La estirpe (bacteriana) de Caín

Caín asesinado a Abel con la quijada de burro. Pintura de Jan van Eyck en el retablo del altar de Gante (1432). Esta misma ilustración ha sido utilizada recientemente en una entrada del blog "Esos pequeños bichitos" pero para ilustrar otro tema relacionado con la microbiología.

Cuenta la Biblia que Caín mató a su hermano Abel porque sentía envidia de él. La tradición dice que el arma del crimen fue una quijada de burro. Bueno, pues parece que entre las bacterias también se da ese tipo de comportamiento fraticida y ahora una colaboración entre dos grupos del CSIC ha permitido dilucidar la estructura tridimensional de una "quijada de burro" molecular.

Ya hemos hablado en varias ocasiones de Streptococcus pneumoniae o neumococo. Es una bacteria patógena que causa enfermedades como otitis, sinusitis, meningitis o la neumonía, la mayor causa de mortalidad infantil con dos millones de muertes al año en todo el mundo. El neumococo es una bacteria Gram positiva. Eso quiere decir que tiene una pared celular con una estructura determinada. Si nos imaginamos que la bacteria es como un edificio, la pared celular estaría hecha como si fuera hormigón armado. El peptidoglicano sería una especie de cemento elástico y los ácidos teicoicos serían como las varillas de acero que lo atraviesan y le dan su fortaleza.

Esquema de la envoltura de una bacteria Gram positiva. La membrana plasmática rodea al citoplasma. Hacia el exterior tenemos el peptidoglicano, una gran macromolécula formada por cadenas de polisacáridos entrecruzadas por medio de puentes peptídicos. Embebido en el peptidoglicano se encuentran los ácidos teicoicos. Los grupos de fosfocolina permiten la unión de las proteínas responsables de la construcción de la pared celular, entre ellas LytC (fuente).

Pero a diferencia de los edificios, las bacterias son seres vivos, por lo que crecen y se reproducen. En el caso del neumococo, este duplica su tamaño y se multiplica por fisión binaria. Es decir, la célula se divide por la mitad dando lugar a dos células hijas idénticas. Eso significa que esa pared celular debe de crecer y en algún momento dado debe de "partirse" de forma tal que de lugar a dos células intactas. Hay un conjunto de proteínas que actúan como "albañiles moleculares" especializados. Unos construyen nueva pared, pero también hay otros "albañiles" que saben como "partir" esa pared durante el proceso de división celular. La autolisina LytC es una proteína que pertenece a ese último grupo de "albañiles". Es una enzima con actividad lisozima, lo que quiere decir que es capaz de destruir el peptidoglicano, pero en una célula normal lo hace de manera controlada.

El proceso de transformación genética de una bacteria es un proceso de transferencia genética horizontal porque sucede entre dos bacterias no relacionadas. En rojo se muestra el DNA foráneo que se introudce en la bacteria. Una vez integrado en el cromosoma mediante un evento recombinativo, esa información genética puede expresarse y ser transmititda a la descendencia, o transmisión genética vertical (fuente).

Hay otra propiedad biológica por la que el neumococo es famoso. Es la bacteria donde se describió por primera vez el fenómeno de la transformación genética. En una población dada, alguna de las células de neumococo se encuentran en lo que se llama "estado de competencia" y que les permite captar DNA foráneo e introducirlo de manera estable en su cromosoma. De esa forma las bacterias pueden adquirir nuevas características ventajosas como por ejemplo, genes de resistencia a antibióticos, o genes que les permitan sintetizar nuevos tipos de cápsula que protejan a la bacteria frente a las células del sistema inmune. Recientemente, se ha descrito que los neumococos que se encuentran en estado de competencia activan un sistema enzimático que está involucrado en la lisis fraticida de aquellos neumococos hermanos que no son competentes. Este mecanismo predador incrementa dramáticamente la eficacia de los fenómenos de transferencia genética horizontal en el neumococo y en otras especies relacionadas.

Estructura tridimensional de la proteína LytC formando un complejo con su ligando, la colina (esferas amarillas), y con su sustrato, el peptidoglicano (modelo de palos). El dominio de color rojo es el sitio catalítico, mientras que los dominios verde y azul son los dominios de unión al sustrato y su ligando.Según los autores, la forma de gancho (o de quijada de burro :-) es inusual y parece explicar porque LytC sólo puede hidrolizar cadenas de peptidoglicano no entrecruzados con puentes peptídicos a otras cadenas de peptidoglicano. Cuando CbpD se une a LytC, esta queda "descontrolada" y comienza a destruir el peptidoglicano sin control, lo que acaba causando la autolisis celular (fuente).

Un componente clave de este proceso fraticida es la enzima murein-hidrolasa CbpD. Esta enzima es liberada en el medio por las células competentes. La enzima CbpD destruye los puentes peptídicos que entrelazan las cadenas de polisacárido y posteriormente activa a las autolisinas LytC y LytA de las células no competentes, provocando su autolisis. De esa forma suceden dos cosas. Una, el DNA de las células no competentes se libera al medio y puede ser captado por las células competentes. En palabras del profesor Hermoso - este fenómeno supone una poderosa vía para la propagación de la resistencia a los antibióticos, pues las bacterias más virulentas reciben información genética y pueden adquirir las resistencias desarrolladas por sus congéneres. Dos, la lisis de las células libera endotoxinas y otros factores de virulencia que puede facilitar la infección del hospedador por parte de las bacterias competentes.

Video explicativo del descubrimiento realizado por los investigadores del CSIC.

La investigación, dirigida por los científicos Juan Antonio Hermoso, del Instituto de Química-Física Rocasolano, y Pedro García, del Centro de Investigaciones Biológicas, ambos en Madrid, ha determinado mediante difracción de rayos X la estructura de la autolisina LytC. Sus resultados se han publicado en la revista Nature Structural Molecular Biology. Al determinar su estructura los autores desvelaron que la activación de dicha proteína provoca una guerra química entre la propia población de neumococos. Este combate fratricida se salda siempre a favor de las bacterias más virulentas que logran, mediante la muerte de sus hermanos, activar mayores procesos inflamatorios en el hospedador potenciando así la infección. Podríamos decir que al final sólo sobreviven aquellas bacterias pertenecientes a la "estirpe de Caín".

