Unir para destruir

La bacteria Gram positiva Streptococcus pneumoniae al microscopio electrónico

Streptococcus pneumoniae es uno de los patógenos más fastidiosos con los que tiene que enfrentarse la humanidad. Su nombre de pila es neumococo y nos dice que es uno de los muchos microorganismos que producen neumonía. Pero su infección también puede causar otras enfermedades, sobre todo en niños y ancianos. Entre ellas están algunas como sinusitis, otitis media, bacteriemia o incluso meningitis.

Actualmente el neumococo es el causante de 1,6 millones de muertes en todo el mundo cada año. Se está intentando desarrollar vacunas, pero la cosa no es nada fácil. El motivo es que el neumococo está rodeado de una cápsula polisacarídica. Esta cápsula es como una armadura que defiende al neumococo de los ataques de las células de nuestro sistema inmune. Normalmente, las vacunas se diseñan contra los componentes de esas cápsulas. Así nuestro sistema inmune reconoce mejor sus puntos débiles y puede destruir a la bacteria. Lo malo es que el fondo de armario del neumococo no tiene nada que envidiar al de nuestra actual vicepresidenta. Se han descrito 91 tipos distintos de cápsulas, por lo que nos podemos hacer una idea de lo difícil que es diseñar una vacuna que sea efectiva contra esas 91 armaduras.

Otra forma de combatir al neumococo es mediante el uso de antibióticos. La aparición de estas sustancias en la segunda mitad del siglo pasado permitió una lucha efectiva contra las infecciones causadas por dicha bacteria. Desgraciadamente, el uso y abuso de los antibióticos ha producido la aparición de un gran número de cepas resistentes a los mismos. Es por ello que se está buscando con ahínco nuevas moléculas con potencial antibacteriano y para las que no sea fácil la aparición de resistencias.

Recientemente el equipo liderado por el profesor Jesús Sanz de la Universidad Miguel Hernández en colaboración con otros grupos europeos ha diseñado un tipo de moléculas que puede abrir un nuevo camino en la lucha contra el pneumococo. Y lo mejor es que precisamente no actúan sobre la armadura del neumococo, sino sobre lo que está debajo de ella.

Como se ha indicado más arriba, el neumococo es una bacteria Gram postiva. Eso quiere decir que la envoltura de la bacteria tiene la estructura siguiente: una membrana plasmática rodea al citoplasma (banda azul). A su vez la membrana es rodeada por una pared celular compuesta de peptidoglicano y ácidos teicoicos. Aunque el modelo biofísico de la pared de las bacterias aún está siendo dilucidado, podemos imaginarnos que una bacteria es como un edificio en el que la pared está hecha como si fuera hormigón armado y en ese caso el peptidoglicano es como una especie de cemento elástico y los ácidos teicoicos son como las varillas de acero que lo atraviesan y le dan su fortaleza. La cápsula de la que hemos hablado antes serían las placas de mármol o de aluminio que ponemos por fuera para embellecer al edificio.

En la parte de arriba se muestra un esquema de la envoltura del pneumococo. En azul oscuro se representa la membrana citoplasmática. Los hexágonos enlazados de azul claro sería el peptidoglicano. Las líneas verticales rojas y marrones segmentadas son los ácidos teicoicos y en verde se muestran la fosfocolina, lugar de unión de las CBP. En la parte de abajo se muestra la estructura del dominio de unión a colina de la amidasa LytA, la CBP mejor conocida (origen de la imagen).

El caso es que los ácidos teicoicos del neumococo están decorados con grupos de fosfocolina. Esos grupos le sirven a la bacteria para que se peguen una serie de Proteínas de Unión para Colina o CBP (Coline Binding Protein) que deben de realizar su función en el exterior de la célula. Siguiendo con la analogía del edificio, imaginemos que se necesita que unos operarios realicen tareas de mantenimiento externo de la fachada y para ello necesitan asegurarse a una serie de ganchos que se disponen en las barras de acero del hormigón armado. La fosfocolina serían esos ganchos. Evidentemente los operarios llevarían un mecanismo de anclaje a esos ganchos o bolsillos de unión a colina. Entre esas proteínas que cumplen su función en el exterior de la célula hay algunas implicadas en la finalización de la división celular, otras en la producción de toxinas y otras involucradas en la adherencia al hospedador.

Molécula de cloruro de colina

La idea desarrollada por el grupo de Jesús Sanz fue la siguiente. Si evitamos que esas proteínas CBP se unan a la fosfocolina de la pared celular no podrán cumplir su función y por lo tanto la bacteria no podrá dividirse, no podrá liberar toxinas y no podrá adherirse al hospedador. Una forma sencilla de comprobar dicha hipótesis es tomar un cultivo de neumococo y añadirle una gran cantidad de colina. Cuando se hace esto, las CBPs se unen a la colina que se ha añadido y no a la fosfocolina de la pared celular. Entonces las células no pueden separarse y forman largas cadenas y además dejan de producir toxinas.

Pero el problema es que la colina no puede ser usada terapéuticamente, al menos en las cantidades requeridas para producir dichos efectos si se lo administraramos a un paciente. Las CBPs tienen más afinidad por las fosfocolinas debido a que se presentan agrupadas en los ácidos teicoicos. Para resolver el problema los investigadores han diseñado un dendrímero, una molécula polimérica ramificada con forma de árbol, y que presenta una gran cantidad de sitios análogos a la colina en sus ramas y a los que las CBPs se unen. La estructura resultante mimetiza a la de los agrupamientos de fosfocolina de los ácidos teicocicos. Y las CBP's se unen con bastante afinidad a ellos. Tanto que dejan de cumplir su función para la célula. Y las concentraciones de uso son tan pequeñas que pueden ser utilizados como agentes terapéuticos

Estructura de los diferentes dendrímeros de poli(propileno imina) usados. Cada punto negro al final de las ramas es un grupo de colina (origen de la imagen) .

Pero lo mejor de la estrategia de usar estos dendrímeros como agentes antibacterianos es que es muy difícil que las bacterias puedan desarrollar resistencias frente a los mismos. La colina es parte del ácido teicoico y por ello es usada por muchas CBPs, luego la bacteria no puede sustituirla por otra cosa así como así. Es como si en los edificios tuvieran que cambiar los barrotes de acero del hormigón armado por barrotes de otro material. Tampoco pueden cambiar los dominios de unión a colina que se encuentran en las CBPs, porque en ese caso ya no se unirían a la fosfocolina de la pared y tampoco podrían cumplir su función. Los dendrímeros están engañando a las CBP's.

Efecto de la colina y de los dendrímeros en cultivos de neumococo. En el control se observan células normales y a su derecha el efecto de la colina. En las demás se indica el nombre de los diferentes dendrímeros mostrados en la figura anterior. Estos se usaron a concentraciones de 100 micromolar. En comparación la colina se uso a una concentración 500 veces superior (origen de la imagen).

Audio 1 y 2 en "El podcast del microbio"

¿Humano? ¿Quién dijo humano?

El autor de la frase que da título a la entrada corresponde al cangrejo Sebastián, personaje de la película animada "La Sirenita". Pero ciertamente es una pregunta que cabe hacerse cuando uno contempla los recientes avances en genómica.

