Mycoplasma contra Pseudomonas. Una batalla épica.

En el cine la palabra “kaijū” se utiliza para definir a las películas de monstruos japonesas como por ejemplo “Godzilla” (*). Durante mi niñez me tragué unas cuantas de esas películas en los cines de verano. Aún recuerdo alguna de esas tremendas peleas entre los colosales monstruos que se desarrollaban en medio de una ciudad japonesa a la que dejaban completamente arrasada. El género ha ido evolucionando y ahora son los estudios norteamericanos las que producen esas películas, que siguen siendo bastante flojas en cuanto a argumento, pero que supongo que serán bastante entretenidas para los pequeñajos.

(*) La imagen del póster que inicia este artículo ha sido generada usando DALL-E con las siguientes indicaciones: Póster estilo película de Godzilla con una bacteria monstruo y una bacteria robot gigante luchando entre sí.

Si te interesa, puedes seguir leyendo el resto de la entrada en el blog Microbichitos.

Sepias espaciales

A cualquiera que le guste la saga de "La Guerra de las Galaxias" recordará una escena de "El Retorno del Jedi" en la que el almirante al mando de la flota estelar de los rebeldes era una especie de calamar. Bueno, pues ahora la NASA ha mandado a unas cuantas de sus parientes al espacio en el último vuelo de la lanzadera Endeavour, y su misión también será importante. Nada menos que determinar si la falta de gravedad puede afectar al comportamiento de las bacterias simbiontes.

Euprymna scolopes al microscopio electrónico de barrido en falso color(Fuente: New Scientist)

Euprymna scolopes, es una sepia de unos 3 cm de tamaño que vive en las aguas de Hawai. En el mundo de la microbiología es conocida porque suele establecer una simbiosis con la bacteria Vibrio fischeri. La sepia posee en su parte ventral una bolsa que está repleta de dichas bacterias. ¿Y para qué le sirve tenerlas ahí? Pues para generar luz.

Vibrio fischeri al microscopio electrónico, al microscopio de fluorescencia y cultivado en una placa petri (Fuente de las imágenes: PNAS, Microbewiki y Journal of Bacteriology)

Vibrio fischeri es una bacteria bioluminiscente. En su genoma se encuentran unos genes llamados lux que codifican, entre otras cosas, a la enzima luciferasa. Esta enzima es capaz de generar luz mediante una reacción bioquímica. Pero, si observamos a una bacteria bajo el microscopio no veremos una pequeña bombillita nadadora. La emisión de luz requiere que haya una determinada densidad de población bacteriana. Es decir, si hay pocas bacterias, no hay bioluminiscencia. Si hay muchas, entonces comienzan a brillar. Luego Vibrio fischeri es capaz de detectar la densidad de población de sus congéneres. Es lo que se llama en biología, sentido de quorum (o en inglés quorum sensing)

Mecanismo de quorum y bioluminiscencia. Cuando hay pocas bacterias no hay gran cantidad de moléculas inductoras (pentágonos rojos). Cuando hay muchas, hay una gran cantidad de moléculas inductoras que inducirán una gran expresión de los genes lux y por tanto de producción de luz (Fuente: Universidad de Zurich)

La sepia Euprimia scolopes alimenta con azúcares y aminoácidos a las bacterias que contiene su órgano luminiscente para así conseguir una gran densidad celular y poder emitir una potente luz. Si hiciéramos una disección de dicho órgano encontraríamos que no es una simple bolsa. En la parte más interna las paredes de la bolsa están recubiertas de una proteína conocida como reflectina. Y su función precisamente es reflejar la luz. En la parte de la bolsa que da al exterior, lo que hay es unas proteínas que forman una lente. El saco de tinta además está modificado para actuar como una especie de diafragma. De esa forma la sepia puede regular la intensidad del haz de luz que generan las bacterias bioluminiscentes.

Tejidos reflectantes de E. scolopes. Clikear en la imagen para agrandarla (A) Localización de los tejidos reflectivos en una disección ventral (dg, glándula digestiva ; er, reflector ocular; lor, órgano reflector de luz; m, manto) y no reflectivos (el, lentes oculares; g, branquias) En el cuadro pequeño se puede ver al animal adulto emitiendo luz. (B) Microfotografía de la disección del órgano luminoso (pequeña línea naranja de la foto A). El epitelio central (e) está rodeado del reflectante (lor), que a su vez está rodeado de divertículos de la bolsa de tinta (is). El tejido de la lente (lol) está localizado en la superficie ventral del órgano luminoso. (C) Imagen de microscopía electrónica de transmisión del cuadrado naranja en B. Pilas de placas con material reflector (p) entre fibras de tejido conectivo (ct) y gránulos de tinta (ig). (D) Placas de material reflectante magnificadas. En su interior se encuentra la reflectina. (Fuente: Crookes et al.)