"Caín huyendo de la maldición de Jehová", pintado por Fernand-Anne Piestre Cormon en 1880, Musée d'Orsay, Paris..

Links relacionados: Uncovering beauty in proteins to fight the pneumococcal fratricides en el blog Twisted Bacteria

Johnsborg O, Eldholm V, Bjørnstad ML, & Håvarstein LS (2008). A predatory mechanism dramatically increases the efficiency of lateral gene transfer in Streptococcus pneumoniae and related commensal species. Molecular microbiology, 69 (1), 245-53 PMID: 18485065

Pérez-Dorado I, González A, Morales M, Sanles R, Striker W, Vollmer W, Mobashery S, García JL, Martínez-Ripoll M, García P, & Hermoso JA (2010). Insights into pneumococcal fratricide from the crystal structures of the modular killing factor LytC. Nature structural & molecular biology, 17 (5), 576-81 PMID: 20400948

Wolbachia, la bacteria feminista radical

Wolbachia marcada con un fluoróforo rojo en el interior de células del aparato reproductor de Drosophila (fuente: microbewiki).

El entomólogo Donald Windsor definió la actuación de la bacteria Wolbachia con la siguiente frase: Wolbachia mata a los machos, produce la 'inmaculada concepción' y quizás acelera también la especiación.

Wolbachia fue descrita por primera vez en 1924 por los científicos Hertig y Wolbach. La encontraron presente en diversos tejidos, sobre todo en los reproductivos, del mosquito común Culex pipiens, y por eso a la bacteria se la bautizó como Wolbachia pipientis. Aunque era un endoparásito no parecía producir ninguna enfermedad ni nada interesante, así que el descubrimiento se quedó en un nombre más para el catálogo de especies bacterianas.

Veinticinco años después, en la década de los 50, uno de los campos más candentes en la investigación biológica era la genética. Y para ello se utilizaba a la mosca Drosophila melanogaster. Pero también se intentaba utilizar otros insectos entre ellos a los mosquitos del género Culex. Y ahí empezaron a observarse cosas raras. Había ocasiones en que si se cruzaban dos cepas de la misma especie de insecto no se generaba descendencia fértil. La razón era que había una incompatibilidad citoplasmática entre los espermatozoides de una y los óvulos de la otra. Pero nadie entendía el porqué de dicha incompatibilidad.

La respuesta llegó en el año 1971 de la mano de los investigadores Janice Yen y Ralph Barr. La culpable de dicha incompatibilidad era la bacteria Wolbachia. Si se cruzaban mosquitos macho infectados con hembras infectadas se producía descendencia sin problemas. Si se cruzaban mosquitos macho no infectados con hembras infectadas también se producía descendencia. Pero cuando los mosquitos machos infectados se cruzaban con hembras no infectadas, entonces no se producía descendencia. Janice Yen y Ralph Barr trataron a los machos infectados con antibióticos que eliminaban a las Wolbachias, y luego comprobaron que si se producía descendencia al cruzarles con hembras no infectadas.

Comparación de un ovario de mosca Drosophila infectado con Wolbachia marcada esta vez con un fluoróforo verde (foto izquierda) y un ovario no infectado (fuente: Wired).

¿Para qué le sirve a Wolbachia causar la incompatibilidad citoplasmática? Pues para favorecer la reproducción de las hembras infectadas y así conseguir infectar a toda la población de insectos. Wolbachia es capaz de transmitirse verticalmente, desde la madre a las crías. Eso explica porque los mosquitos machos no infectados se reproducían sin problemas con las hembras infectadas: toda su descendencia estará infectada. Y también explica porqué no hay descendencia entre machos infectados y hembras no infectadas. Wolbachia está presente en el depósito de esperma del insecto, pero no en los espermatozoides maduros y mata a los huevos fecundados si estos no provienen de una hembra infectada.

Cuando se supo que Wolbachia era la responsable de la incompatibilidad citoplasmática en los insectos muchos investigadores se interesaron por ella y así se descubrió que era una pariente de las Rickettsias, otro género de bacterias endoparásitas y que está relacionado evolutivamente con las mitocondrias presentes en las células eucariotas.

Pero la historia de Wolbachia no había hecho más que empezar. La incompatibilidad citoplasmática es un fenómeno bastante extendido, no sólo entre los insectos, sino también en gran parte de los otros grupos de artrópodos. Así que los entomólogos y los microbiólogos aunaron esfuerzos para determinar si dicha bacteria era la responsable de esos casos, y se encontraron con que sí, pero que además era también la responsable de otros fenómenos que alteraban la capacidad reproductiva de las poblaciones infectadas, como por ejemplo:


- Matar a los machos infectados, con lo que las poblaciones poco a poco van quedando constituidas exclusivamente por hembras infectadas. Esta bacteria elimina el sexo. Llegados a ese punto las hembras pueden reproducirse mediante partenogénesis. Es el caso de las avispas del género Trichogramma.

- Feminización de los machos. En insectos la determinación sexual viene dada por una determinada producción de hormonas durante el desarrollo. Wolbachia es capaz de alterar esa producción y transforma a los machos en hembras, o en machos estériles.

La infección por Wolbachia puede ser causa de un aislamiento reproductivo entre poblaciones infectadas y no infectadas lo que puede conducir a fenómenos de especiación, es decir, de aparición de nuevas especies. Incluso se ha llegado a describir que Wolbachia puede ofrecer ventajas a su hospedador. En el caso de Drosophila, se ha observado que las moscas infectadas son más resistentes a determinados virus RNA.

Pero lo que más llama la atención es la amplitud de la extensión de las infecciones de Wolbachia entre los artrópodos. Un 16% de los insectos tropicales están infectados y se piensa que el porcentaje a escala mundial es aun mayor. También están infectados otros grupos de artrópodos como las arañas y los isópodos, e incluso se ha descrito en algunos gusanos nematodos.

Entre estos últimos se encuentran diversas especies de filarias, los nematodos parásitos que causan la oncocerquiasis o ceguera de río, la elefantiasis o la dirofilariasis canina (el gusano del corazón en los perros). Y parece que Wolbachia tiene algo que ver con la patogenicidad causada por dichos parásitos. Al parecer el sistema inmune reacciona contra las Wolbachias presentes en los tejidos de esos gusanos. También se ha demostrado que la eliminación de la Wolbachia de las filarias causa su esterilidad o su muerte. Por ello, se han diseñado nuevas estrategias para la cura de las enfermedades producidas por estos nematodos basadas en el uso de antibióticos que maten a la Wolbachia en lugar de usar medicamentos anti-nematodos, ya que estos últimos son más tóxicos.