Hace unos 6 meses comentaba en el blog los esfuerzos que se están llevando a cabo por completar el Microbioma humano, el conjunto de genomas de todos los microorganismos presentes en un ser humano. Ya vimos que tenemos 10 veces más células microbianas que células propias en nuestro organismo. Pero la sorpresa no ha acabado ahí. Los microorganismos están mas íntimamente ligados a nosotros de lo que creíamos.

En el año 2003 se completó la secuenciación del primer borrador del genoma humano. Se descubrió que las 23 parejas de cromosomas tenían un tamaño de 2.860 millones de pares de bases. Para abreviar podemos decir que tenemos 2.860 Megabases (Mb), o 2,86 Gigabases (Gb). Eso quiere decir que tenemos unas 600 veces más DNA que el que contiene la bacteria Escherichia coli. Sin embargo, parece que tenemos unos 27.000 genes, unas 6 veces más que los que codifica el genoma de E. coli. Eso quería decir que o bien que por cada gen había unas 12.000 bases o lo que es lo mismo, 4.000 codones; o bien había mucho DNA que no tenía función alguna. Como nuestras proteínas, a pesar de ser bastante grandes, no tienen 4.000 aminoácidos la opción que queda es la segunda. De hecho esos 27.000 genes están codificados en unas 48 Mb, y si a eso le añadimos las secuencias reguladoras probablemente estemos hablando de unas 60 Mb de DNA con información genética exclusivamente humana. Es decir, basta tan sólo un 2% de todo nuestro genoma para hacer un ser humano completo. Entonces ¿Para qué sirve el 98% restante?

A todo ese DNA sin oficio ni beneficio conocido se le denominó inicialmente con el despectivo nombre de DNA basura (junk DNA). Pero es muy raro que nuestras células gasten un montón de energía y recursos en replicar y perpetuar tal cantidad de material inútil. Así que se empezó a mirar con algo más de detalle. Al analizarlo se ha encontrado que una gran cantidad de ese DNA son copias defectuosas de nuestros propios genes que no son expresadas. También hay una gran cantidad de secuencias repetidas que no se sabe muy bien que es lo que hacen. Y además se ha encontrado que alrededor de unas 200 Mb, un 8% del total, corresponden a secuencias provenientes de virus. Conclusión, en nuestros cromosomas portamos 4 veces más información genética vírica que información genética humana.

Lemur ratón gris (Microcebus murinus) de Madagascar. Recientemente se han encontrado secuencias parecidas a las del retrovirus HIV en su genoma

Y no sólo eso. Dichos genes virales están con en nosotros desde hace mucho tiempo. Tanto que ni siquiera éramos humanos cuando se introdujeron en nuestro DNA. Repasemos brevemente como funciona un virus. En las lecciones de Biología que dimos en la esculea nos contaban que los virus penetran en la célula y toman el control de la misma. Una vez esclavizada la célula sólo se dedica a producir nuevas copias del virus y nada más, por lo que acabamos con una célula muerta y un centenar de copias de nuevos virus. Es lo que se denomina ciclo lítico del virus (de lisis, que significa romper) y es una forma muy eficiente de reproducirse. Lo malo es que matas a la célula hospedadora en el proceso por lo que si se acaban las células ya no puedes seguir reproduciéndote.

Hay otras formas más sibilinas. Si el virus consigue insertar su genoma en el genoma de la célula hospedadora, ya no la mata, pero cada vez que se duplique dicha célula también lo hará el genoma del virus. A veces esto no le sienta nada bien a la célula y se transforma en una célula tumoral que crece sin control (algunos cánceres se originan así). La célula solo se preocupa de multiplicarse y de esta forma el virus a su vez también se multiplica. Pero si el hospedador es un ser pluricelular, y el virus lo que ha causado es un cáncer, al final el hospedador también se muere y con el desaparece el genoma del virus si no ha conseguido saltar a otro hospedador.

Imaginemos otro caso. El virus consigue integrarse en el genoma del hospedador y no le hace daño. Simplemente es como un pasajero que se aprovecha de la maquinaria de replicación del hospedador. Supongamos además que la célula afectada es una célula de la línea germinal, es decir, de las células que darán lugar a la descendencia. Eso quiere decir que el genoma de ese virus pasará de padres a hijos. Eso ha ocurrido con el genoma de algunos retrovirus y por eso reciben el nombre de retrovirus endógenos.

Bueno, pues ese 8% de DNA de origen viral está compuesto por 98.000 retrovirus endógenos y unos 150.000 fragmentos de otros virus que ya no son funcionales. Como era de esperar este proceso no ha parado. Se sigue produciendo. Hay retrovirus endógenos que sólo se dan en determinadas poblaciones, mientras que otros retrovirus endógenos están presentes en todos los seres humanos. O están presentes en todos los primates. Hace 55 millones de años los primates sufrieron una infección por parte de un retrovirus que se estableció en su genoma. Y esto ha sucedido otras veces. Comparando las secuencias de esos retrovirus endógenos podemos llegar a construir un árbol filogenético de los primates, tan válido como el que se construye atendiendo a las secuencias de las globinas.

Árbol filogenético de los primates basado en comparaciones de la secuencia del retrovirus endógeno HERV-K(HML-5). Figura tomada de Lavie et al. 2004

Resumiendo, en nuestro cuerpo hay 10 veces más de microbios que células propias, y en nuestro genoma 4 veces más DNA viral que DNA humano. ¡Y todavía nos hacemos llamar los reyes de la creación!

Auidos en "El podcast del Microbio" 1ª Parte y 2ª Parte

De la coprofagia como terapia digestiva

ACTUALIZACION noviembre 2011: Ensayos clínicos mostrando la efectividad del trasplante de microbiota fecal.


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Estoy convencido que cualquier lector del blog ha oído hablar de las mil y un maravillas y beneficios que se obtienen al comer alimentos probióticos. Dejando de lado la publicidad, la idea que hay detrás de alimentarse con microorganismos vivos es mantener o restablecer nuestra flora intestinal y evitar que seamos colonizados por microorganismos patógenos.

Y es que si miramos al contenido de nuestras tripas nos encontraremos que están habitadas por una gran multitud de diversos tipos de microorganismos. De hecho, en números, hay diez veces más células microbianas en nuestro cuerpo que células propias (ver E pluribus Unum). Y nosotros tenemos 10.000.000.000.000 de células en nuestros tejidos. Se calcula que esos 100 billones de microorganismos pertenecen a unas 500 especies distintas. El 99% de esas especies son beneficiosas o no son perjudiciales para el ser humano. El 1% restante está compuesto por microorganismos que pueden ser patógenos, pero afortunadamente para nosotros están presentes en muy pequeño número para hacernos daño pues las poblaciones beneficiosas los mantienen a raya. En términos de ecología microbiana nuestros intestinos es un ecosistema de una gran biodiversidad.

Cuando por alguna circunstancia las poblaciones que forman parte de dicho ecosistema se ven alteradas podemos tener problemas. Más de uno habrá oído hablar de la molesta "diarrea del viajero" o de la "venganza de Moctezuma". Esta se produce por haber consumido agua o alimentos contaminados con bacterias fecales como Escherichia coli, Shigella, Salmonella, etc. Generalmente no es grave y suele desaparacer después de algunos días. Otras causas de alteración es la ingesta de antibióticos. No es raro que se originen diarreas después de un tratamiento de varios días con algún beta-lactámico. La mayoría de las veces la situación es reversible y las cosas vuelven a la normalidad una vez que se deja el tratamiento.