Y eso es muy importante para la sepia. Euprimia scolopes es un cazador nocturno. Durante el día se entierra en la arena. Por la noche abandona su escondite y caza pequeñas gambas. Pero con 3 cm de tamaño, la sepia corre el peligro de ser el cazador cazado. Muchos depredadores se colocan en el fondo y cuando observan alguna silueta recortada en el cielo estrellado van a por ella. Pero la sepia tiene un camuflaje infalible. La luz emitida por sus bacterias hace que se parezca a una estrella más.

Cuando llega el día, la sepia vuelve al fondo arenoso a enterrarse. Pero antes de hacerlo expulsa el 95% de las bacterias de su interior. Se piensa que sería muy costoso para la sepia el mantenerlas vivas durante todo el tiempo que no está alimentándose. De esa forma, las bacterias vuelven a crecer en el interior del órgano, aunque también vuelve a recapturar algunas mientras respira el agua de mar. Y las bacterias que han sido liberadas pueden buscar una nueva sepia como hospedador.

Euprymna scolopes enterrándose en la arena(Fuente: Wikipedia)

La simbiosis mutualista entre Vibrio fischeri y Euprimia scolopes no es obligada, pues cada uno de ellos puede vivir sin el otro. Pero ciertamente es muy íntima y por eso es un buen modelo para estudiar el establecimiento de una simbiosis entre un animal y una bacteria. La relación entre ambas comienza desde muy temprano en la vida de la sepia. Nada más nacer las sepias comienzan a interaccionar con todos los microorganismos presentes en el agua de mar. Una de las cosas que hacen es generar una sustancia mucosa alrededor de los poros que dan entrada al órgano bioluminiscente. La síntesis de dicha mucosidad se ve estimulada por el peptidoglicano, el componente esencial de las paredes bacterianas. Ese moco es una primera barrera para las bacterias, pues sólo las que estén flageladas como Vibrio pueden nadar dentro de él y llegar al interior.

Hay otras barreras que impiden que el interior de la sepia sea colonizada. La sepia produce una peroxidasa que utiliza el peróxido de hidrógeno para producir especies reactivas del oxígeno que acaben con las bacterias. Vibrio fischeri evita ese ataque simplemente generando una catalasa que destruye el peróxido de hidrógeno antes de que pueda ser usado por la peroxidasa. Una vez que V, fischeri alcanza el interior del órgano bioluminiscente pierde la flagelación y se agrupa formando un biofilm.

Pues bien, según se cuenta en la revista New Scientist lo que se quiere saber es si la falta de gravedad puede alterar el establecimiento de la simbiosis entre la sepia y la bacteria. Para ello, en el Endeavour se han mandado unas sepias recién nacidas que no han estado en contacto con la bacteria y que serán incubadas con ellas durante 28 horas. Posteriormente las sepias con sus bacterias serán fijadas y se analizará que ha pasado. Se espera que los resultados puedan ayudar a entender o prever posibles problemas en otro tipo de simbiosis mucho más diversas y complejas: las de los seres humanos con su microbiota.

Esta entrada participa en el IV Carnaval de la Biología organizado por BioUnalm, y en el V Carnaval de la Química y el XIX Carnaval de la Física organizado por Scientia.

Crookes, W. (2004). Reflectins: The Unusual Proteins of Squid Reflective Tissues Science, 303 (5655), 235-238 DOI: 10.1126/science.1091288

Visick KL (2009). An intricate network of regulators controls biofilm formation and colonization by Vibrio fischeri. Molecular microbiology, 74 (4), 782-9 PMID: 19818022

Matando bacterias con frío (bueno, no tanto)

fuente de la imagen

Uno de los grandes problemas sanitarios es la infección de heridas con bacterias multirresistentes a los antibióticos. Se están buscando tratamiento alternativos, sobre todo procedimientos físicos. En el blog ya hablamos de utilizar rayos láser. Ahora, se está intentando utilizar plasma frío.

Una colaboración ruso-germana ha probado una nueva técnica en un modelo animal en el que a ratas de laboratorio se les infligieron heridas y luego fueron infectadas con las bacterias Pseuodmonas aeuroginosa o Staphylococcus aureus, conocidas por ser bacterias que causan graves problemas hospitalarios. Tras un tratamiento de 10 minutos con un plasma de baja temperatura se pudo llegar a matar a un 90% de bacterias que infectaban las heridas sin dañar a los tejidos animales. El plasma mata a las bacterias incluso aunque formen un biofilm, lo que hace esta técnica mucho más interesante, ya que los biofilms suelen incrementar la resistencia de los patógenos a los antibióticos. El efecto bactericida se debe a que el plasma interfiere con el DNA y las envolturas de la bacteria.