Link relacionado: "Manteniendo verdes las hojas en otoño "

Werren, J., Baldo, L., & Clark, M. (2008). Wolbachia: master manipulators of invertebrate biology Nature Reviews Microbiology, 6 (10), 741-751 DOI: 10.1038/nrmicro1969

Microbiología de la Infección Nosocomial

Pseudomonas aeuroginosa, uno de los microorganismos exógenos que más infecciones causa en el ambito hospitalario

Hoy se ha impartido la charla: “Microbiología en el control de la infección asociada a los cuidados sanitarios” a cargo de la Dra. Paloma García Hierro del Hospital Universitario de Getafe, dentro de los seminarios de la asignatura de Microbiología en la licenciatura de Medicina organizados por la Dra. Francisca Colom. Paso a hacer un pequeño resumen.

En algunas ocasiones, un paciente ingresado en un hospital puede sufrir una infección microbiana. Es lo que se conoce como una infección nosocomial. Para su correcto tratamiento es importante conocer cuál es su origen. Puede ser un microorganismo propio de la microbiota normal o un microorganismo adquirido en el entorno hospitalario.

Como siempre, es mejor prevenir que curar, así que una gran parte de los esfuerzos van dirigidos a intentar evitar la infección. Y aquí surge uno de los primeros problemas. Hay bastante miedo a que el uso masivo de antibióticos de manera preventiva provoque la aparición de resistencias a los mismos, pero si no se utilizan podemos perder al paciente por una infección. Y es que las medidas de precaución frente a la aparición de resistencias no deben de afectar al tratamiento de cada paciente.


El siguiente problema es que cualquier bacteria presente en el ámbito hospitalario es un patógeno potencial, un microorganismo que no está produciendo enfermedad pero podría producirla en determinadas circunstancias. Y esos patógenos potenciales pueden provenir de la microbiota normal del propio paciente, de la microbiota de otras personas, o de los microorganismos presentes en el hospital.

En caso de que un paciente sufra una infección lo primero de todo es aislar e identificar al patógeno responsable. Seguidamente realizar antibiograma interpretado de dicho patógeno. Y posteriormente realizar una serie de muestreos, tanto diagnósticos como de vigilancia. Los primeros nos indicarán como evoluciona la infección en el paciente. Los segundos se toman de otros pacientes, del personal sanitario y del ambiente hospitalario. La vigilancia es importante y en palabras de la Dra. García, hay que hacer algo para detectar, y detectar para hacer algo. La vigilancia nos puede permitir identificar el origen de la infección, una posible dispersión del patógeno a otros pacientes hospitalarios, o la aparición de multirresistencias a los antibióticos. Y una vez determinado podemos tomar medidas correctoras.

Se insistió mucho en las medidas higiénicas como el lavado de manos y la limpieza, así como de la cooperación entre los diferentes servicios hospitalarios y los microbiólogos para el control de las infecciones nosocomiales, sobre todo en el establecimiento de protocolos de toma de muestras (qué, a quién, cuándo, cuánto). Es importante tomar muestras del paciente para determinar la microbiota residente, y asimismo aplicar una profilaxis antibiótica para bajar la carga microbiana del paciente y de esa forma evitar que miembros de esa microbiota sean la causa de la infección.

Pero la profilaxis antibiótica no debe destruir por completo la microbiota residente del paciente, porque eso puede causar otros problemas. Hay que recordar que la microbiota residente cumple un papel esencial en prevenir las infecciones por patógenos. Aquí en el blog hemos hablado de las infecciones con Clostridium difficile tras el tratamiento con antibióticos. Es por ello que se realiza una descontaminación selectiva intestinal para eliminar patógenos potenciales sobre todo microorganismos aerobios, y procurando no alterar a las poblaciones de anaerobios (Bacteroides, Lactobacillus, Bifidobacterium, ...)

Y es que nuestra microbiota nunca nos debe dejar solos.



García-Hierro P, de la Cal MA, van Saene HK, & Silvestri L (2009). [A new clinical trial with selective digestive decontamination] Medicina intensiva / Sociedad Espanola de Medicina Intensiva y Unidades Coronarias, 33 (6), 297-300 PMID: 19811972

Que no te vacile el bacilo

ACTUALIZACION. Según la EFSA, y la JAMA, el zumo de arándanos no previene ni parece servir para tratar las infecciones urinarias.

En el blog no aparece publicidad ya que es un blog docente, pero creo que merece la pena hacer una excepción con este video.

La cistitis provocada por la infección de Escherichia coli es mucho más frecuente en mujeres que en hombres, sobre todo debido a razones anatómicas. Si la bacteria intestinal consigue llegar a la vejiga urinaria, puede colonizarla y desencadenar una respuesta inflamatoria. Los síntomas que causa son entre otros: molestias, hinchazón y poliuria. El tratamiento consiste en la administración de antibióticos. El mayor riesgo de este tipo de infecciones es que alcance los riñones.

Se ha comprobado que el tomar zumo de frutas acidifica la orina y alivia los síntomas. En cuanto al extracto de arándanos que se anuncia en el video, esa fruta contiene antocianinos, manosa y taninos que inhiben a E. coli, por lo que puede prevenir la colonización o puede ayudar a su eliminación durante el tratamiento con antibióticos.

Bailey, D., Dalton, C., Joseph Daugherty, F., & Tempesta, M. (2007). Can a concentrated cranberry extract prevent recurrent urinary tract infections in women? A pilot study Phytomedicine, 14 (4), 237-241 DOI: 10.1016/j.phymed.2007.01.004

Extrayendo electrones "verdes" con nanotecnología

Estructura celular del alga eucariota Chlamydomonas reinhardii. La mayor parte de su ciclo de vida es en fase haploide. Contiene un gran cloroplasto y posee dos flagelos. Es uno de los microorganismos más usados en biotecnología por el hecho de que es posible manipular genéticamente tanto sus cromosomas nucleares como los cromosomas del cloroplasto y de las mitocondrias. (Fuente: Metamicrobe )

Durante la fotosíntesis, la energía de la luz absorbida por los centros de reacción fotosintéticos es aprovechada para romper la molécula de agua (H2O) y generar así oxígeno (O2), protones (H⁺), un gradiente de pH a través de la membrana fotosintética, y electrones de alta energía (e^-). La energía acumulada en el gradiente de pH y en los electrones es aprovechada por la célula para reducir el carbono inorgánico (CO2) y así producir azúcares y polisacáridos como el almidón. Esos polisacáridos pueden ser recolectados y ser la fuente de numerosas fuentes de bioenergía como por ejemplo: lípidos, alcoholes, hidrógeno. Sin embargo sólo una pequeña fracción de la energía solar que es absorbida durante la fotosíntesis (un 27 %) puede ser convertida en polisacáridos. La transformación posterior de estos en productos que puedan ser explotados comercialmente hace que la cantidad de energía realmente aprovechada sea tan sólo un 6 %.