El emperador azteca Moctezuma según el Códice Mendoza

Sin embargo a veces la alteración de la microflora es grave. Un antibiótico puede alterar de tal forma las poblaciones que no sólo no se recupere la normalidad, sino que encima se produzca una patología porque se ha favorecido el crecimiento de alguna especie de ese 1% de patógenos. Es lo que le ocurrió a Vicky Doriott. Esta mujer de Minnesota tuvo que pasar dos tratamientos de antibióticos muy seguidos debido a un resfriado y a una visita al dentista. Al cabo de unos días manifestó un cuadro febril y una diarrea severa. Le diagnosticaron colitis pseudomenbrabosa producida por Clostridium difficile, una bacteria Gram positiva anaerobia endosporulada. Esta bacteria es un habitante común del intestino y es capaz de generar toxinas, pero generalmente sus niveles de población son muy bajos por lo que no causa ningún daño. Lo malo es que los antibióticos habían eliminado a sus competidores y por lo tanto C. difficile había podido crecer sin ningún problema. Cuando esto sucede, los niveles de población son tan altos que la concentración de toxinas comienza a producir serios daños al organismo.

Células de Clostidium difficile al microscopio electrónico

Como indica el apellido del bicho, el tratamiento de su infección es bastante difícil. La bacteria es insensible a la mayor parte de los antibióticos y solo la vancomicina o el metronidazol consiguen hacer algún efecto sobre ella. Lo malo es que las esporas son totalmente insensibles al efecto de los antibióticos, por lo que una vez retirados el paciente puede volver a recaer una vez germinen las esporas. Y eso es lo que le ocurría a Vicky. Tras varios meses de padecimiento se optó por un tratamiento mucho más drástico para curarla.

Dicho tratamiento consiste en la "Bacterioterapia fecal" o "transplante fecal". Básicamente consiste en tomar las heces de un donante sano e introducirlas por via oral en el paciente enfermo (también puede suminstrarse mediante un enema). Con ello se espera que los microorganismos presentes en dichas heces desplacen al microorganismo patógeno y restablezcan la microflora. En el caso de Vicky, el donante sano se trató de su marido y no sin razón. Hay un refrán castellano que dice quien en la cama departe, ideas comparte. En este caso su marido probablemente compartía microflora con su mujer antes de que esta enfermara y además dicha microflora seguramente ya había entrado en contacto con las esporas de C. difficile y no había permitido que se establecieran en su intestino.

El procedimiento consiste tomar las heces frescas recien excretadas. Posteriormente se hace con ellas una papilla que luego es filtrada para eliminar restos y fibras indigeribles, ya que solo un 50% del peso de las heces humanas son bacterias, el resto es material no digerible. El filtrado se introduce en el estómago del paciente a través de una sonda nasogástrica, por lo que en ningún momento tiene que tragarlas. En el caso de Vicky la mejoría fue cuestión de días, otros pacientes necesitan la repetición de la infusión durante una semana. Los defensores de esta técnica aseguran que el éxito es superior al 90%, aunque también reconocen que solo la utilizan como "último recurso" si la terapia de antibióticos falla.

Esquema que muestra la introducción de la sonda nasogastrica para realizar el transplante fecal

En resumen, eat shit to feel better

Audio en "El podcast del microbio"

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Películas y bichos: "La mascara de la muerte roja"

Ya que se conmemora el 200 aniversario de la muerte de Edgar Allan Poe me parece interesante traer aquí una de las muchas adaptaciones cinematográficas que se han realizado basándose en su obra. Y que evidentemente tiene que ver con los microorganismos.

"La máscara de la muerte roja" es una película de 1964 protagonizada por Vincent Price y dirigida por Roger Corman. Está ambientada durante la epidemia de peste que asoló la Italia Renacentista. Aunque está basada en el relato del mismo título escrito por Poe, lo cierto es que Roger Corman modificó bastante la historia original e introdujo otras subtramas como la del culto satánico o el romance de los campesinos. También incluyó otro relato de Poe, la historia del bufón "Hop-Frog".

La "muerte roja" es una enfermedad ficticia. En palabras de Poe comenzaba con agudos dolores, un vértigo repentino, y luego los poros sangraban y sobrevenía la muerte. Las manchas escarlata en el cuerpo y la cara de la víctima eran el bando de la peste, que la aislaba de toda ayuda y de toda simpatía, y la invasión, progreso y fin de la enfermedad se cumplían en media hora. Se discute mucho sobre el tipo de enfermedad que inspiró a Poe. Para algunos es un tipo de tuberculosis, ya que su mujer la sufría cuando escribió el relato. Para otros es el cólera, pues en 1831 hubo una epidemia de dicha enfermedad en Baltimore. Otros dicen que es una forma hemorrágica de la peste y que en realidad este cuento es como un epílogo tenebroso de el "Decamerón" de Bocaccio. Y finalmente hay quien dice que está basada en las fiebres virales hemorrágicas como la que produce el Ébola.

La película de Corman es un clásico del género de terror de los años 60. Ahora podría parecer bastante ingenuo e inocente si lo comparamos con las recientes producciones más del estilo gore. Pero es una buena película en líneas generales con un guión más que sólido y bastante decente si tenemos en cuenta que está hecha con cuatro perras.

Audio en "El podcast del microbio"

Una bacteria es una bacteria, es una bacteria

Después de un largo paréntesis debido a diversas actividades docentes vuelvo por estos fueros. Aquí va la segunda parte del comentario dedicado a la definición de especie bacteriana.

Debemos recordar que es el ser humano el que pone nombre a las cosas. Y generalmente sólo nombramos aquello que nos interesa. Eso quiere decir que definir una especie es un acto de antropocentrismo puro y duro. Por eso todos los microorganismos que producen enfermedades tienen categoría de especie. Y lo mismo pasa con aquellos que tienen interés para el ser humano, ya sea porque producen queso manchego o porque pueden degradar un plástico. Pero todos aquellos microorganismos que "no hacen nada" generalmente pasan desapercibidos.

Portada del disco de Bob Dylan del año 1979 que incluye la canción Man gave name to all the animals.

Sin embargo las nuevas herramientas de la biología molecular están cambiando el panorama a pasos agigantados. El ser humano ahora es consciente de que existe una enorme multitud de microorganismos en la Biosfera. Claro que el problema no se resuelve dando nombres a todo bicho viviente que encontremos con el microscopio. Si así fuera crearíamos un problema más grande del que tenemos. Hay que recordar que la taxonomía no sólo sirve para dar nombre a las cosas. También sirve para definirlas y clasificarlas. Y para eso hace falta tener un criterio de clasificación.

Actualmente, los taxónomos microbianos intentan clasificar a los microorganismos integrando diferentes clases de datos, tanto fenotípicos (test bioquímicos, composición de lípidos,...), genotípicos (hibridación de DNA), como filogenéticos (secuencias del rRNA). Así por ejemplo se considera que dos microorganismos pertenecen a especies distintas si presentan un porcentaje de hibridación de sus DNAs menor del 70%. Es una técnica muy reproducible y sus datos son bastante consistentes y de hecho está considerada como el patrón de oro cuando se debe de determinar el estatus de especie para un microorganismo. Lo malo de dicha técnica es que es muy complicada, lenta y solo puede realizarse con microorganismos que han sido cultivados en laboratorio porque se requiere una gran cantidad de ellos para extraer su DNA.

