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lunes, 30 de enero de 2012

La Compañía de Transporte Paenibacillus

Enlightenment, una obra de arte realizada con una colonia bacteriana de Paenibacillus creciendo en agar. Fuente de la imagen: Esher Ben-Jacob online art gallery.


Como en ocasiones anteriores, volvemos a traer del blog Small Things Considered la traducción de una estupenda entrada escrita por Moselio Schaechter.

Los microbios se mueven. Pueden ser transportados por el viento, los insectos, o por las corrientes de agua, a veces a través de grandes distancias, a veces de un grano de tierra al siguiente. Algunas bacterias contribuyen a su dispersión por su propia movilidad o, podemos pensar que en raras ocasiones, por la movilidad de otros microbios. Es difícil generalizar, porque hay demasiadas variables, demasiadas condiciones en las cuales los microbios están en movimiento. Sin embargo, este tema puede ser pura diversión. Por lo que fue un placer leer un delicioso relato de cómo las bacterias pueden transportar esporas de un hongo en beneficio de ambos.

Microfotografía de un ejemplar de la especie Paenibacillus polymyxa Fuente de la imagen: He et al..


Pero primero un poco de historia, tanto microbiana como personal. Algunas bacterias, cuando se las coloca sobre una superficie de agar, no se quedan quietas, sino que se desplazan desde el punto de inoculación. Algunas como Bacillus mycoides , simplemente lo hacen extendiendo sus largos filamentos, pero otras lo hacen moviéndose sobre la superficie del agar. Hay varias formas de desplazarse, ya sea con flagelos (un proceso llamado enjambrazón, "swarming") o sin ellos (por ejemplo, por deslizamiento "gliding" o por espasmos "twitching" ). El enjambrazón, ya sea en bacterias Gram-positivas como en determinadas especies de Bacillus, o en bacterias Gram-negativas como Proteus, es una actividad comunal. Las células individuales no pueden enjambrar, los agregados de varias células si lo hacen. Al microscopio, los enjambres son balsas de bacterias dispuestas lado con lado, moviéndose a lo largo de un camino que a veces sigue un recorrido regular, y a veces no. (Para descargar una película de una "balsa" de celulas en enjambre, haga clic aquí). La velocidad de movimiento a lo largo de la superficie del agar es bastante impresionante, sobre unas 180 µm / min ó 10 mm / h. Esto significa que si colocamos una bacteria en el centro de una placa de Petri de 14 cm, alcanzará el borde en unas siete horas. Cuando un enjambre ha cubierto una distancia determinada, o bien las células dejan de moverse como en el caso de Proteus, o bien forman unas colonias en forma de disco que tienen la extraña habilidad de rotar. (Para descargar una película de una "colonia" de células enjambradas, haga clic aquí). La velocidad a la rotan es también bastante rápida, una revolución cada 10 segundos. Hacia el final de mi carrera, pero cuando todavía tenía un laboratorio, mi colaboradora Dana Boyd y yo jugamos un poco con estos organismos. Esa fue la última vez que trabajé en la poyata, por lo que siento bastante aprecio por este tema.

Una típica pauta colonial generada por P. vortex cuando crece en agar al 2,25% (p/v) con peptona al 2% (p/v) en una placa Petri. (A) Vista general de la colonia. Cada vórtice (un grupo condensado de bacterias, los puntos brillantes) esta compuesto de muchas células que enjambran colectivamente alrededor de su centro común a una velocidad de 10 μm/s. (B) Un vórtice individual. El diámetro del vórtice es de 75 μm. Fuente de la imagen: Ingham and Jacob.


Observar las bacterias que enjambran es un juego al que cualquiera puede jugar. Si se tiene acceso a una placa de Petri con agar en ella, coja unos cuantos granos de cualquier suelo y colóquelos en el centro. A las seis horas más o menos, verá que entre las muchas colonias pequeñas de la superficie habrá alguna que se aleja del lugar de inóculo. Lo que verá son unos senderos con "colonias" al final. Lo más probable es que esté viendo a Paenibacillus, el organismo que voy a presentar aquí.