Diseño experimental. En la figura de la izquierda se representa una célula de Chlamydomonas reinhardii con el nanoelectrodo insertado en su cloroplasto. A la derecha se muestran los dos posibles escenarios donde el nanoelectrodo captura a los electrones de alta energía producidos por la fotosíntesis. (Fuente: Ryu et al. )

Científicos de la Universidad de Stanford han conseguido manipular el proceso de fotosíntesis en algas unicelulares del género Chlamydomonas reinhardii, con el objetivo de generar bioelectricidad mediante la extracción de los electrones directamente del transporte de electrones fotosintético (en inglés PET) antes de que estos sean usados para fijar el CO2 convirtiéndolo en azúcares y polisacáridos. De esa forma esperan aprovechar sustancialmente la energía del proceso fotosintético. Sus resultados han sido publicados en la revista Nano Letters.

En primer lugar han utilizando un sistema de canal de microfluidos donde las células del alga son inmovilizadas en una micro-trampa mediante un flujo capilar. Una vez inmovilizadas se les inserta un nanoelectrodo de oro conectado a un sistema de Microscopía de Fuerza Atómica (AFM). La inserción del nanoelectrodo en el cloroplasto permite la extracción directa de los electrones de la fotosíntesis mientras el alga esté viva.

Inmovilización de Chlamydomonas reinhardii en una microtrampa. Arriba se representa el sistema experimental con los tres componentes principales: el nanoelectrodo acoplado a un Microscopio de fuerza atómica (Nano-EC/AFM electrode), el capilar y la microtrampa donde es atrapada la célula y un microscopio confocal que permite la visualización de la célula y la punta del nanoelectrodo (fotografía pequeña). La microfotografía inferior izquierda muestran varias células redondas atrapadas en las microtrampas (estructura triangular) de diversos capilares listas para ser usadas. En la microfotografía inferior derecha se muestra a una célula con el nanoelectrodo insertado (Fuente: Modificado a partir de Ryu et al. )

Cada célula puede llegar a producir un picoamperio (10^-12 A) cuando se alcanzan intensidades de luz de 100 mmol fotones s^-2 m^-1. Es una cantidad de electricidad tan pequeña que hacen falta un billón de células (10¹²) fotosintetizando durante una hora para generar una cantidad de energía semejante a la almacenada en una pila pequeña de 1’5 V. Este procedimiento consigue captar un 20% de la energía que se consigue captar mediante la fotosíntesis y dentro del campo de los biocombustibles, puede ser el primer paso hacia la generación de bioelectricidad en un proceso con una alta eficiencia y sin que se produzca CO2. Los autores reconocen que el desarrollo de esta tecnología necesitará el desarrollo e investigación en diversos campos, como por ejemplo el desarrollo de especímenes biológicos más resistentes al procedimiento (el alga sólo sobrevive una hora), diseñar nuevos electrodos que permitan una mejor captura de los electrones y sobre todo, escalarlo para que pueda ser económicamente rentable. Está claro que aún queda mucho por hacer.

La gráfica de la izquierda muestra la corriente electrica producida tras iluminar a una célula de Chlamydomonas. La figura de la derecha muestra la relación lineal entre la intensidad de la corriente eléctrica y la intensidad de la luz en el rango de 4−108 μmol foton m⁻² s⁻¹. (Fuente: Modificado a partir de Ryu et al. )

Esta entrada participa en el 6º Carnaval de la Física

Ryu, W., Bai, S., Park, J., Huang, Z., Moseley, J., Fabian, T., Fasching, R., Grossman, A., & Prinz, F. (2010). Direct Extraction of Photosynthetic Electrons from Single Algal Cells by Nanoprobing System Nano Letters, 10 (4), 1137-1143 DOI: 10.1021/nl903141j

El verdadero Diseño Inteligente explicado en un cómic

En el blog "Twisted Bacteria" de César Sánchez he encontrado esta maravillosa tira cómica que en mi opinión, es una de los mejores argumentos a favor de la teoría evolutiva y de lo que significa realmente "Diseño Inteligente". Espero que mi traducción le haga justicia pero por si acaso aquí está el link a la entrada original.

Esta tira cómica de Garry Trudeau fue publicada en el año 2006. Un doctor ofrece a su paciente que sufre tuberculosis dos opciones en su tratamiento con antibióticos. La elección es debida a las creencias religiosas del paciente. Esperemos que el paciente eliga sabiamente, por su propio interés y por el reto de la gente que de otra manera podría ser infectada por la bacteria de la tuberculosis.

Curiosamente, el dibujante Garry Trudeau es el bisnieto del Dr. Edward Trudeau, que en 1884 fundó el Sanatorio Adirondack Cottagge para el tratamiento de la tuberculosis pulmonar, en el lago Saranac, Estado de Nueva York. En aquella época se sabía que los pacientes de tuberculosis se recuperaban realizando "curas de desacanso" en ambientes con aire fresco de montaña y una buena alimentación. Con el tiempo el sanatorio cambió de nombre y fue reorganizado como un centro de investigación biomédica. Hoy se le conoce como el Instituto Trudeau y se dedica a la investigación del sistema inmune y en modos de prevenir enfermedades como la tuberculosis, la gripe, las enfermedades tropicales o el cáncer.

Origen de las imágenes:

- Tira cómica de Garry Trudeau: Author: Garry Trudeau (Doonesbury.com). GoComics.
- Sello: United States Postal Service. Sello diseñado por Howard E. Paine y dibujado por Mark Summers, basado en una footgrafía del Dr. Trudeau suministrada por la American Lung Association. (The Stamp Collecting Round-up). Para más información consultar EurekAlert.