Hibridación DNA-DNA. Cuanto mayor sea el parecido entre dos especies menor número de heteroduplex se forman

Es por eso por lo que muchos laboratorios prefieren los datos de secuenciación del rRNA. Es un carácter universal por lo que permite una clasificación en base a la similitud de secuencia. Es una técnica rápida, sencilla y puede utilizarse sobre microorganismos que no han sido cultivados. En ese caso se considera que una identidad menor del 97% indica que son dos especies distintas. Pero también tiene sus inconvenientes. El primero es que la clasificación se basa en un solo gen, por lo que las variaciones en la secuencia debidas al azar pueden ser consideradas muy importantes cuando en realidad pueden no serlo. Asimismo, si ha habido eventos de recombinación o de transferencia genética horizontal, los resultados pueden llevarnos a confusión. Por último, tener el mismo rRNA en dos aislados no significa que sean de la misma especie (ver más abajo).

Está claro que lo mejor es mirar varios genes, pero de forma rápida y sencilla. Hace tiempo los epidemiólogos se dieron cuenta de que necesitaban una herramienta que les permitiese distinguir entre diversas cepas del mismo microorganismo patógeno. Desarrollaron una técnica que se conoce por la siglas MLST por MultiLocus Sequence Typing, o Tipado por Secuencia de MultiLocus. Básicamente consiste en determinar las diferencias que hay en las secuencias entre los "genes ama-de-casa" (housekeeping genes) o genes que se encargan del metabolismo de mantenimiento de la célula. Con ello comparaban aislados microbianos de distintos pacientes. Si dos aislados tienen el mismo perfil genético en el MLST significará que pertenecen a la misma cepa patógena.

La técnica de MLST se ha modificado para aplicarla a la taxonomía bacteriana. Así la identificación es un proceso en dos fases. La primera es la secuenciación del rRNA para asignar a un determinado microorganismo dentro de un género. La segunda fase consiste en determinar la especie utilizando la comparación de genes que son ubicuos dentro de ese género y que además estén en copia única dentro del genoma de dichos microorganismos. Para distinguirla de la técnica usada en epidemiología molecular se la ha bautizado como MLSA por MultiLocus Sequence Analysis.

Un ejemplo de utilización de la técnica MLSA ha sido la diferenciación entre especies del género Burkholderia. La especie B. mallei es un parásito obligado de equinos que produce la enfermedad conocida como muermo. Su pariente, la bacteria saprofita del suelo B. pseudomallei, causa la melioidosis, una enfermedad endémica de Australia y el sur de Asia. Si unorealiza un estudio de hibridación de DNA se encontrará con que la hibridación es mayor del 76%, luego según dicha técnica ambas son la misma especie. En 1998 se aisló una bacteria muy semejante a B. pseudomallei pero que era avirulenta. Se la bautizó como B. thailandensis. Cuando se estudió la secuencia 16S rRNA de estas tres especies se encontró que la identidad era mayor del 99%. Pero la sorpresa saltó cuando se hiceron los estudios de hibridación de DNA. El porcentaje era de 47% lo que indicaba que B. thailandensis era una especie muy diferente de las otras dos. Para resolver el rompecabezas un grupo realizo el MLSA comparando las secuencias internas de siete housekeepings genes. Analizaron varios clones y lo que encontraron fue que todos los aislados de B. mallei eran idénticos y que además se agrupaban con los aislados de B. pseudomallei. Pero todos los aislados de B. thailandensis se agrupaban de forma diferente como una especie completamente distinta. La moraleja es que B. mallei es una especie distinta de B. pseudomallei sólo porque produce una enfermedad diferente, de lo contrario sería considerada como un clon de la misma especie.

Árbol filogenético construido a partir de los datos de MLSA sobre distintos aislados del género Burkholderia. Todos los aislados de B. pseudomallei se agrupan y entre ellos se encuentra B. mallei, (que sería un ecotipo de B. pseudomallei). A su vez todos los aislados de B. thailandensis forman un grupo aparte .

El ejemplo de arriba indica una cosa muy importante. Hay que incorporar la ecología cuando se define una especie. Un patógeno es un ser vivo con una ecología muy especializada. Este es un problema que se encontró el botánico sueco Göte Turesson cuando estudiaba la diferenciación de poblaciones dentro de una misma especie de planta herbácea. Se dio cuenta de que dicha diferenciación tenía una base genética y acuño el término ecotipo. El microbiólogo Frederick M Cohan propuso que el concepto de ecotipo podría servir como base para diferenciar los taxones bacterianos. Los ecotipos serían definidos como poblaciones que presentan una cohesión genética pero una distinción ecológica. B. mallei es un ecotipo de B. pseudomallei que tiene el honor de ser una especie por ser una patógena estricta. Si hubiera sido saprofita habría sido considerada un clon más de B. pseudomallei.

El modelo de ecotipos permite imaginar como evolucionan los microorganismos. Los ecotipos se originan a partir de clones genéticamente idénticos que viven en diferentes hábitats. La especialización ecológica conduciría a la divergencia genética mediante la acumulación de mutaciones adaptativas producidas por eventos de selección. Sería parecido a un arbusto cuyas ramas van creciendo y a las que periódicamente se poda. Sin embargo la cosa no es tan sencilla. Porque en la evolución de los microorganismos hay que tener en cuenta varios factores como son la deriva genética o la transferencia genética horizontal. Aun nos falta información para entender el cuadro, pero estamos algo más cerca.

Modelo de ecotipo estable. Los ecotipos se crea y extinguen a un ritmo lento. Cada ecotipo, rojo o azul, sufre una serie de eventos periódicos de seleccíon (asteriscos) durante su larga historia de divergencia de otros ecotipos. En cada evento de selección el ecotipo mejor adaptado desplaza a los linajes que compiten con él. No es el único modelo de aparición de ecotipos que se ha postulado

Bibliografía en la que está basada esta entrada: Re-evaluating prokaryotic species. Gevers et al. Nature Reviews Microbiology. Vol 3. Sept 2005. Pag: 733-739

Ir a la primera parte: El oficio más antiguo del mundo

El oficio más antiguo del mundo

Si se realizara una encuesta a todos aquellos que estudian algún aspecto de la Biología sobre cual es la disciplina menos atractiva, es muy probable que la Taxonomía ocupe uno de los primeros puestos. Se supone que es un conjunto de reglas para nombrar a los seres vivos, pero dichas reglas no parecen muy intuitivas y para colmo cambian cada cierto tiempo y al final parece que se discute sobre el sexo de los ángeles en lugar de sobre las formas vivas.


Sin embargo, la Taxonomía es el oficio más antiguo del mundo o al menos eso podemos leer en la Biblia, porque tras la creación de los animales se lee:

Génesis 2.20: El hombre puso un nombre a todos los animales domésticos, a todas las aves del cielo y a todos los animales del campo; pero entre ellos no encontró la ayuda adecuada.
Después de la creación de la mujer surgió la anatomía comparada y comenzaron las primeras discusiones taxonómicas, una maldición que aún perdura.