Las muchas especies del género Paenibacillus antes eran parte del género Bacillus (de hecho su nombre actual significa “casi Bacillus”). Este género es uno de los campeones de la formación de enjambres que ha desconcertado a los microbiólogos durante más de 100 años. Y la pregunta que uno se hace es ¿por qué enjambran? Hmm, lo más obvio e intuitivo es que deben hacerlo para buscar comida. No tan rápido. Los enjambres no muestran quimiotaxis o cualquier otra preferencia por buscar nutrientes necesarios, como otras bacterias hacen. Observamos que nuestras cepas podían enjambrar en agar conteniendo solamente tampón fosfato y nada más. Por si no fuera bastante, añadimos cloranfenicol, antibiótico al que estos bichos son sensibles, y vimos que sus viajes no se veían afectados. En ningún momento observamos que los enjambres se movieran de manera preferente hacia un lugar en la placa en la que habíamos puesto una variedad de nutrientes.

En nuestros esfuerzos por averiguar por qué ocurría todo esto, confirmamos algo que ya se conocía, a saber, que las bacterias enjambradas podían transportar otras bacterias, como por ejemplo cocos. Para comprobarlo utilizamos partículas de látex de 1 micra de diámetro y, adivínenlo, las partículas fueron extendidas por los alrededores de la placa. Esas partículas parecían ser empujadas, como si estuviera en la cabecera de una balsa o atrapadas dentro de ella. En ese momento empezamos a pensar que el enjambrazón podría ser utilizado para la interacción con otros organismos, posiblemente para transportar especies que podrían proporcionar comida al enjambre en ciertos ambientes empobrecidos. Nunca lo llegamos a demostrar, a pesar de ser verosímil, tanto hoy en día como entonces.

Sin embargo, para mi satisfacción, otros han tenido mirada más larga y productiva. En particular, el microbiólogo Colin Ingham se asoció con el físico Esher Ben-Jacob y sus colegas Oren Kalisman y Finkelstein Alin para sondear a estas bacterias. No sólo eso, se lo están pasando en grande con los patrones que estas bacterias forman en el agar como lo demuestra la obtención de una galería de sensacionales imágenes. En un reciente artículo, los investigadores demostraron que estas bacterias son capaces de mover las esporas del hongo Aspergillus fumigatus. Este hongo es un organismo común del suelo conocido por causar infecciones en pacientes inmunocomprometidos. Las esporas del hongo no son móviles, por lo tanto dependen de las corrientes de agua o aire para su dispersión. Resulta que si se mezclan estas esporas con células de una especie de Paenibacillus llamado P. vortex las esporas se mueven a lo largo de una distancia, en la misma proporción que las bacterias. Después de una adecuada incubación, las colonias de hongos aparecen por todo la placa Imaginen las implicaciones prácticas de estos hallazgos.

Estos balseros microscópicos pueden transportar una carga bastante grande. No tiene porque ser esporas individuales, sino también los agregados de esporas de hasta 25 micras de ancho (cada espora tiene aproximadamente 3 micras de longitud). Esto recuerda a las hormigas que puede llevar hasta un centenar de veces su peso corporal. Pero es incluso mejor. Estas bacterias pueden impulsar a las esporas del hongo a través de un área de agar que haya sido impregnada con un antifúngico, es como ayudarlas a atravesar un auténtico campo minado.

Los bateleros del Volga de Ilya Repin. Fuente: Wikipedia


En la búsqueda de los mecanismos implicados, los autores encontraron que no todas las esporas de los hongos pueden ser tan transportadas. Las esporas de algunas especies de hongos, parientes cercanos de A. fumigatus, no juegan el juego y se quedan depositadas en el agar. Además, las esporas germinadas tampoco se transportan de manera eficiente. Bajo el microscopio electrónico, se observa que las esporas están rodeadas por los flagelos bacterianos. Y si se añaden flagelos purificados, se inhibe su transporte. Este resultado sugiere la presencia de receptores para los flagelos en la superficie de ciertas esporas y no en otras. Entonces, ¿es que hay dos mecanismos diferentes involucrados, uno para partículas no específicas como las bolas de látex, y otro específico para ciertas cargas? ¿Tiene esto algo que ver con el tamaño del objeto a mover, siendo los de mayor tamaño los que requieren un reconocimiento químico por la bacteria?