Lampara de plasma (fuente: wikipedia)

El plasma se aplica mediante una especie de soplete que lanza el gas ionizado a una temperatura de unos 35º-40º centígrados. El lector podrá pensar que eso no es precisamente algo "frío". Pero es que en términos físicos, el plasma es un estado de la materia similar a un gas, en el que una porción de sus partículas están ionizadas. Normalmente se requiere una gran cantidad de energía para producirlo, como por ejemplo una descarga eléctrica como la que podemos observar en los rayos. En esos casos se pueden alcanzar temperaturas de hasta 27.000 grados. Lo difícil es producir plasmas a temperatura ambiente y a presión atmosférica.

A la izquierda se puede ver una placa petri de agar-sangre que ha sido tratada con plasma en el centro. Los puntitos con halos claros alrededor son colonias bacterianas que han producido hemólisis. A la derecha se ve una placa control en la que no hay bacterias inoculadas (fuente: Popular Science)

Lo que han hecho los investigadores han es que el plasma contuviera una fracción muy pequeña de partículas ionizadas, de esa forma el calor de los electrones que están supercalentados se distribuye entre las moléculas no ionizadas, lo que convierte al plasma en "frío". Son esos electrones ionizados los que acaban con las bacterias, ya que al parecer las células animales pueden aguantar mejor sus efectos nocivos.

Fuente de la historia: Popular Science

Esta entrada participa en el XIV carnaval de la Física

Svetlana A. Ermolaeva, Alexander F. Varfolomeev, Marina Yu. Chernukha, Dmitry S. Yurov, Mikhail M. Vasiliev, Anastasya A. Kaminskaya, Mikhail M. Moisenovich, Julia M. Romanova, Arcady N. Murashev, Irina I. Selezneva, Tetsuji Shimizu, Elena V. Sysolyatina, Igor A. Shaginyan, Oleg F. Petrov, Evgeny I. Mayevsky, Vladimir E. Fortov, Gregor E. Morfill, Boris S. Naroditsky, & Alexander L. Gintsburg (2011). Bactericidal effects of nonthermal argon plasma in vitro, in biofilms and in the animal model of infected wound Journal of Medical Microbiology

¿Es el ser humano más inteligente que un microbio?

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La verdad es que viendo a algunos políticos que nos gobiernan uno diría que no. Y si uno se lee un reciente artículo que publica la revista New Scientist, entonces sus sospechas se confirman.

Hay comportamientos desarrollados por algunas especies de microorganismos que parecen "inteligentes". Y eso parece imposible porque los microorganismos no tienen sistemas nerviosos y mucho menos un cerebro. Así que ¿cómo lo hacen? La explicación parece encontrarse nuevamente en los grandes números. Los microorganismos son muy pequeños pero hay muchos. Denys Bray lo ha definido como el Wetware, o que cada célula sería un minúsculo ordenador que recibe información del ambiente (input) y lo procesa de forma que produce un comportamiento como respuesta (output). Las unidades de procesamiento de este minúsculo ordenador serían las proteínas que realizarían operaciones lógicas a la manera de las que realiza un ordenador electrónico. Los inputs ambientales causarían cambios conformacionales, o agregaciones o modificaciones químicas en las proteínas receptoras y estas a su vez transmitirían esos cambios a las proteínas efectoras que harían que la célula se mueva, contraiga o cambie de forma. Eso es bastante sencillo de hacer para una célula, pero cuando hay millones de ellas suceden cosas bastante llamativas. Aquí van unos cuantos ejemplos:

Colonia de Bacillus subtilis

Comunicación

Las bacterias hablan unas con otras gracias a compuestos químicos. En el caso de Bacillus subtilis, si una gran número de bacterias de dicha especie se encuentra en un lugar con poca comida se comienza a liberar una sustancia que viene a decirles a sus congéneres - Hay poca comida, o nos vamos o nos moriremos de hambre. Así que muchas de ellas comienzan a desplazarse hacia otros lugares para buscar comida, o a esporular, con lo que ya no consumen la poca comida que queda. Eso provoca que la morfología de la colonia cambie.

Toma de decisiones

La percepción de quórum (en inglés quorum sensing) es también un producto de la comunicación química entre bacterias. Pero en este caso le sirve a una bacteria para saber cuántas hay de su propia especie a su alrededor. En el caso de la bacteria Vibrio fischeri, cada individuo libera una pequeña cantidad de N-acilhomoserina lactona (AHL) al medio. La AHL es detectada por otras V. fischeri gracias a unos receptores en su membrana externa. Si hay pocas bacterias, la concentración de AHL es baja y los receptores estimulados son pocos. Si hay muchas bacterias habrá una concentración elevada de AHL. Cuando se alcanza una concentración crítica los receptores estimulados en cada bacteria son muchos y estos activan a LuxR, un factor transcripcional que promueva la síntesis de proteínas para producir bioluminiscencia. Resumiendo, si hay pocas están a oscuras, si hay muchas comienzan a brillar.