Entrega de certificados de asistencia en el Primer Congreso Mundial de Taxonomía

De todas formas hay que comprender a los taxónomos. Las reglas taxonómicas son el fruto de un convenio entre los científicos, y si hay algo frágil en este mundo es precisamente un convenio científico. Pero ahí no acaba la cosa. La taxonomía trata de clasificar a las especies biológicas. Y esa es la madre del cordero, porque ¿qué es una especie biológica?

Si uno trabaja con animales como hizo Adán la cosa parece sencilla. Un león es un león, un perro es un perro y un ratón es un ratón. Pero la inteligente Eva le hizo notar algo bastante peculiar. Las especies "león", "perro" y "ratón" necesitan de dos individuos, un macho y una hembra, para reproducirse y generar más leones, perros y ratones. Y eso no sólo pasaba con los animales, también con las plantas. Llegamos así a la definición más conocida de especie biológica: grupo de organismos capaces de entrecruzarse y de producir descendencia fértil.

No es una mala definición. Es corta y sencilla. Los problemas vienen cuando uno encuentra seres vivos que no necesitan "entrecruzarse" (bonito eufemismo para referirse al sexo) para producir "descendencia fértil". Hay muchos seres vivos que dejan descendencia mediante la llamada reproducción asexual. Seguramente el lector está pensando en bacterias o en levaduras, pero no hace falta llegar hasta ellas. Cualquier aficionado a la jardinería sabe que muchas plantas de uso agrícola se reproducen de forma asexual.

Eso significa que hay que cambiar o ampliar la definición de "especie biológica", lo que quiere decir que hay que montar un congreso de taxonomía, poner un montón de señores a discutir y después de unos días publicar un acta del congreso donde se describirá el nuevo convenio científico sobre lo que es una especie biológica. Según el libro "Brock. Biología de los microorganismos", una especie microbiológica es una colección de cepas que comparten un gran número de propiedades importantes pero difieren en una o más propiedades significativas de otras colecciones de cepas. Siendo sinceros a mi no me parece ni corta ni sencilla, pero es lo que hay.

Y ahora viene la parte más divertida. Podría pensarse que un taxónomo es como un bibliotecario o como el encargado de un vídeo-club. El taxónomo clasifica seres vivos como el librero clasifica libros o el encargado del vídeo-club, películas. Pero hay una diferencia fundamental entre el primero y los otros dos. Los seres vivos evolucionan, cambian en el tiempo.

Uno puede pensar que lo mismo ocurre con los libros y las películas. Antes las películas se alquilaban en formato de video y ahora sólo hay DVD, dentro de poco serán en Blu-ray. Pero lo que ha cambiado es el soporte, no la información. En los seres vivos, la evolución significa cambio en la información. Y si cambia lo información significa que esa "especie" se ha transformado en "otra especie". Para hacernos una idea, el cambio evolutivo biológico es como si en una biblioteca tenemos un ejemplar de "El Quijote" y tras pasar un tiempo ese libro se ha transformado y ha pasado de ser una novela a un tratado sobre las costumbres populares de la Mancha. Imaginemos la desesperación del bibliotecario cuando tenga que clasificarlo.

El caso es que algo similar está ocurriendo con el concepto de "especie" en el campo de la microbiología. Podría decirse que debido a los tiempos de generación tan cortos de los microorganismos se están dando cambios evolutivos en tiempo real. En la entrada dedicada a los experimentos de Richard Lenski ya vimos que se había detectado el cambio evolutivo en una población bacteriana estudiada continuamente durante 19 años. Si hacemos una pequeña extrapolación e imaginamos que el experimento de Lenski hubiese comenzado en 1885, año en el que fue aislada y descrita la bacteria Escherichia coli, la cepa evolucionada habría sufrido al menos 6 cambios importantes con respecto a la cepa parental. Pueden parecer pocos, pero ahora consideremos esto:

Este es el perfil de reacciones diagnósticas para diferenciar al género Escherichia del género Enterobacter.

Si nos fijamos, la diferencia entre ambos géneros se reduce a las seis pruebas señaladas en negrita. Es evidente que las diferencias entre esos dos géneros son mayores que tan sólo estos seis cambios, pero también es cierto que cualquier microbiólogo consideraría que estaría ante dos especies distintas si encontrara esas seis diferencias entre dos cepas de bacterias.

Pero lo que ha acabado de dar la puntilla al concepto de especie ha sido la aplicación de las técnicas moleculares en la Ecología Microbiana. Tema que será desarrollado en el siguiente comentario del blog.

Ir a la Segunda Parte: Una bacteria es una bacteria, es una bacteria.

Las levaduras y la fuente de la eterna juventud.

Las Tres Edades de la Mujer de Gustav Klimt.

Actualización septiembre 2011. El papel de las sirtuinas ha sido puesto en duda: ver en Biounalm

El envejecimiento no es algo raro para la experiencia humana. Es un proceso natural que también ocurre todas las formas vivas, incluso en las unicelulares como las levaduras. Generalmente una levadura recién nacida podrá dar lugar a una veintena de congéneres suyas mediante el proceso de gemación. Una vez hecho esto, la levadura deja de reproducirse y acaba muriendo.

Modelos de envejecimiento: la levadura Saccharomyces cerviseae, el gusano Caenorhabditis elegans, la mosca Drosophila melanogaster y el ratón Mus musculus.

Como las levaduras son el modelo por excelencia de las células eucariotas, más de un investigador se ha preguntado si el proceso de envejecimiento que se observa en dichos hongos unicelulares tiene paralelismos con el de las células animales. La hipótesis no es descabellada porque ya ha dado sus frutos en más de una ocasión, como es el caso de los genes que controlan el ciclo celular. Y comprender los procesos de envejecimiento es la base del desarrollo de fármacos anti-edad. El Dr. David Sinclair y unos cuantos colegas fundaron la pequeña compañía Sirtris Pharmaceuticals con dicho objetivo en mente.

Modelo Trdimensional de la Sirtuina

La proteína Sir2, o sirtuina, es una enzima con actividad deacetiladora de histonas, que fue descrita por primera vez en levaduras y cuya función es la de un centinela que debe de proteger el genoma. Está involucrada en silenciar la expresión genética de determinadas zonas y evitar una expresión descontrolada de los genes que allí se encuentren. También bloquea los reordenamientos cromosómicos que a veces ocurren en zonas con DNA muy repetitivo. Y eso lo hace disponiéndose en esos lugares como si hubiera una especie de "garitas". Cuando se produce un daño en el DNA que rompe su molécula, la sirtuina deja los lugares que está "protegiendo" y se coloca en aquellos donde se ha producido el daño. Cuanta más edad tiene un organismo, más daños tiene el DNA y más sirtuina deja sus "garitas" para disponerse en las zonas dañadas. Las zonas que han sido desprotegidas comienzan a expresar sus genes por lo que la se observa un cambio en la pauta de expresión genética muy característico en los procesos de envejecimiento. Cuando se incrementan los niveles de Sir2, las levaduras envejecen más lentamente.

Envejecimiento de la levadura. Ségún van fomándose nuevas células hijas el fenotipo de la célula madre va cambiando hasta que finalmente se vuelve esteril

Las sirtuinas son una familia de proteínas que están presentes en todos los dominios de la vida, entre ellos los mamíferos pero sus funciones no eran muy bien comprendidas hasta ahora. En la revista Nature se anuncia que Sinclair y sus colegas han encontrado que los mamíferos no solo tienen ese mismo tipo de proteína sino que además parece cumplir la misma función que en levaduras. Evidentemente el descubrimiento no ha pasado desapercibido a las grandes compañías y Sirtris Pharmaceuticals ha sido comprada por el gigante farmacéutico GlaxoSmithKline por 720 millones de dólares.