Negra Vida. Un análogo terrestre de la posible vida en Titán

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El lago Pitch. Los puntos negros muestran los lugares de muestreo. A la derecha se ve una burbuja en la superficie de asfalto. La barra de escala representa 5 cm (fuente: Schulze-Makuch et al.)

El lago Pitch está situado en la isla caribeña de Trinidad y Tobago. No es precisamente un destino turístico paradisíaco a menos que trabajes para una compañía petrolífera. Es un lago natural de asfalto caliente con una superficie de 40 hectáreas y que supongo debe de oler a carretera recién asfaltada. De hecho, una gran parte del PIB de Trinidad y Tobago viene de la venta de asfalto.

El terreno circundante al lago está lleno de petróleo caliente. Este va filtrándose hacia la superficie y en el proceso los hidrocarburos se van mezclando con el fango mientras que los componentes más volátiles se evaporan. Lo que queda es una emulsión de asfalto con agua a una temperatura que oscila entre 32 y 56º C y que puede ser aprovechada industrialmente. Pero desde hace tiempo los científicos han observado con interés este lugar. En primer lugar por sus potencialidades como fuente de microorganismos biorremediadores para ser usados en derrames de petróleo. En segundo lugar, porque el lago Pitch es un hábitat saturado de hidrocarburos líquidos, algo muy parecido a lo que podríamos encontrar en Titán, una de las lunas de Saturno.

Los lagos de hidrocarburos de Titán (fuente: wikipedia)

Así que un grupo de científicos ha tomado muestras de dicho lago y tras analizarlas han encontrado microorganismos. En cierto sentido eso ya no sorprende. En el blog hemos comentado otros ecosistemas extremos en los que parecía imposible la vida. Pero estos nuevos microorganismos presentan una propiedad que aunque se había visto antes, no por ello deja de sorprender. Parecen capaces de generar su propia agua al producir sus reacciones metabólicas.

Una de las más importantes limitaciones para la vida es la disponibilidad de agua. Más de dos terceras partes de la composición de un ser vivo es agua. Sin líquido elemento no se podrían llevar a cabo las reacciones bioquímicas, ni disolver o suspender las moléculas. Pero la disponibilidad de agua no sólo depende del contenido de agua del ambiente, sino también de la concentración de solutos que hay en dicha agua. Si hay muchos, "secuestran" las moléculas de agua e impiden que los seres vivos puedan usarla. Por eso la sal es un buen conservante.

El parámetro físico que mide la disponibilidad de agua se denomina actividad del agua (aw) y es la razón entre la presión de vapor de aire en equilibrio con una solución y la presión de vapor a la misma temperatura del agua pura. Sus valores oscilan entre 0 y 1. Cuanto más alto el valor, más disponibilidad de agua. Para hacernos una idea, la sangre tiene una actividad de 0,995, el agua de mar de 0,998, el jamón serrano de 0,85, el bacalao salado de 0,75 y un caramelo de 0,7. La actividad de agua de algunas de las zonas del lago Pitch oscila entre 0,49 y 0,65. El límite anteriormente registrado estaba en 0,61.

Los investigadores han encontrado densidades celulares de hasta 10⁷ células por gramo en algunas de las muestras. El análisis genético y bioquímico muestra que la microbiota está compuesta de bacterias y arqueas capaces de degradar anaeróbicamente los hidrocarburos, utilizar iones metálicos para procesos respiratorios y utilización de rutas metabólicas basadas en la química de un sólo átomo de carbono (rutas C1). La mayor parte del metabolismo de los seres vivos se basa en rutas C2.

Comparación de la biodiversidad de las microbiotas de diferentes lugares donde abundan los hidrocarburos. Las barras indican la presencia de una determinada especie. La intensidad del color da idea de su abundancia. Las muestras recogidas en el lago Pitch están en el interior del recuadro grisaceo de la izquierda. La principal diferencia es la gran abundancia de especies pertenecientes a los Thermoplasmatales (fuente: Schulze-Makuch et al.)

Dentro del Dominio Archaea han encontrado nuevos miembros del grupo de las Arqueas Anaerobias Oxidadoras del Metano (ANME), metanógenos y respiradores del metal del orden Thermoplasmatales. En el Dominio Bacteria se han encontrado a representantes de los quimiolitotrofos reductores del sulfato del orden Thiotrichales y representantes de los Campylobacteriales, así como bacterias conocidas por su capacidad degradadora de hidrocarburos de los órdenes Pseudomonadales, Oceanoespirillales y Bhurkolderiales. La microbiota encontrada presenta algunos parecidos con los de otras microbiotas caracterizadas en lugares como fuentes volcánicas o yacimientos mineros, pero también presenta características exclusivas.

Microfotografía electrónica de una arquea del género Thermoplasma. Este tipo de microorganismo no tiene pared celular y por eso tiene esa forma irregular (fuente: MicrobeWiki)

Las condiciones del algo Pitch pueden ser un análogo de los lagos de hidrocarburos que se descubrieron en Titán. El hecho de que haya lluvia de metano en esa luna abre la posibilidad de que exista un ciclo del metano similar a nuestro ciclo del agua. Quién sabe, a lo mejor la próxima misión planeada para el 2030 nos puede dar sorpresas.

Grant, W. (2004). Life at low water activity Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 359 (1448), 1249-1267 DOI: 10.1098/rstb.2004.1502
Kreuzer-Martin, H. (2005). Oxygen isotopes indicate most intracellular water in log-phase Escherichia coli is derived from metabolism Proceedings of the National Academy of Sciences, 102 (48), 17337-17341 DOI: 10.1073/pnas.0506531102
Dirk Schulze-Makuch, Shirin Haque, Marina Resendes de Sousa Antonio, Denzil Ali, Riad Hosein, Young C. Song, Jinshu Yang, Elena Zaikova, Denise M. Beckles, Edward Guinan, Harry J. Lehto, & Steven J. Hallam (2010). Microbial Life in a Liquid Asphalt Desert arXiv arXiv: 1004.2047v1

La evolución de un patógeno

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Microfotografía del patógeno Clostridium difficile (fuente: Microbiology Bytes)

Ya hemos hablado en otra ocasión de Clostridium difficile, una bacteria patógena Gram-positiva anaerobia y formadora de esporas. Esta bacteria puede adquirirse por alimentos contaminados o encontrarse en nuestros intestinos como un residente más, aunque afortunadamente en bajos números gracias al efecto competitivo de las diversas especies que conforman nuestra microbiota intestinal, con lo cual no causa problemas.