Construyendo micro-ciudades

En el blog se ha hablado varias veces de la formación de biofilms. Algunos son simples capas formadas por el amontonamiento y cementación de un sólo tipo de microorganismo. Pero otros llegan a ser complejas comunidades microbianas en las que conviven diferentes especies que cooperan para explotar eficientemente los recursos de su medio ambiente y consiguiendo de paso un refugio que le proteja de amenazas externas.

Cambiar para sobrevivir

Una observación bastante peculiar fue el encontrar que las poblaciones de microorganismos pueden acelerar la velocidad de mutación de sus genes en condiciones de estrés. La estrategia es muy arriesgada y puede definirse como una solución de último recurso. Muchas de las nuevas mutaciones que aparecen son perjudiciales y el microorganismo que las porta desaparece. Pero si por azar aparece una nueva habilidad que permite a un microorganismo sobrevivir, ese microorganismo afortunado será el fundador de una nueva población de microorganismos en dichas condiciones. Hay que recalcar que esto no es una "mutación dirigida". Más bien es que cada miembro de la población compra un número de la lotería de la mutación, y sólo el que gana sobrevive.

Orientación

Muchos microorganismos presenta fototropismo, sobre todo los fotosíntéticos. Y todos ellos presentan quimiotaxis, es decir, si hay un compuesto químico que les gusta como un azúcar, los microorganismos se mueven hacia ese compuesto. Si les disgusta, se alejan lo más rápidamente posible. Hay también micoorganismos que son capaces de sentir el campo magnético terrestre para saber dónde está "arriba" y dónde está "abajo", algo realmente útil cuando tu masa es tan pequeña que el campo gravitatorio terrestre casi no te afecta. Incluso hay hongos mucosos que son capaces de orientarse en un laberinto.

Aprender y memorizar

Un reciente artículo de la revista Nature describe un nuevo ejemplo de como Escherichia coli puede predecir cambios medioambientales y adaptarse a ellos. Esta bacteria tiene su hábitat en el intestino humano. Allí vive calentita y con un suministro de comida diario, lo que le permite reproducirse sin muchos problemas. Bueno, pues generalmente cuando los seres humanos comemos nos gusta que nuestra alimentación sea variada. Así que E. coli se ha adaptado a esa diversidad. Y una cosa que ha aprendido es que cuando hay lactosa en el medio también suele haber maltosa. Cuando E. coli se encuentra con una molécula de lactosa no sólo activa la maquinaria bioquímica para catabolizarla. Para ahorrar tiempo también activa la maquinaria bioquímica de catabolismo de la maltosa.

Un grupo de investigadores de las universidades de Tel-Aviv y de Harvard se les ocurrió ver que pasaba cuando a esas E. coli sólo se les ponía lactosa para comer. Ya vimos en una entrada del blog un ejemplo de condicionamiento con poblaciones de E. coli. En este caso lo que se trataba de encontrar era si las poblaciones que estaban condicionadas por el medio ambiente eran capaces de adaptarse a la nueva situación. Y de hecho después de un tiempo alimentándolas solo con lactosa, dejaban de pre-activar los genes para digerir la maltosa.

Resumiendo, los microorganismos son capaces de comunicarse entre sí, saben construir cosas, no se pierden, resuelven problemas, son capaces de cambiar si las circunstancias cambian y además aprenden. Ciertamente son mucho mejores que los políticos.

Audio en "El podcast del microbio"

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El erotismo de las multitudes

O al menos eso es lo que debe de pensar Candida albicans. Esta levadura es el principal patógeno fúngico que afecta a la especie humana. Recientemente se ha celebrado el congreso de la ISHAM y allí se presentaron una serie de trabajos muy interesantes sobre la regulación de la formación de biofilms o biopelículas como parte de la estrategia patogénica de dicha levadura.

En el blog ya se ha hablado antes sobre las ventajas que supone para un microorganismo patógeno el formar un biofilm. Una de ellas es que se adquiere una mayor resistencia a la acción del sistema inmune y de cualquier compuesto microbicida. También evita que los microorganismos sean arrastrados en áreas donde hay un flujo constante como puede ser la boca, el intestino o la vagina, permitiéndose así su colonización. La tercera es que con el biofilm los microorganismos son capaces de crear un microambiente adecuado para su desarrollo y reproducción.