Lo que han encontrado es que la sirtuina de ratón, denominada SIRT1, se comporta como la proteína de levadura Sir2. En el ratón, SIRT1 está unida a secuencias de DNA repetitivo y zonas cuya expresión génica está silenciada. Los investigadores utilizaron cultivos de células embrionarias. Si las células son expuestas a la acción de una solución de agua oxigenada, se producen daños en el DNA y las proteínas SIRT1 dejan sus "garitas" para unirse a las zonas dañadas. Al comparar los patrones de expresión génica de las células embrionarias dañadas con los patrones de expresión de células de ratones ancianos, encontraron que ambos eran semejantes.

El siguiente paso de Sinclair y sus colegas será incrementar la expresión de SIRT1 en ratones envejecidos y comprobar si los patrones cambian a una fase más "juvenil", lo que significaría que si podrían revertir los efectos de la edad. Y evidentemente sería el paso previo para desarrollar verdaderos medicamentos anti-edad, no cosméticos.

Audio en "El podcast del microbio"

OBERDOERFFER, P., MICHAN, S., MCVAY, M., MOSTOSLAVSKY, R., VANN, J., PARK, S., HARTLERODE, A., STEGMULLER, J., HAFNER, A., & LOERCH, P. (2008). SIRT1 Redistribution on Chromatin Promotes Genomic Stability but Alters Gene Expression during Aging Cell, 135 (5), 907-918 DOI: 10.1016/j.cell.2008.10.025

División se escribe sin Z

autores: Manuel Sánchez y Miguel Vicente

Desde la rueda hasta la turbina la humanidad se ha inventado un buen número de máquinas para realizar trabajos mecánicos muy diversos, por lo que parece natural que la misma función, como impulsar un coche, pueda hacerse con motores de diseños muy diferentes. También en las distintas células se puede hacer una misma función utilizando maquinarias de diferentes diseños. Así como la mayoría de los coches utilizan un motor de gasolina, la mayoría de los microbios y muchos orgánulos como los cloroplastos, para llevar a cabo la división en dos, utilizan un elemento común, la proteína FtsZ.

Distribución filogénetica simplificada de la proteína FtsZ.
Esta proteína es imprescindible para la división celular de un gran número de bacterias, arqueas y orgánulos.

Sin embargo hay vehículos que en vez de un motor de gasolina usan un motor eléctrico o incluso una caldera a vapor como las locomotoras. De hecho hay microbios que prescinden por completo de FtsZ y utilizan otro sistema para realizar su división. Ya se sabía que algunos parásitos intracelulares, como Chlamydia, carecen de dicha proteína. ahora se les une un importante grupo de arqueas, las Crenarchaeotas a las que pertenece Sulfolobus acidocaldarius, la especie en la que se ha hecho el descubrimiento.

Un hogar muy especial.

El jardín de las delicias de Sulfolobus acidocaldarius para nosotros sería mas bien un infierno, casi hirviendo a 80ºC y bastante ácido a pH 2. Su hogar, en las solfataras, se asemeja asombrosamente a las calderas de Pedro Botero ilustradas en el Hortus deliciarum, un manuscrito medieval compilado por Herrad def Landsberg entre 1167 y 1185.

¿Qué es y qué hace FtsZ?
FtsZ es una proteína con estructura y propiedades muy parecidas a la Tubulina, la proteína que en las células eucariotas como las humanas, forma los microtúbulos del citoesqueleto. Estos microtúbulos son los encargados de procesos tan importantes como el tráfico de vesículas por el citoplasma y del reparto de los cromososmas durante la mitosis. En la división de bacterias y de orgánulos de origen bacteriano, FtsZ se coloca en el centro de la célula y dirige el ensamblaje de todos los componentes que integran un anillo que ejecuta la constricción de la membrana celular. FtsZ es una proteína esencial, es decir que si una bacteria no la puede producir queda condenada a crecer sin poder dividirse, lo mismo que le ocurre a un cloroplasto privado de ella.

Estructura tridimensional de FtsZ y Tubulina.

Pese a que funcionan en procesos diferentes, las dos proteínas tienen una gran similitud estructural, que reside no tanto en los aminoácidos que componen sus secuencias, sino en el tipo de estructuras en hélice y lámina que adoptan.

¿Cómo lo hacen algunas arqueas?
Ahora mismo se reconoce que los microorganismos pertenecientes al Dominio Archaea están divididos en dos tipos distintos o phyla: Crenarchaeota y Euryarchaeota, aunque es probable que dentro de poco haya más tipos. Los euryarqueotas incluyen a los metanógenos y a las arqueas de ambientes hipersalinos mientras que los crenarqueotas son microorganismos termófilos e hipertermófilos. Pues bien, sólo los euryarqueotas parecían utilizar un mecanismo de división celular basado en el anillo contráctil de la proteína FtsZ. Es el caso de la arquea halófila Haloferax volcanii.


La división sin Z.
Por eso resultaba chocante no encontrar FtsZ, o algo muy similar, en las crenarqueas. Un grupo de investigadores de la Universidad de Uppsala, ha resuelto ahora este enigma: las crenarqueas sin FtsZ, han montado su maquinaria de división basándose en proteínas por completo diferentes a las de las bacterias y a las de sus primas las euryarqueas. Estas proteínas muestran homología con un tipo de proteínas eucariotas. La sorpresa es que no se parecen para nada a la Tubulina, y tampoco a la actina o la miosina, proteínas que participan en la división de eucariotas. Se parecen a las proteínas involucradas en la formación de vesículas endosomales a partir del retículo endoplasmático, o en la liberación de virus como el VIH.

Rolf Bernander y sus colaboradores han identificado tres proteínas de Sulfolobus acidocaldarius, denominadas CdvA, CdvB y CdvC, que se producen en el momento correcto en el que se predice comienza la división. Además, y como ocurre con varias de las proteínas que las bacterias utilizan para dividirse, los genes que las codifican están pegados en el mismo lugar del genoma.

Se les ha llamado operón cdv, un acrónimo de "celular-división". Dentro del trío, las proteínas CdvB y CdvC, son las que tienen homología con las proteínas eucariotas del complejo ESCRT-III. Dicho complejo forma vesículas en el lumen de las vesículas endosomales por un proceso conocido como “círculos concéntricos”. Si nos paramos un momento a pensar, crear una vesícula es algo parecido a una división celular por gemación. El tercer gen, cdvA, tiene la información para formar una proteína que se parece a otras proteínas del citoesqueleto eucariótico distintas a la Tubulina.

Parientes lejanos

En el esquema de la izquierda se representan las fases finales de la división de Sulfolobus acidocaldarius. Tras la replicación y segregación de los cromosomas se forma una constricción en el centro de la célula. Se ha observado que las proteínas Cdv se disponen en esa zona central y una hipótesis plausible es que intervienen activamente en dicha constricción. A la derecha se muestra el proceso de formación de vesículas endosomales en las rutas de procesamiento de los receptores de membrana de las células eucariotas. Dichos receptores son internalizados en la célula mediante una invaginación de la membrana plasmática formando una vesícula, la cual une a otras semejantes formando una vesícula más grande llamada endosoma. El endosoma sufre a su vez nuevas invaginaciones, liberándose pequeñas vesículas en su interior. Es en esa segunda invaginación donde están involucradas las proteínas pertenecientes al complejo ESCRT-III (etapas 1, 2 y 3). El resultado es que se forma una gran vesícula llena a su vez de vesiculitas conocida como cuerpo multivesicular, que acaba fusionándose con un lisosoma para la degradación de su contenido.

