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