sólo tipo de microorganismo. Pero otros llegan a ser complejas comunidades microbianas en las que conviven diferentes especies que cooperan para explotar eficientemente los recursos de su medio ambiente y consiguiendo de paso un refugio que le proteja de amenazas externas.

Cambiar para sobrevivir

Una observación bastante peculiar fue el encontrar que las poblaciones de microorganismos pueden acelerar la velocidad de mutación de sus genes en condiciones de estrés. La estrategia es muy arriesgada y puede definirse como una solución de último recurso. Muchas de las nuevas mutaciones que aparecen son perjudiciales y el microorganismo que las porta desaparece. Pero si por azar aparece una nueva habilidad que permite a un microorganismo sobrevivir, ese microorganismo afortunado será el fundador de una nueva población de microorganismos en dichas condiciones. Hay que recalcar que esto no es una "mutación dirigida". Más bien es que cada miembro de la población compra un número de la lotería de la mutación, y sólo el que gana sobrevive.

Orientación

Muchos microorganismos presenta fototropismo, sobre todo los fotosíntéticos. Y todos ellos presentan quimiotaxis, es decir, si hay un compuesto químico que les gusta como un azúcar, los microorganismos se mueven hacia ese compuesto. Si les disgusta, se alejan lo más rápidamente posible. Hay también micoorganismos que son capaces de sentir el campo magnético terrestre para saber dónde está "arriba" y dónde está "abajo", algo realmente útil cuando tu masa es tan pequeña que el campo gravitatorio terrestre casi no te afecta. Incluso hay hongos mucosos que son capaces de orientarse en un laberinto.

Aprender y memorizar

Un reciente artículo de la revista Nature describe un nuevo ejemplo de como Escherichia coli puede predecir cambios medioambientales y adaptarse a ellos. Esta bacteria tiene su hábitat en el intestino humano. Allí vive calentita y con un suministro de comida diario, lo que le permite reproducirse sin muchos problemas. Bueno, pues generalmente cuando los seres humanos comemos nos gusta que nuestra alimentación sea variada. Así que E. coli se ha adaptado a esa diversidad. Y una cosa que ha aprendido es que cuando hay lactosa en el medio también suele haber maltosa. Cuando E. coli se encuentra con una molécula de lactosa no sólo activa la maquinaria bioquímica para catabolizarla. Para ahorrar tiempo también activa la maquinaria bioquímica de catabolismo de la maltosa.

Un grupo de investigadores de las universidades de Tel-Aviv y de Harvard se les ocurrió ver que pasaba cuando a esas E. coli sólo se les ponía lactosa para comer. Ya vimos en una entrada del blog un ejemplo de condicionamiento con poblaciones de E. coli. En este caso lo que se trataba de encontrar era si las poblaciones que estaban condicionadas por el medio ambiente eran capaces de adaptarse a la nueva situación. Y de hecho después de un tiempo alimentándolas solo con lactosa, dejaban de pre-activar los genes para digerir la maltosa.

Resumiendo, los microorganismos son capaces de comunicarse entre sí, saben construir cosas, no se pierden, resuelven problemas, son capaces de cambiar si las circunstancias cambian y además aprenden. Ciertamente son mucho mejores que los políticos.

Audio en "El podcast del microbio"

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