Aunque las levaduras generalmente se multiplican gracias al proceso de reproducción asexual, como la mayor parte de los organismos eucariotas C. albicans también practica el sexo. Pero lo hace de una forma bastante peculiar. Si nos fijamos en las costumbres sexuales de la levadura cervecera Sacharomyces cereviseae encontraremos dos sexos haploides: a y a (*). Estas formas haploides pueden multiplicarse asexualmente. Pero en algunas condiciones, cuando una levadura de sexo a se encuentra con una levadura de sexo a, surge el flechazo en forma de secreción de feromonas, se fusionan y forman una levadura diploide a/a. Esta levadura diploide también puede tener reproducción asexual pero generalmente suele entrar en el proceso de meiosis y tras la formación de un asca volvemos a tener dos levaduras haploides a y dos levaduras haploides a.

Vida íntima de la levadura Sacharomyces cereviseae.

(imagen modificada de un artículo de la revista Investigación y Ciencia de Noviembre de 1981)

Sin embargo Candida albicans tiene un estilo de vida alternativo, que diríamos hoy. Resulta que la mayor parte de las cepas que se encuentran en la naturaleza son del sexo a/a. Pero estas nunca sufren meiosis y además son incapaces de aparearse entre si. En su lugar lo que hacen es sufrir un proceso denominado Homozigosis-MTL (**). Es decir, se generan los sexos a/a y a/a. Pero aún hay otro requisito para que ambos sexos tengan una feliz unión. Las cepas de C.albicans suelen mostrar un fenotipo "blanco". Eso quiere decir que las colonias tienen un aspecto cremoso y blanquecino y que las células provenientes de dichas colonias suelen ser ovaladas. Sin embargo, las células que son capaces de aparearse, además de ser homozigóticas muestran un fenotipo "opaco". Las células son algo más alargadas y tienden a formar hifas y las colonias suelen tener un color grisáceo. Sólo las células "opacas" y homozigóticas son capaces de aparearse entre sí porque son las únicas capaces de generar feromonas que induzcan a la levadura de sexo contrario a formar un tubo de conjugación y así aparearse. Tras la fusión de los tubos viene la fusión de los núcleos, posteriormente la meiosis y volvemos a tener otra vez células a/a. Aunque la historia no acaba aquí.

Células "blancas" y "opacas" al microscopio

Ya se ha indicado más arriba que C. albicans puede generar biofilms. Eso quiere decir que las células de dicha levadura pueden encontrarse o bien como células libres o planctónicas, o bien como células embebidas en el biofilm. El proceso de formación de un biofilm por parte de C. albicans es el siguiente. Primero las células planctónicas se adhieren al sustrato. Simultáneamente las células secretan un polisacárido que además de permitir la adhesión al sustrato, actúa como una sustancia cementante del biofilm facilitando la cohesión celular. Cuando se alcanza una determinada densidad de población, las células de las capas profundas comienzan a generar unas hifas, proyecciones tubulares de las células, que ascienden hacia las capas superiores. Se consigue así una especie de entramado bastante resistente a las fuerzas mecánicas.

Cuando uno se pone a analizar cual es el sexo de las células planctónicas lo que se encuentra es que todas ellas son a/a. No hay ni una sola homozigótica. Las homozigóticas sólo se encuentran dentro de los biofilms, y nunca en gran número. Sólo representan una pequeña fracción de todas lás células que componen el biofilm. Y eso es porque el proceso de homozigosis-MLT sólo se induce si se forma un biofilm. Más sorprendente aún es el hecho de que un porcentaje significativo de las células que desarrollan las hifas son células homozigóticas. Mediante herramientas moleculares se ha encontrado que las hifas de las células homozigóticas muestran un quimiotropismo. En realidad se tratan de tubos de conjugación que van a permitir el apareamiento celular. Los provenientes de células a/a buscan a los a/a y viceversa. Cuando se encuentran, los tubos se fusionan y posteriormente se fusionan los núcleos.

¿Y para qué se ha complicado tanto la vida C. albicans? Pues la verdad es que esa pregunta se la ha hecho más de un investigador. Como se ha indicado más arriba las células "opacas" son capaces de secretar feromonas para atraer a las células del sexo contrario. Eso implica que la célula de sexo contrario debe de tener en su superficie un receptor para dichas feromonas. Lo curioso es que las células "blancas" que forman el biofilm también tienen dichos receptores, lo que significa que estas células también responden a dichas moléculas. Pero lo hacen de una forma muy distinta. Mientras que una célula "opaca" responde a la feromona intentando aparearse con otra célula "opaca" del sexo opuesto, las células "blancas" son inducidas a formar hifas y secretar más polisacarido para engrosar el biofilm. No sólo eso, también favorecen el quimiotropismo de las "opacas" para poder encontrarse. Si por un casual una célula "opaca" se encuentra en el exterior del biofilm no muestra ningún tipo de quimiotropismo. Sólo aquellas que están en el interior intentan aparearse. De esa forma el biofilm ofrece un microambiente mucho más favorable y protector para las células que deben de aparearse. Resumiendo, Candida albicans sufre de oclofilia.

