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martes, 10 de julio de 2012

El "brillo del angel" y la bacteria "Hulk"



En el año 1862 tuvo lugar una de los enfrentamientos más sangrientos de la Guerra Civil Americana: la batalla de Shiloh. Durante dos días los ejércitos del Norte y del Sur lucharon entre los bosques del Condado de Hardin en Tenesse. Al terminar, el general Grant había ganado pero sobre el terreno quedaron unos 16.000 heridos de ambos bandos. Ningún servicio médico de la época y del lugar estaba preparado para atender a tantas personas, así que muchos de ellos simplemente se les realizó un simple cura y se les dejó en las cercanías de los hospitales de campaña esperando ser atendidos.

Durante la noche llovió sobre el campo de batalla, añadiendo más miseria a los heridos yacentes. Pero en la oscuridad notaron algo muy curioso, en algunos de ellos las heridas mostraban un pálido brillo azul. Al día siguiente, aquellos cuyas heridas habían brillado durante la noche mostraron una mejor tasa de supervivencia y una curación más rápida de sus heridas que aquellos en los cuales las heridas no habían brillado. A dicha luz protectora se la denominó "brillo del ángel". (Angel's glow)

"Angel's glow" Origen de la imagen: Coach D's American History.


La historia podría haber quedado muy bien para un programa sobre leyendas de lo paranormal y otras zarandajas. Pero en el año 2001 un estudiante de 17 años llamado Bill Martin visitó el campo de batalla de Shiloh con su familia y propuso una explicación. Cuando escuchó la historia del "brillo del ángel" se volvió y le preguntó a su madre, Phyllis Martin, una microbióloga del Departamento de Agricultura: "Oye mamá, no podría ser debido a una bacteria bioluminiscente como las que tú estudias".

Una larva de insecto reventada por la acción del gusano Heterorhabditis bacteriophora. Las formas blancas filiformes son los nematodos liberados del interior. Origen de la imagen: Not rocket science.


En realidad Phyllis Martin estudiaba dos seres vivos que se utilizan en el control de plagas. Uno era el nematodo Heterorhabditis bacteriophora. Este gusano tiene un ciclo biológico con seis etapas, a saber: huevo, cuatro estados juveniles y adulto. Pues bien, el tercer estadio juvenil es capaz de infectar insectos, sean estos larvas o imagos. Una vez dentro, el gusano llega al estado adulto, se reproduce sexualmente, pone los huevos, eclosionan, se desarrollan en el interior del insecto y cuando llegan al tercer estadio juvenil, salen del hospedador a buscar nuevas victimas.

Ciclo biológico del gusano Heterorhabditis bacteriophora. Ver el texto para más detalles. Origen de la imagen: Hallem et al..


H. bacteriophora parece otro parásito interno más ¿no? Pero no es así. Fijémonos en su apellido, significa "el portador de bacterias". Y se llama así porque cuando este gusano invade al insecto lo primero que hace es vomitar a la bacteria Photorhabdus luminescens, el segundo ser vivo objeto de estudio por parte de Phyllis Martin. ¿Para qué vomita el gusano a una bacteria?.

P. luminiscens es una gamma-proteobacteria que vive como simbionte en el intestino del gusano. No se encuentra en grandes números y si se la aísla y se inocula en un medio de cultivo apropiado la bacteria crece muy despacio formando pequeñas colonias. Pero cuando la bacteria es liberada en el interior del insecto sufre una auténtica transformación. Es como si Bruce Banner se transformara en Hulk. La bacteria comienza a crecer a gran velocidad y produce un par de toxinas, denominadas Tc y Mcf, que en poco tiempo acaba con el insecto. Después, genera enzimas que degradan las células del insecto liberando nutrientes y formando unos cuerpos de inclusión (llamados Cips) llenos de aminoácidos que pueden ser aprovechados por los nemátodos para su desarrollo. Por si fuera poco, también genera antibióticos que acaban con otras bacterias que puedan estar presentes evitando así la competencia por los recursos. Finalmente, la bacteria se deja comer por las "madres" de la siguiente generación del gusano H. bacteriophora y así es transmitido a la descendencia volviendo a establecerse como un tranquilo simbionte intestinal.

Origen de la imagen: marvel.


Comparación entre las formas P y M de la bacteria P. luminiscens. En A se muestra el diferente tamaño de las colonias. Nótese que en la colonia de forma M ha aparecido un sector con formas P (ver más adelante la explicación). En las microfotografías B y C puede verse la diferencia de tamaño de las formas P comparado con las formas M. En el interior de las formas P pueden verse la acumulación de Cips. En D se muestra la notable diferencia de volumen entre las formas P y M. Origen de la imagen: Somvanshi et al.


P. luminiscens y H. bacteriophora se necesitan el uno al otro. Es una simbiosis mutualista obligada. La bacteria sólo puede sobrevivir en el intestino del gusano o en los tejidos de los insectos infectados. Si la bacteria es ingerida por un insecto no es capaz de hacer nada. En el otro lado, H. bacteriophora sólo puede alimentarse, desarrollarse y reproducirse a partir de los nutrientes contenidos en los Cips y formados por la acción de la bacteria sobre los tejidos del insecto.