La expresión de los tres genes está regulada por un puesto de control, lo que en inglés se llama un "checkpoint", pues no se inducen hasta que no comienza la segregación de los cromosomas. Si algo va mal en la replicación del DNA, por ejemplo tras la irradiación con luz ultravioleta, se inhibe la producción de dichas proteínas y se frena la división. También cesan de producirse cuando Sulfolobus no precisa dividirse, ya sea porque deja de crecer, se le inhibe con antibióticos que bloquean la división, o se le impide la división por medio de mutaciones.

Ni C ni Z, para nosotros división se escribe con S.
Resumiendo, los crenoarqueotas no poseen la exclusividad sobre su mecanismo de división celular. Lo que hacen es usar de forma distinta un mecanismo que los eucariotas conservan, pero dedican a otra función. Evidentemente eso tiene una serie de implicaciones filogenéticas. Si nos centramos en la filogenia vista desde el mundo de las arqueas, la primera divergencia se cree que ocurrió entre el linaje arquea/eucariota y el linaje bacteriano. Luego debió ocurrir la divergencia entre arqueas y eucariotas y finalmente la divergencia entre euryarqueotas y crenarqueotas. Estos resultados parecen indicar que el mecanismo de división basado en FtsZ es más antiguo, pero que quizás coexisitese con el mecanismo basado en CdvB y CdvC. Cuando sucedió la divergencia entre los euryarqueotas y los crenoarqueotas, los primeros continuaron con FtsZ y los segundos adoptaron el otro sistema. Los eucariotas sin embargo desarrollaron otro sistema de división celular y dejaron el sistema homólogo a Cdv para utilizarlo en la formación de vesículas, y a la heredera de FtsZ, la Tubulina, la colocaron en su citoesqueleto para llevar cosas, entre ellas los cromosomas, de un lado a otro de la célula.

Resulta muy interesante comprobar que en los organismos procariotas ambos mecanismos de división parecen excluirse entre si. Por un lado tendríamos el mecanismo de las bacterias, y euryarqueas que utilizan FtsZ. Por otro el que utilizan las creanarqueas, basado en las proteínas Cdv. Es decir, unas tienen motores de explosión y otras motores eléctricos. Pero parece que también existen los microorganismos, un grupo de crenarqueas y Thermoplasma acidophilum, una especie de euryarquea, que como los coches híbridos pueden funcionar con motor de explosión o eléctrico pues contienen tanto proteínas Cdv como FtsZ. Pero lo más chocante es que hay un tercer grupo de crenarqueas que no tienen ni proteínas Cdv ni FtsZ. ¿Usarán una turbina?

¿Eliges FtsZ o Cdv?

La distribución filogenética de los genes de división en arqueas indica que no es frecuente el caso en el que existen a la vez las proteínas Cdv y FtsZ. Los recuadros negros indican presencia de los genes, los números se refieren a los grupos filogenéticos a los que pertenece cada especie representada. Tomado del trabajo comentado.

REFERENCIA:
A-C. Lindås, E.A. Karlsson, M.T. Lindgren, T.J.G. Ettema, and R. Bernander. 2008. A unique cell division machinery in the Archaea. Proc Natl Acad Sci USA.

NOTA DE LOS AUTORES
Este artículo se publica simultáneamente en los dos foros administrados por cada uno de los dos autores, esta iniciativa es de esperar que anime al público de cada uno a visitar el otro para obtener una visión más amplia de las "curiosidades de esos pequeños bichitos ".


Este artículo ha sido traducido al inglés y publicado en el blog "Small Things Considered"

En busca de la Arquea perdida

Cuando uno abre un libro de microbiología básica como el Brock o el Prescott una de las primeras cosas que se encuentra es el conocido como "árbol filogenético de la vida". Es un árbol con tres ramas o Dominios. Suele estar construido en base a los parecidos entre las secuencias de los genes que codifican para el 16S rRNA. A mayor parecido entre las secuencias, mayor parentesco entre las diferentes formas vivas. De las tres ramas, dos son procariotas y una es eucariota. Dentro de la rama eucariota o Dominio Eukarya, estamos incluidos los seres humanos, acompañados de todos los animales, todas las plantas, los hongos y los protozoos. Pueden parecer formas de vida muy diversas, pero todas tienen algo en común. Todas las células eucariotas tienen núcleo.

Árbol filogenético de la vida. Las ramas coloreadas de rojo indica que dichos microorganismos son termófilos.

Las células procarióticas no tienen núcleo. Y hay dos tipos, el Dominio Bacteria y el Dominio Archaea. Dentro del primero están unas cuantas conocidas para los asiduos del blog como son Escherichia coli, Bacillus subtilis, Klebsiella pneumoniae, etc. En el segundo están incluidos microorganimos tan interesantes como Halobacterium salinarum o Sulfolobus acidocaldarius. Generalmente a las arqueas se las conoce por su asombrosa capacidad de sobrevivir en ambientes que no parecen adecuados para la vida. H. salinarum tiene su hábitat en las salinas con concentraciones de sal cercanas a la saturación. S. acidocaldarius vive feliz en fuentes hidrotermales con temperaturas de 80º C y a pH de 3. Pero hay que avisar que también existen arqueas que viven en hábitats más normales.

Arbol filogenético del Dominio Archaea.

Si uno mira con más detalle la rama que corresponde al Dominio Archaea verá que está dividida en tres subramas o phylum. Una de ellas se llama Crenarchaeota y en ella se incluyen las arqueas termófilas como Sulfolobus. Otra se llama Euryarchaeota y en ella encontramos a los halófilos como Halobacterium y también a las llamadas arqueas metanógenas como el género Methanobacterium. Estas arqueas son microorganismos anaerobios estrictos responsables de toda la producción de metano de origen biogénico. La tercera rama recibe el nombre de Korarchaetoa y lo más curioso es que no contiene ningún nombre que identifique a un microorganismo. Tan sólo contiene unos números.

El lugar donde crecen las korarqueas. La Obsydian pool en el parque de Yellowstone.

Eso es debido a que dicho phylum había sido descrito en base a los resultados de secuencias de rRNA extraídas de una comunidad microbiana que habita en el "Estanque de Obsidiana" que se encuentra en el parque Yellowstone. Los números corresponden a la identificación de dichas secuencias en una base de datos. Pero no se había podido asociar dichas secuencias con un microorganismo particular. Hasta ahora.

El pasado junio se publicó un artículo en el que se describía la secuenciación del genoma del primer microorganismo perteneciente a los korarqueas. Se le ha bautizado con el nombre de Korarchaeum cryptofilum. Todavía tiene el status de "candidatus" pero probablemente será reconocido como especie dentro de poco. Para conseguir identificarlo los investigadores han seguido la técnica del cultivo de enriquecimiento. Tomaron un poco de sedimento del Estanque de Obsidiana y durante 4 años lo incubaron en medio líquido con nutrientes muy limitados, en anaerobiosis a 85º C y a pH=6'5. Tras esos 4 años han conseguido una comunidad estable de microorganismos. Mediante la utilización de la técnica FISH usando como sonda una secuencia que se emparejaba con el gen que codifica para el 16S rRNA de los korarqueas. Observaron que la sonda hibridaba con unos filamentos muy delgados y largos.