Fotos C, D, E: Quimiotropismo postivio entre dos células opacas que se encuentran en el interior de un biofilm. Los tubos de conjugación se acercan.

Fotos F, G, H: Quimiotropismo negativo entre células opacas que se encuentran en el exterior. Los tubos de conjugación se alejan, salvo en una célula de la foto G.

(*) Estrictamente hablando a los sexos de las levaduras se les denomina Tipo Sexual o en inglés Mating Types.

(**) Las siglas MTL hacen referencia al inglés Mating Type Locus.

Referencias:
Daniels et al. EMBO journal
Soll D. Current Biology

Audio en "El podcast del microbio"

La unión hace la fuerza, y las armas.

Ya hemos comentado en el blog que un biofilm es una comunidad microbiana de células adheridas a una superficie. Una de las ventajas que proporciona es la protección frente a la depredación por protozoos. Hasta ahora se pensaba que esa defensa era estática. Las bacterias que forman el biofilm al estar pegadas las unas a las otras serían como los ladrillos de un muro. Y todo el mundo sabe que es más difícil romper un ladrillo suelto que un ladrillo dentro de un muro.

Pues el grupo liderado por el Dr. Carsten Matz del Centro Helmholtz para la Investigación de las Infecciones ha encontrado algo bastante llamativo en los biofilms marinos. Al parecer estos biofilms son capaces de anular los ataques depredadores de las amebas utilizando "armas químicas". Las amebas son unos protozoos que están especializados en fagocitar a las bacterias que les sirven como alimento. Los investigadores notaron que los biofilms formados por determinadas bacterias no solo eran inmunes a los ataques de las amebas, sino que además estas últimas quedaban paralizadas e incluso morían. En palabras del Dr. Matz, las bacterias no solo habían construido una fortaleza, sino que también eran capaces de contraatacar.

Ameba alimentandose

Para identificar el compuesto responsable de dicho efecto, se analizó más detalladamente los biofilms formados por la γ-proteobacteria, Pseudoalteromonas tunicata una de las especies con mayor actividad antiprotozooaria. Determinaron así que en dichos biofilms se produce la síntesis de un pigmento llamado violaceina que resulta letal para el protozoo. Una prueba más del papel de la violaceina vino dada por experimentos en los cuales se utilizaban biofilms de un mutante de P. tunicata que no sintetizaba violaceina. En esos casos, el biofilm era completamente consumido por los protozoos.

Estructura de la violaceina

Cultivo de Pseudoalteromonas

Otra cosa que han observado es que la producción de violaceína por las bacterias se ve incrementada cuando éstas forman un biofilm en comparación a aquellas que se encuentran nadando en el plancton. El incremento es el triple como mínimo, pero en algunas especies del género Microbulbifer encontraron incrementos de hasta 60 veces mayores.

Quizás lo más llamativo es el mecanismo por el cual la violaceína acaba con el protozoo. Al parecer lo hace desencadenando una respuesta de muerte celular muy parecida a la apoptosis de las células eucariotas de los organismos pluricelulares. En protozoos incubados con violaceína, se observa fragmentación del DNA nuclear e incremento de la actividad caspasa 3. De hecho, la violaceína activa la apoptosis en células de mamífero.

Desde el punto de vista aplicado esto puede tener implicaciones de dos tipos. Por un lado puede explicar el porqué son tan resistentes al ataque de los macrófagos algunos biofilms formados por microorganismos infecciosos. Por otro, los biofilms podrían ser una nueva fuente de producción de nuevos compuestos bioactivos contra distintos patógenos.

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Caparazones y Cólera

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Se considera que la quitina es el segundo biopolímero más abundante del planeta (el primer puesto lo ostenta la celulosa). Este polisacárido está compuesto por N-acetilglucosamina unida por enlaces β-1,4 (GlcNAc para abreviar) y es el componente principal de los caparazones de crustáceos e insectos. Se calcula que los seres vivos producen 100.000.000.000 toneladas al año de este compuesto, la mayor parte de ellos en ambientes acuáticos.