Pero aquí no acaba la historia. Seguramente el lector se habrá fijado en el apellido de la bacteria. Sí, efectivamente, P. luminiscens emite luz, y es que así el cadáver del insecto brilla en la oscuridad, y eso atrae a nuevos insectos que pueden convertirse en nuevas victimas de H. bacteriophora. No solo eso, también genera una pigmentación roja muy aparente. ¿Y para qué lo hace? En la Naturaleza, la presencia de pigmentación brillante en los insectos puede tener dos significados. Uno es el aviso: "¡Ojo! ¡Soy venenoso! ¡No me comas!" - el otro es el camuflaje: "A lo mejor soy venenoso, mejor no me comas". En el caso de los insectos infestados con P. luminiscens y H. bacteriophora es un camuflaje, ya que si el insecto que parasitan fuera ingerido por un pájaro u otro animal, ni la bacteria ni los gusanos sobrevivirían al transito intestinal.

En A pueden verse los cadáveres luminiscentes de larvas del insecto Galleria mellonella atacadas por P. luminiscens cuando crece como forma P. En B se muestra a la forma M de P. luminiscens interaccionando con el tubo digestivo del nematodo H. bacteriophora. El brillo verde es debido a que la bacteria ha sido modificada genéticamente para expresar la proteína GFP. Origen de la imagen: Microbewiki.


Está claro que la bacteria P. luminiscens tiene una historia interesante que contar. Cuando P. luminiscens está en el interior del tubo digestivo del gusano H. bacteriophora su morfología y fisiología es muy peculiar, por lo que se le denomina forma M por "Mutualista". En ese estado la bacteria genera unas fimbrias que le permiten interaccionar con las células del epitelio intestinal del gusano. Sin embargo, en cuanto la bacteria entra en el hemocele del insecto, sufre la transformación y se le denomina forma P, por "Patógena". Es en dicha forma cuando la bacteria puede crecer rápidamente y generar antibióticos, toxinas, Cips, etc. ¿Cuál es el mecanismo por el que la pacífica forma M se convierte en un super aniquilador de insectos? Eso es lo que se ha descrito recientemente en un artículo publicado en la revista Science. Todo depende de una simple inversión de un promotor denominado madswitch (traducción: switch significa "interruptor" y mad son las siglas de maternal adhesion pero curiosamente otra traducción podría ser: "interruptor de la locura").

Modelo sobre la transformación de P. luminiscens de la forma P capaz de aniquilar a un insecto(izquierda) a la forma M como simbionte de Heterorhabditis bacteriophora (derecha). Origen de la imagen: Somvanshi et al.


Cuando el promotor apunta en una dirección se pueden expresar los genes que codifican para la producción de las fimbrias que permitirán establecer la simbiosis con las células del epitelio intestinal del gusano. Es decir, la bacteria se encontrará en la forma M. Pero si se cambia la dirección de dicho promotor, entonces se apaga la expresión de esos genes para generar fimbrias y la bacteria se transforma en la forma P. Lo que se ha encontrado es que dicha inversión sucede al azar, lo que permite que siempre haya formas M y formas P simultáneamente. Son las condiciones ambientales las que seleccionan a unas o a otras. Una forma P en el intestino de un nematodo simplemente no puede adherirse y al final acaba siendo expulsada. Una forma M en el interior de un insecto no puede crecer y es eliminada.

Mapa físico del locus mad, en el que se encuentran los genes para la expresión de fimbrias para la adhesión al intestino del nematodo (en azul). El gen madR (en rojo) codifica para una recombinasa específica de sitio que invierte la secuencia promotora, apagando el sistema y promoviendo la transformación a forma P. Origen de la imagen: Somvanshi et al.


¿Fue P. luminiscens o alguna bacteria relacionada la responsable del "brillo del angel"? Los antibióticos producidos por la bacteria podrían explicar el porqué de la mejora de los soldados heridos. Y ese fue el proyecto de ciencias que Bill Martin y su compañero John Curtis desarrollaron y que les hizo ganar un premio. Encontraron que tanto el gusano como la bacteria eran muy frecuentes en los suelos del campo de batalla de Shiloh. También encontraron que ninguno de los dos podía crecer a la temperatura del cuerpo humano, pero recordemos que la noche de después de la batalla fue una noche lluviosa y fría, así que quizás los soldados sufrieron hipotermia y así se dieron las condiciones para que P. luminiscens creciera durante un lapso de tiempo durante el cual generó suficientes antibióticos que permitieran eliminar a otros microorganismos patógenos presentes en las heridas y así evitar la infección.

ResearchBlogging.org

Hallem EA, Dillman AR, Hong AV, Zhang Y, Yano JM, DeMarco SF, & Sternberg PW (2011). A sensory code for host seeking in parasitic nematodes. Current biology : CB, 21 (5), 377-83 PMID: 21353558

Somvanshi VS, Sloup RE, Crawford JM, Martin AR, Heidt AJ, Kim KS, Clardy J, & Ciche TA (2012). A single promoter inversion switches Photorhabdus between pathogenic and mutualistic states. Science (New York, N.Y.), 337 (6090), 88-93 PMID: 22767929

3 comentarios:

Jape dijo...

Una de las mejores entradas que he leído en este blog!

Profesor Santiago Leiva dijo...

Excelente post!

maestradelia dijo...

Es una historia estupenda y muy inspiradora. Ojalá despierte el entusiasmo de muchos jóvenes.
Saludos.