Pero hay ocasiones en que C. difficile se convierte en un grave problema. Por ejemplo, si tras el uso de una terapia antibiótica se alteran las poblaciones de la microbiota intestinal. Esto puede permitir que C. difficile pueda colonizar el tracto intestinal provocando un cuadro de diarrea severa debido a las toxinas que produce. Como las esporas de la bacteria resisten el tratamiento con antibióticos, es muy difícil de tratar dicha infección.

C. difficile fue reconocido oficialmente como un patógeno en los años 80. Desde entonces se han ido caracterizando genéticamente a distintas cepas, sobre todo mediante la técnica del ribotipado. Es decir, el análisis de los genes que codifican para los distintos RNA ribosomales para establecer las diversas relaciones evolutivas entre distintos brotes epidémicos. De esa forma se estableció la existencia de cuatro clados o linajes principales, entre ellos uno hipervirulento.

En el año 2003 hubo un brote en Canadá producido por una cepa hipervirulenta que presentaba un ribotipo denominado 027. Hasta ese momento esa cepa era bastante rara, pero desde entonces se ha ido extendiendo por todo el mundo y ahora es la responsable del 50% de los casos caracterizados en los hospitales de Norteamérica y del Reino Unido. La epidemiología de C. difficile está evolucionando muy rápidamente y aun no se conoce el porqué.

Un reciente artículo de un grupo investigador del Welcome Trust Sanger Institute describe la completa caracterización del genoma de treinta aislados de C. difficile. Ocho aislados representando a los cuatro clados principales para estudiar la macroevolución de la especie y ventiún aislados del clado hipervirulento para estudiar la microevolución. Y lo que se ha encontrado es que el genoma de C. difficile ha tomado forma debido a eventos de transferencia genética horizontal y recombinación a gran escala que han afectado a lo que podríamos llamar el núcleo central de genes de esta bacteria (en inglés Core genes). Estos eventos evolutivos han tenido lugar tanto a escalas de tiempo cortas como largas.

Árboles filogenéticos de C. difficile basados en la secuenciación de los genomas completos de los diferentes aislados. Las flechas y los círculos vacíos indican inserciones y deleciones genéticas. Las islas genómicas que presentan resistencias a antibióticos están marcadas con asteriscos. El árbol A representa la filogenia de los clados principales. Los cuatro clados determinados anteriormente por la técnica del ribotipado ahora son cinco. Las cepas hipervirulentas del ripotipo 027 están dentro de la rama anaranjada. El árbol B representa la filogenia dentro de la rama 027 lo que nos da idea de la microevolución de dicho grupo. Los nombres de las cepas están coloreados para indicar su lugar de origen (azul-Estados Unidos, rojo-Gran Bretaña, verde – Francia). Fuente: He et al. 2010.

El análisis filogenético ha demostrado que C. difficile es una especie con una gran diversidad genética y cuyos linajes han evolucionado entre los últimos 1'1 - 85 millones de años. Pero la patogenicidad se encuentra en unos determinados linajes y que dicha propiedad ha surgido independientemente en cada uno de ellos.

Los resultados sugieren que la presión selectiva ha dado forma al núcleo central genómico de C. difficile, y que los efectos ambientales y genéticos son los responsables de su reciente expansión como un patógeno. El estudio también abre nuevas vías para el desarrollo de herramientas epidemiológicas para estudiar las rutas de transmisión de esta bacteria y para el diseño de terapias más efectivas.

He, M., Sebaihia, M., Lawley, T., Stabler, R., Dawson, L., Martin, M., Holt, K., Seth-Smith, H., Quail, M., Rance, R., Brooks, K., Churcher, C., Harris, D., Bentley, S., Burrows, C., Clark, L., Corton, C., Murray, V., Rose, G., Thurston, S., van Tonder, A., Walker, D., Wren, B., Dougan, G., & Parkhill, J. (2010). Evolutionary dynamics of Clostridium difficile over short and long time scales Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.0914322107

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Animales anaerobios

Spinoloricus, una nueva especie animal que vive en completa anaerobiosis. El especimen está teñido con rosa bengala y la barra de escala es de 50 micras (fuente Danovaro et al.)

Por primera vez se han encontrado animales pluricelulares con metabolismo anaeróbico estricto. Y además ha sido aquí al lado, en el fondo del Mediterráneo.

La característica principal de los seres vivos anaeróbicos es que no requieren oxígeno para su metabolismo. Esto es algo bastante común en el mundo microbiano sin importar que sean seres procariotas o eucariotas. Hay algunos que son anaerobios obligados como los miembros del género Clostridium. Otros, como nuestra vieja amiga Escherichia coli o la levadura Sacharomyces cereviseae, son anaerobios facultativos. Es decir, si hay oxígeno lo aprovechan, y si no lo hay, pues no pasa nada pues se ponen a fermentar.

Microfotografía electrónica de Spinoloricus en el que puede observarse su caparazón segmentado (fuente Danovaro et al.)

Pero el grupo liderado por Roberto Danovaro de la Universidad Politécnica de Marche han encontrado en una zona al sur de Grecia, tres especies de Loriciferos que realizan todo su ciclo biológico sin necesidad de oxígeno. Estos animales de tamaño inferior al milímetro, son habitantes comunes de los sedimentos marinos. Su nombre es debido a que tienen un exoesqueleto que actua como una coraza (lorica en latín). Los investigadores han observado que en sus células no hay mitocondrias, los orgánulos celulares encargados de usar el oxígeno. En su lugar, han encontrado hidrogenosomas, un tipo de orgánulo descrito en protozoos y hongos. También han encontrado unos orgánulos que podrían ser un posible endosimbionte procariota. El hallazgo ha sido publicado en la revista BMC Biology.

Síntesis del ATP en el interior de un hidrogenosoma (fuente)

Microfotografía electrónica del interior de una célula de Spinoloricus en el se observan orgánulos que podrína ser Hidrogenosomas (H) y un posible endosimbionte (P) de función desconocida. La barra es de 0,2 micras (fuente Danovaro et al.)