Uno de los fenómenos más curiosos es la asociación existente entre la bacteria Vibrio cholerae y la quitina. Puede sorprender que una bacteria patógena presente tan estrecha relación. Pero si lo pensamos un momento dicha asociación no es tan extraña. V. cholerae es una bacteria acuática y la quitina es el polímero más abundante en dichos ambientes. Esta asociación dota al microorganismo de una serie de ventajas: - disponibilidad de comida, adaptación a gradientes nutricionales, tolerancia al stress y protección frente a depredadores -. Pero la relación va más allá influyendo en la forma de vida de la bacteria tanto dentro como fuera de su hospedador. Se han descrito una serie de propiedades debidas a esta interacción entre la bacteria y su sustrato. Estas propiedades ligadas unas a otras de manera jerárquica, pueden ser detectadas en múltiples niveles desde el celular al medioambiental. Entre ellas se cuentan las respuestas fisiológicas a nivel celular: - quimiotaxis, metabolismo de la quitina, multiplicación celular -, formación de biofilms, ciclos del nitrógeno y del carbono en los ecosistemas acuáticos.

V. cholerae es capaz de colonizar la superficie de los caparazones de los crustáceos y para ello necesita disponer de un tipo de pili que le permita unirse al polisacárido de la quitina. Lo curioso es que este tipo de pili es un factor de virulencia en muchas cepas patógenas de V. cholerae pues también le permite unirse a la manosa presente en el glucocalix de las células del epitelio intestinal de los mamíferos. Se ha observado que V. cholerae presenta quimiotaxia positiva hacia la quitina y que esta molécula induce la producción de las proteínas que forman dicho pili.

Una vez unida a la quitina, V. cholerae la utiliza como fuente de carbono y nitrógeno, es decir, se la come. Pero no lo hace en tal extensión que cause un perjuicio al hospedador. Más bien come lo poco que le sobra al crustáceo. Y aquí viene otra curiosidad. Se ha observado que V. cholerae unido a la quitina entra en estado de competencia. Es decir, es capaz de integrar más facilmente material genético foráneo. Y ahí no acaba la cosa, V. choleare forma un biofilm sobre el caparazón, por lo que sus posibilidades de supervivencia aumentan al ser menos susceptible al ataque de depredadores. Y en esa supervivencia está implicado el hospedador. Un experimento demostró que la viabilidad era mayor en los biofilms de V. cholerae sobre caparazones de copépodos vivos, un miembro del zooplacton, que sobre aquellos que permanecían en copépodos muertos. Finalmente, el hecho de que V. cholerae se coma la quitina evita que este polisacárido se acumule en los fondos oceánicos y tanto su carbono como el nitrógeno que lo componen se incorporen a los ciclos biogeoquímicos.

Copépodo

La siguiente pregunta que uno se plantearía es ¿Qué ventaja obtiene el crustáceo? Aún no está muy clara pero se especula con que la presencia de biofilms de V. cholerae en dichos animales les permite una mejor osmoregulación. Muchos de los crustáceos que mantienen biofilms viven en estuarios o en aguas en las cuales hay cambios de salinidad. Al parecer V. cholerae produciría una serie de proteínas que permitirían aguantar dichos cambios a las células del crustáceo. Sin embargo algunas de dichas proteínas son las famosas enterotoxinas que acaban con las células del epitelio intestinal.

Vibrio cholerae en el epitelio intestinal

¿Y en cuánto a la enfermedad? Por lo dicho arriba está claro que cualquier artrópodo acuático es un posible reservorio de uno de los patógenos humanos más temibles. Y si la distribución geográfica de un copépodo es mundial eso significa que el V. cholerae que va con él también lo es. Se ha calculado que puede haber unas 10.000 V. cholerae por copépodo y bastan 1.000 para producir una infección. Adicionalmente, el hecho de que dichas bacterias estén formando un biofilm las hace mucho más resistentes a la acción de los ácidos estomacales cuando se ingiere agua conteniendo dicho zooplacton.

Resumiendo, pedir la Cangre-Burguer muy hecha la próxima vez que alguien vaya al Krusty Krab.

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Biofilms: ni contigo, ni sin ti.

En el ultimo número de la revista digital PLoS Pathogens aparece un artículo sobre la relación entre la capacidad de formar biofilms o biopelículas y su relación con la patogenicidad de la bacteria Staphylococcus aureus.

Un biofilm es una comunidad microbiana de células adheridas a una superficie en la que las células se mantienen unidas gracias a una matriz extracelular. Pueden ser una simple monocapa de bacterias sobre una superficie a un tapete microbiano tan complejo que podríamos considerarlos auténticas "ciudades microbianas".