Es fácil ver el beneficio para el hongo. Es trasladado, por lo que es dispersado a nuevos lugares. Pero, ¿cuál es el de las bacterias? Los investigadores hicieron un experimento sencillo pero inteligente: realizaron un corte en el agar de medio milímetro de ancho. Las bacterias no podían cruzar por sí solas esa brecha, pero los hongos no tenían ningún problema en superarla con sus hifas. Y cuando las bacterias y hongos están presentes a la vez, ¿adivinen qué? En el otro lado de la brecha se encuentran bacterias que habían hecho un acto de funambulismo usando la hifa del hongo como una cuerda floja. En otros sistemas, y en cierto modo eso era de esperar, han observado que las bacterias hacen biofilms en la superficie de las hifas.

Bacterias cruzando un cañón en una placa de Petri gracias a un puente natural formado por el micelio de un hongo (foto superior, cortesía de Colin Ingham), de forma muy parecida a los animales que cruzan por un puente artificial un cañón en Nepal (foto inferior, cortesía de Aya Ben-yakov). Fuente: Riding with Bacteria


No sólo estas bacterias se mueven en agar a buen ritmo, sino que lo hacen incluso en condiciones de hambruna. Como ya mencioné, en mi laboratorio habíamos visto enjambres que se movían a velocidades normales en agar que contenía unicamente tampón fosfato. Sin ningún nutriente añadido. Parece que se quieren mover a toda costa, consumiendo sus preciosas reservas metabólicas en el proceso. La enjambrazón es su principal prioridad fisiológica. Así que uno pensaría que se trata de una propiedad que ha sido seleccionada de manera preferente por la evolución. Sea cual sea su propósito, puede que descartáramos prematuramente que algún tipo de quimiotaxis estuviera involucrada. En el material complementario del artículo de Ben-Jacob (Ver película del archivo adicional 5), hay una indicación de que los enjambres de las bacterias se mueven hacia el material extracelular depositado en los senderos, aunque esto puede no ser debido a razones nutricionales.

Ahora, una última palabra sobre Paenibacillus y su genoma. Resulta que es un bicho muy inteligente, de hecho, podría decirse brillante en un aspecto. Ben-Jacob contó el número de genes potencialmente implicados en las conductas sociales de los genomas de diversas especies bacterianas. Y propuso un escala de coeficiente inteligencia social bacteriana (IQ Social), que él describe como: “una puntuación cuantitativa… para evaluar el potencial del genoma de la bacteria para llevar a cabo con éxito comportamientos cooperativos y adaptables (o comportamientos sociales) en medios ambientes complejos y adversos ... La puntuación está basada en el número de genes que permiten a las bacterias poseer habilidades para comunicar y procesar información medioambiental (sistema de dos componentes y genes de factores de transcripción), para tomar decisiones y para sintetizar agentes ofensivos (tóxicos) y defensivos (neutralizantes), según sea necesario durante la guerra química con otros microorganismos”. Y el remate de la historia: “De entre todas las bacterias secuenciadas, tres especies destacan con puntuaciones de IQ-Social significativamente altas,-más de tres desviaciones estándar por encima de la media-, lo que indica una capacidad de habilidades sociales excepcionalmente brillante. Cabe destacar que todas estas especies pertenecen al mismo género bacteriano: Paenibacillus ....”

Distribución de los IQ Sociales relativos de 502 especies bacterianas. El verde indica las cepas bacterianas que pertenecen al género Paenibacillus. Fuente: Wikipedia


Esta entrada participa en el IX carnaval de la Biología organizado por Carlos Lobato en el blog La Ciencia de la Vida.

ResearchBlogging.org

Ingham CJ, Kalisman O, Finkelshtein A, & Ben-Jacob E (2011). Mutually facilitated dispersal between the nonmotile fungus Aspergillus fumigatus and the swarming bacterium Paenibacillus vortex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 108 (49), 19731-6 PMID: 22106274

2 comentarios:

Raven dijo...

¡¡ Una entrada genial !!

Brutales los vídeos, y la interacción con el hongo. La verdad es que siempre me ha sorprendido mucho como algunas colonias "desbordan" por el "swarming".

Lo dicho, me ha encantado :)

Anni Walt dijo...

excelente material de lectura!