El hallazgo tiene bastante interés evolutivo. El hábitat de estos animales microscópicos es muy parecido al que había en los océanos de hace 600 millones de años, cuando los niveles de oxígeno del planeta aún no eran tan elevados debido a la acción de la cianobacterias. Es decir, justo antes de la llamada Explosión Cámbrica, cuando aparecieron los principales grupos de seres vivos pluricelulares. Como hay especies de Loficíferos aerobias la siguiente pregunta a responder es si estos animales tuvieron mitocondrias y las han perdido durante su evolución o si por el contrario, existieron como animales anaerobios que posteriormente se adapataron a las condiciones aeróbicas.

Está claro que los fondos marinos aún tienen que depararnos muchas sorpresas

Danovaro, R., Dell'Anno, A., Pusceddu, A., Gambi, C., Heiner, I., & Kristensen, R. (2010). The first metazoa living in permanently anoxic conditions BMC Biology, 8 (1) DOI: 10.1186/1741-7007-8-30

La bacteria de los milagros

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El milagro de la misa de Bolsena pintado por Rafael (fuente).

En el año 1263 se celebró una misa en la iglesia de Santa Cristina, en la ciudad italiana de Bolsena. La celebración la dirigía un párroco alemán. Este párroco tenía dudas sobre la doctrina de la transubstanciación. Es decir, en la transformación del vino y el pan en la sangre y el cuerpo de Cristo. Cuando llegó el momento de la eucaristía tomo una de las hostias y está comenzó a sangrar manchando el mantel del altar y las vestimentas del sacerdote. Podemos imaginarnos al asombrado párroco postrado de hinojos y rogando la absolución por su falta de fe. Un año después el papa Urbano IV instituyó la celebración del Corpus Christi y promovió la edificación de la catedral de Orvieto donde se depositaron las ropas manchadas de sangre, ropas que aún se conservan. Posteriormente el pintor Rafael realizó un fresco conmemorando del milagro.

Molécula de prodigiosina (fuente).

Y lo cierto es que el sacerdote y los feligreses asistentes habían contemplado una transubstanciación, pero no la que ellos creían. Muy probablemente lo que habían contemplado era la transformación del almidón de las hostias en un pigmento rojo gracias a la bacteria Serratia marcescens. Dicho pigmento recibe el adecuado nombre de prodigiosina.

Serratia marcescens es una bacteria Gram negativa perteneciente al grupo de las gamma proteobacterias. El mismo grupo al que pertenece Escherichia coli. Es capaz de crecer en un amplio rango de temperaturas, entre los 5 y los 40 grados. Además es bastante ubicua. La podemos encontrar en cualquier lugar donde haya humedad, oscuridad e hidratos de carbono para alimentarse. No es de extrañar que se la suela aislar en las juntas de las baldosas de los cuartos de baño o de las cocinas.

Placa Petri con colonias de Serratia marcescens (fuente).

Cuando Serratia crece forma unas colonias pigmentadas de color rosa, pero si hay exceso de alimento, entonces sus colonias se tornan de color rojo sangre debido a la producción y acumulación del pigmento prodigiosina. ¿Para qué le sirve a la bacteria? Pues como una especie de arma química para eliminar a los microorganismos competidores o a posibles depredadores. Se ha demostrado que la prodigiosina es un potente antibiótico y que no sólo afecta a las bacterias, sino también a los eucariotas. De hecho se están estudiando sus posibles aplicaciones como medicamento antitumoral ya que induce apoptosis en las células cancerosas, o como fármaco inmunosupresor en los procesos de trasplante de órganos.

Corporal de la Catedral de Orvieto donde se conservan las ropas manchadas de "sangre" (fuente).

Volviendo al milagro de Bolsena. Las hostias son pan sin fermentar que se almacena en el sagrario de las iglesias, un lugar oscuro y húmedo. Por lo que no es difícil imaginar a Serratia marcescens creciendo en esas condiciones tan buenas y produciendo prodigiosina. Así que lo único que queda por hacer para demostrar esa hipótesis y explicar el supuesto milagro es tomar las ropas manchadas de “sangre” que están presentes en la catedral de Orvieto y analizarlas mediante PCR para ver si se consiguen identificar genes de esa bacteria. Desafortunadamente la Iglesia no lo ha permitido, por ahora.

Bennett JW, & Bentley R (2000). Seeing red: the story of prodigiosin. Advances in applied microbiology, 47, 1-32 PMID: 12876793

Así se construyeron las Pirámides

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Al menos a escala nanotecnológica. El grupo de Nanotecnología Robótica de la Escuela Politécnica de Montreal, liderado por el profesor Sylvain Martel ha conseguido micromanipular un enjambre de bacterias magnetotácticas para que construyan una diminuta pirámide.

En el vídeo podemos ver a un enjambre de unas 5.000 bacterias trabajando cooperativamente para transportar bloques de resina epoxy y así elaborar una estructura piramidal en tan sólo 15 minutos.

Las bacterias magnetotácticas, como la especie Magnetospirillum, presentan en su interior un magnetosoma, formado por acúmulos de magnetita que actúan como una brújula. La función de esos pequeños imanes es orientar a la bacteria en el espacio. Pongámonos por un momento en el lugar de Magnetospirillum. Eres una bacteria acuática microaerófila y estás flotando entre dos aguas. Tienes un flagelo que te permite nadar pero ¿a dónde? Si vas hacia la superficie habrá demasiado oxígeno y puedes morir, si vas hacia el fondo quizás no haya suficiente oxígeno, pero es allí donde hay más comida. Lo malo es que tu masa es tan pequeña que la gravedad no tiene efecto sobre ti. ¿Cómo sabes dónde es arriba y dónde es abajo? Pues gracias al campo magnético terrestre. Las líneas de dicho campo van hacia abajo, así que tu pequeña brújula es esencial para tu supervivencia.

Magnetospirillum magneticum. Puede observarse el flagelo en el exterior. En el citoplasma se observa los granulos de magnetita que forman el magnetosoma (fuente)

Si manipulamos el campo magnético mediante un ordenador podemos manipular el movimiento de un enjambre de estas bacterias. Cada una de ellas es capaz de generar una fuerza de 4 picoNewtons. No parece mucho, pero si pones a trabajar de manera coordinada a unas cuantas de ellas puedes obtener la fuerza suficiente para mover... micromontañas.