Un ejemplo típico de biofilm es el sarro dentario, pero hay muchísimos más. Si una bacteria forma parte de un biofilm obtiene una serie de ventajas: disponibilidad de nutrientes por parte de otras bacterias o por concentración de los mismos en el sustrato, protección frente a la depredación por protozoos, creación de consorcios bacterianos. Pero estas ventajas son mucho más aparentes en el caso de las bacterias patógenas como S. aureus. La formación de un biofilm es la causa de muchas infecciones crónicas pues el patógeno puede resistir los ataques del sistema inmunitario y ser mucho menos sensible a la acción de los desinfectantes o los antibióticos (en una entrada anterior vimos este aspecto). También son la causa de focos de infección cuando se forman sobre materiales e instrumental sanitario como catéteres o filtros.


Pero el biofilm también tiene una "desventaja". Si la bacteria siempre estuviera embebida en la matriz extracelular no podría diseminarse y colonizar otros hábitats, o en el caso de un patógeno, no podría infectar nuevos hospedadores. Esta claro que no ocurre así, luego debe de existir un mecanismo que asegure el "desapego" y las "ganas de independizarse" de algunas bacterias cuando forman parte de un biofilm.

Vibrio cholerae y biofilms

Lo que han encontrado los investigadores B.R. Boles y A. R. Horswill es que en S. aureus, la formación o la liberación de las células de un biofilm está regulado por el sistema agr implicado en el mecanismo de quorum sensing, un mecanismo de autoinducción por el cual las bacterias determinan su densidad poblacional a través de una serie de moléculas sensoras. En S. aureus, cuando el sistema agr es reprimido, las células se adhieren a la superficie y forman un biofilm. Pero cuando el sistema agr es reactivado las células se despegan del biofilm. El "despegue" está producido por la producción de proteasas extracelulares que destruyen la matriz extracelular. Al realizar mutaciones sobre el gen que codifica para una de esas proteasas los investigadores han encontrado que las células no son capaces de despegarse y permanecen adheridas al biofilm.

Biofilm de Staphylococcus aureus

Evidentemente tanto esa proteasa como el sistema agr pueden ser objetivos para el diseño de nuevos fármacos antimicrobianos que consiguiesen destruir o alterar estos biofilms.

De cómo una mala película puede dejarte sordo

Las infecciones de oído son una típica patología infantil. Generalmente las otitis son tratadas con antibióticos y suelen cursar bien, desapareciendo a los pocos días de iniciarse el tratamiento. Sin embargo, de vez en cuando, aparecen casos en los cuales las otitis se vuelven crónicas y los síntomas duran semanas o meses. Se asume que esas otitis son causadas por microorganismos resistentes a los antibióticos y por ello su persistencia. Lo curioso es que generalmente era raro aislar microorganismos potencialmente patógenos, fueran resistentes a los antibióticos o no, de dichas otitis persistentes.

Parece que se ha encontrado la solución al misterio. Un estudio publicado en el Journal of the American Medical Association, y que se recoge en la web de la revista Nature, muestra que un 92% de los casos de otitis crónica en niños está producido por microorganismos que crecen en biopelículas o biofilms.

Los biofilms son una comunidad de diversos microorganismos que crecen sobre una superficie formando una película o film. Esta comunidad microbiana puede estar poco o muy adherida a dicha superficie. Un biofilm que todos conocemos es el molesto sarro dentario. Se sabe que los microorganismos que crecen en biofilms suelen ser bastante resistentes a la acción de agentes microbicidas como los antibióticos. La razón es sencilla, el agente químico solo ataca a las células más expuestas de la superficie y no puede difundir al interior del biofilm. Generalmente los microorganismos que crecen en biofilm no son fáciles de aislar pues suelen requerir metabolitos o condiciones que solo encuentran dentro de dicha comunidad.

Microfotografia mostrando la complejidad de un Biofilm

Esto explica porque en dichas otitis crónicas no era posible aislar microorganismos y la ineficacia del tratamiento con antibióticos. Pero también puede explicar porque el tratamiento de insertar un tubo quirúrgicamente en el oído puede curar dichas otitis persistentes. La inserción del tubo provoca la rotura del biofilm.

En los biofilms que producen la otitis persistente parece haber unas 50 especies bacterianas distintas. Se están empezando a buscar tratamientos alternativos para destruir o prevenir dichos biofilms. La identificación de algunas de las especies del biofilm permitiría buscar antibióticos específicos contra ellas. Otra estrategia que se ha pensado es la de utilizar microorganismos competidores que se estableciesen formando un biofilm que evitaría la formación del biofilm de patógenos, de una manera análoga al uso de microorganismos probióticos para el establecimiento de la flora intestinal.

Evidentemente ahora se está haciendo una búsqueda para ver si hay más patologías crónicas asociadas con el establecimiento de biofilms. Y entre ellas los candidatos son las inflamaciones de próstata y las infecciones pulmonares en pacientes con fibrosis quística.