Imágenes mostrando a Korarchaeum cryptofilum.
A: Tinción mediante la técnica de FISH. La célula muestra ondulaciones debido a un artefacto de la técnica.
B: Microfotografía en contraste de fase.
C: Microfotografía por microcopia electrónica de barrido.
D: detalle de la capa S.

El genoma de K. cryptofilum contiene 1,59 Mb y codifica para 1.617 proteínas. El 85% de estas secuencias tiene parecido con otras secuencias parecidas de arqueas. Al parecer el microorganismo puede conseguir energía y carbono a partir de la fermentación de péptidos. Aunque a primera vista parece que este microorganismo está cercano a las crenarqueas, al parecer otros sistemas celulares como la replicación del DNA, la división celular basada en la proteína FtsZ, o la maduración de tRNA le hacen tener un mayor parentesco con las euryarqueas. Asimismo se han encontrado varios elementos genéticos móviles, por lo que los investigadores no descartan que la mezcla de caracteres que presenta K. cryptofilum pueda ser debida en parte a procesos de Transferencia Genética Horizontal (procesos HGT).

¿Y qué importancia tiene el estudio de un microorganismo que vive en una fuente termal de Norteamérica? De nuevo tenemos que echar un vistazo al árbol filogenético. La rama que da lugar al phylum Korarchaeota es una rama que está muy próxima a la base del árbol. Eso quiere decir que K. cryptofilum es uno de los parientes más cercanos a las primeras formas de vida de este planeta. De hecho, todos los microorganismos termófilos, sean bacterias o arqueas, son los que más próximos están a la base del árbol lo que apoya la hipótesis de que la vida debió nacer en un ambiente con temperatura media elevada. Luego conocer su biología nos permitirá a su vez un mejor conocimiento de como pudo surgir y evolucionar la vida.

Y es que a veces descubrir un enigma conduce a nuevos enigmas por esclarecer.

Audio en "El podcast del microbio"

Películas y Bichos: "La amenaza de Andrómeda"

El pasado 4 de noviembre murió Michael Crichton uno de los más famosos escritores de Ciencia-Ficción. Recalco lo de "ciencia" porque una de las características de su obra es que siempre procuraba que fuera creible utilizando para el desarrollo de la trama los últimos avances del mundo científico. En su obra no vamos a encontrar espadas láser o telépatas superpoderosos pero si dinosaurios clonados o autómatas descontrolados.

Michael Crichton: médico, escritor, director y productor de cine.

La fama de Michael Crichton comenzó con la versión cinematográfica de su novela "La amenaza de Andrómeda". En realidad el título correcto debería haber sido "La cepa Andrómeda" (The Andromeda Strain) pero hay que reconocer que desde el punto de vista publicitario, el título español es mucho mejor. La novela fue publicada en 1969 y adaptada a la pantalla dos años después, por el director Robert Wise. Trata de la llegada a la Tierra de un microorganismo alienígena muy virulento y de los esfuerzos de un grupo de científicos por neutralizarle. Para ello lo primero que deben de hacer es aislarlo y estudiarlo. El microorganismo es bautizado como Andrómeda y lo que causa es una coagulación masiva de la sangre. Durante el proceso de caracterización del patógeno están a punto de desencadenar una catástrofe que podría acabar con toda la vida del planeta. La película tiene una trama apocalíptica muy típica de la Guerra Fría, sobre todo en el aspecto de las armas biológicas. Pero como volvemos a estar en tiempos en los que el Apocalipsis está de moda en forma de "calentamiento global", no es de extrañar que se haya realizado un remake actualizado para la televisión.

La película en Youtube

Yo vi "La Amenaza de Andrómeda" por primera vez en el programa "Sábado Cine" de TVE hacia 1980. Me acuerdo porque ese fin de semana estaba estudiando para el examen de Biología de 1º de Bachillerato y uno de los temas eran los virus. Una de las características de estos microorganismos acelulares cuyo nombre significa veneno es que cuando se describieron por primera vez se les denominó "virus filtrables" porque eran capaces de atravesar los filtros de porcelana. Pues bien, en la película hay una secuencia en la que los investigadores están tratando de determinar el tamaño de Andrómeda haciendo pasar aire contaminado por una serie de filtros con un tamaño de poro creciente. Ese aire filtrado acababa en una caja transparente en cuyo interior había una rata de laboratorio. Ni que decir tiene que tras ver la película entendí a la perfección lo que quería decir "virus filtrable".

Confieso que hubo muchas cosas que no entendí de la película. Sobre todo como conseguían deshacerse de Andrómeda. Posteriormente, cuando ya estaba cursando la carrera de Biología, encontré una edición del libro en un puesto de la Cuesta de Moyano. No dudé ni un segundo en comprarlo y aquella misma tarde comenzar a leerlo. La verdad es que no me defraudó. Como esperaba en la novela se detallan las diferentes etapas que seguía el equipo de científicos para estudiar y neutralizar a Andrómeda. Pero hubo dos cosas que me sorprendieron. La primera es que los ensayos de laboratorio que describía Crichton para analizar a Andrómeda eran reales. Entre ellos estaba la elaboración de un perfil para determinar el rango de pH a los cuales Andrómeda era viable (la curva se ve en los títulos del comienzo de la cinta), una imagen de difracción de rayos X de un cristal de Andrómeda, y el análisis cuantitativo de contenido de Carbono, Nitrógeno, Fósforo y otros elementos de dicho microorganismo. La segunda era que al final de la obra había una bibliografía de artículos científicos.

La cuesta de Moyano.

Uno de los mejores lugares para los amantes de los libros

Curiosamente la película se vio envuelta en una polémica por una de sus escenas. Es aquella en la que un mono cae fulminado debido a la exposición a Andrómeda. La secuencia está tan bien rodada que efectivamente parece que el mono muere de verdad. Pero si así hubiera sido la productora habría sido demandada por la Sociedad Protectora de Animales. Wise filmó la escena bajo la supervisión de dicha asociación. Para ello lo que hizo fue poner el mono dentro de una caja con aire y la caja en una habitación llena de dióxido de carbono (CO2). En la misma habitación se colocó a un operario fuera de plano respirando con una botella de oxígeno y con una máscara adicional para el mono. Cuando en la película un brazo mecánico levanta la tapa de la caja, el mono inmediatamente quedó expuesto al CO2, por lo que dio unas cuantas bocanadas y se desmayó. Wise continuó rodando por un par de segundos e inmediatamente el operario puso la máscara al mono para reanimarlo. Sólo hubo una toma.

Un gran clásico de la Ciencia-Ficción.

Audio en "El Podcast del Microbio"

Sanchez, M. (2011). Biosafety and Biological Weapons: The Andromeda strain (1971) Journal of Medicine and Movies, 72 (1), 15-20

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.

Audio en "El podcast del microbio"

Intraterrestres (2ª parte)

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

Audio en "El podcast del microbio"
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