Martel cree que es más efectivo manipular a las bacterias para que hagan de nanorobots en vez de construir exclusivamente a estos últimos. Incluso se podrán combinar ambas tecnologías y construir un microrobot bacteriano autónomo. Uno de sus proyectos es crear un chip conteniendo componentes electrónicos y bacterias. Las bacterias estarían encapsuladas y serían el motor del microrobot. Cada cápsula tendría unos pequeños conductores que generarían el campo magnético que controlaría a la bacteria.

Imágenes microscópicas de bacterias magnetotácticas (MTB) que han sido dirigidas a través de los vasos sanguíneos hasta la región interna de un tumor (fuente)

Una de las muchas utilidades que podría resultar de manipular de esa forma a los microorganismos es que pueden ser usados como unos nanorobots que podrían transportar medicamentos hasta el interior de un tumor. De hecho ya han podido dirigir su movimiento en el interior de la corriente sanguínea de una rata en algo muy parecido a lo que se ve en las películas "Viaje fantástico" o "El chip prodigioso".

Martel, S., Felfoul, O., Mathieu, J., Chanu, A., Tamaz, S., Mohammadi, M., Mankiewicz, M., & Tabatabaei, N. (2009). MRI-based Medical Nanorobotic Platform for the Control of Magnetic Nanoparticles and Flagellated Bacteria for Target Interventions in Human Capillaries The International Journal of Robotics Research, 28 (9), 1169-1182 DOI: 10.1177/0278364908104855

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Por un clavo se perdió una herradura, por una herradura...

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Estructura tridimensional de la enzima Glucocerebrosidasa (Cerezyme) unida a su sustrato coloreado en verde (fuente)

Es probable que algún ingeniero de planta de la compañía Genzyme esté acordándose de ese famoso estribillo. Recientemente ha saltado una noticia en algunos medios sobre la contaminación de unos viales de medicamento Cerezyme para el tratamiento de la enfermedad de Gaucher. En la noticia se indica que no es la primera vez que Genzyme ha sufrido el mismo tipo de problema. Si bien es cierto que en ambos casos se trata de una "contaminación" también hay que decir que se trata de dos sucesos distintos.

Viales del medicamento Cerezyme (fuente)

En este último incidente lo que ha ocurrido es que los viales han sufrido una contaminación de tipo químico. Al parecer se ha producido la descomposición de uno de los tubos de silicona por donde se dispensa el medicamento y los viales han acabado con trazas de ácido 2,4 diclorobenzoico. La compañía ha anunciado que esa contaminación no pondrá en peligro la vida de los pacientes, pero han tenido que parar la producción y sustituir los dispensadores de silicona por tubos de platino. Además, la FDA ha tomado cartas en el asunto y parece ser que va a sancionar a la compañía.

Estructura tridimensional de la alfa-Galactosidasa, la enzima del medicamento Fabrazyme (fuente)

El caso anterior sucedió en sus instalaciones de Allston Landing en Massachusset y la contaminación fue de tipo microbiológico. Fue mucho más grave porque la planta tuvo que ser cerrada durante 6 semanas lo que provocó una carencia de Cerezyme y Fabrazyme, dos de los medicamentos que comercializaba la empresa. Las pérdidas económicas fueron cuantiosas.

Precio en dólares de un vial de 200 unidades de Cerezyme en diferentes países y en el año 2002 (fuente)

Los medicamentos que produce Genezyme son enzimas purificadas para tratar enfermedades raras. El Cerezyme consiste en la enzima Glucocerebrosidasa, mientras que el Fabrazyme se trata de la enzima alfa-Galactosidasa. Esta última se utiliza para tratar la enfermedad de Fabry. La forma de producirlas industrialmente es relativamente sencilla y se parece mucho a otros procesos de biotecnología industrial. Básicamente consiste en introducir mediante técnicas de ingeniería genética el gen que codifica para la enzima en células de Ovario de Hamster Chino (conocidas por sus siglas en inglés como CHO cells). Estas células transgénicas se crecen después en un biorreactor y posteriormente se purifica la enzima.

Microfotografía de células de Ovario de Hamster Chino (fuente)

La células CHO suelen ser las más adecuadas para la producción de las llamadas enzimas terapéuticas ya que al ser células animales son capaces de expresar y modificar correctamente mediante glicosilaciones a las proteínas de interés ¿Cuál es el problema? Que estamos creciendo células animales, no bacterias o levaduras. Estas células son mucho más exigentes en sus requerimientos nutricionales y ambientales, y además son más lentas en su crecimiento, así que consecuentemente el proceso es mucho más caro. Para complicar más las cosas, la purificación de una enzima es muchísimo más compleja y costosa que la purificación de otros productos biotecnológicos como los antibióticos.

Al parecer uno de los seis biorreactores de los que disponían sufrió una contaminación con un calicivirus (su denominación oficial es Vesivirus 2117 y se identificó por primera vez en 2003) que interfería con el crecimiento de las células CHO. La fuente de la contaminación fue uno de los nutrientes que se añaden en el cultivo durante el crecimiento celular. Inicialmente lo único que pudieron detectar era que el rendimiento de los cultivos había disminuido pero no identificaron el problema. El virus no fue detectado hasta que se probó con un test específico basado en la técnica de la PCR. La compañía se vio obligada a cerrar y realizar un proceso completo de sanitización y fumigación de toda la planta, lo que provocó que hubiera escasez de los medicamentos que comercializaba.

Microfotografía electrónica del Vesivirus 2117 (fuenteOehmig et al.)

Además, Genzyme tuvo que demostrar que el Vesivirus 2117 era incapaz de infectar a las células humanas y para ello realizó ensayos que demostraron que el virus era incapaz de infectarlas. Y aunque en los procesos de purificación de las enzimas terapéuticas hay más de un paso de eliminación de partículas virales mediante cromatografías de adsorción de membrana, la FDA obligó a la compañía a chequear los diferentes lotes de medicamento para comprobar la ausencia del virus en los viales.

Y es que, en cuestión de elaboración de medicamentos, todas las precauciones son pocas.

Links relacionados: Animación del proceso de producción en la empresa Genzyme (en inglés).




Oehmig A, Büttner M, Weiland F, Werz W, Bergemann K, & Pfaff E (2003). Identification of a calicivirus isolate of unknown origin. The Journal of general virology, 84 (Pt 10), 2837-45 PMID: 13679618