La hipótesis del mono borracho o cómo estar algo achispados nos permitió ser más sociales

 

Una de las modas cinematográficas de los años 70 fueron las «películas de Kung Fu». A la sombra del éxito de Bruce Lee nacieron otras producciones, como la exitosa serie de televisión Kung Fu, donde David Carradine daba vida al «pequeño saltamontes»”, un monje shaolin que viajaba por el salvaje Oeste desfaciendo entuertos. Otro de los actores que comenzó su carrera fue Jackie Chan, que se especializó en hacer «comedias kung-fu», caracterizadas porque las peleas y acrobacias siempre tienen un lado cómico. Una de las primeras fue El mono borracho en el ojo del tigre, titulada así porque Jackie Chan debe aprender un estilo de lucha en el que los movimientos simulan a los que realiza un mono borracho. Gracias a ese extravagante estilo consigue vencer a los malos y llevarse a la chica.

El caso es que un reciente artículo me ha hecho recordar el título de esa película. Y es que resulta que «el mono borracho» es una interesante hipótesis evolutiva que intenta explicar el surgimiento de las interacciones sociales entre los simios. La hipótesis fue propuesta en el año 2000 por Robert Dudley y postula que la atracción humana hacia el etanol se deriva de que nuestros ancestros primates se pirraban por consumir fruta madura y fermentada. De hecho, a los chimpancés y a otros simios todavía les sigue gustando mucho. Se ha descrito que los chimpancés toman unos 4,5 kilos de fruta fermentada al día, lo que equivale a un consumo de alcohol de un tercio de cerveza. El que un alimento tenga algo de alcohol supone alguna ventaja, ya que esa sustancia elimina ciertas bacterias patógenas. También tiene una serie de desventajas, ya que es un tóxico que afecta a las neuronas. Así que esta exposición crónica al alcohol favoreció la aparición de diversas adaptaciones fisiológicas para evitar los efectos indeseables, como por ejemplo que la Alcohol Deshidrogenasa de tipo 4 apareciera en nuestros ancestros de hace unos 10 millones de años.

Artículo completo publicado en la revista Ars Creatio. Clickea en el nombre de la revista para continuar leyendo.

Un gen “robado” a las bacterias nos dio el sentido de la vista

Iris humano

 

¿Conoce el libro El relojero ciego de Richard Dawkins? Quizás no sea tan famoso como su gran éxito El gen egoísta, pero es una buena lectura si le interesa el tema de la evolución de los seres vivos.

En su primera parte, Dawkins se dedica a explicar la solución a uno de los asuntos que más inquietaba a Charles Darwin: el origen evolutivo de algo tan complejo como el ojo a partir de la acumulación progresiva de pequeños cambios heredables. En sus páginas explica cómo los diferentes animales han resuelto de diversas maneras ese problema, desde el órgano de visión del calamar hasta el de los seres humanos.

Un reciente artículo publicado por el grupo de Matthew Daugherty, profesor de la Universidad de California en San Diego, explica el origen evolutivo de uno de esos “pequeños cambios”. Y paradójicamente podría ser definido como un “gran robo”.

Si quieres seguir leyendo, el resto de la historia está publicada aquí.

El (cito)Esqueleto de Loki

Las arqueas asgardianas no son un nuevo grupo de superheroínas de la Marvel. Son un tipo de microorganismos procariotas descubiertos en el año 2015 en unos sedimentos provenientes de la chimenea hidrotermal conocida como “Castillo de Loki” en las profundidades del Océano Ártico. En el mundo de la microbiología y la evolución, las arqueas pertenecientes al superphylum Asgard son famosas porque se piensa que, hace unos 2.000 millones de años, uno de sus antecesores fue el que consiguió establecer una endosimbiosis con una proteobacteria, dando lugar a la primera célula eucariota, de la cual descendemos.

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Los debates científicos y su reflejo en los medios de comunicación

Recreación del famoso debate de Oxford entre el obispo Wilberforce y Thomas Huxley sobre la teoría de la evolución de Charles Darwin

El debate es inherente a la actividad científica, aunque la mayor parte de las veces los debates sobre cuestiones científicas no trascienden al gran público. Cuando eso sucede es porque afecta de alguna manera significativa a las posturas de algún debate social importante. En este trabajo se exponen tres ejemplos de debates científicos que percolaron en la sociedad. El primero es el debate sobre evolución biológica que inicialmente fue visto como una polémica académica más y pasado el tiempo se convirtió en un episodio de los más significativos del debate entre ciencia y religión. El segundo, sobre la seguridad de las vacunas, surgió a raíz de un estudio científico fraudulento que inicialmente fue muy aireado por la prensa sensacionalista. Finalmente, en el tercer ejemplo sobre el uso de las mascarillas como prevención durante la actual pandemia del COVID-19, veremos el papel de las redes sociales y de la divulgación científica en concienciar a la población en las buenas prácticas de salud pública e higiene.

Artículo publicado en el libro "Ciencia y Periodismo. Una es de Marte y otra es de Venus" de acceso libre y gratuito. Para seguir leyendo debrás ir a la página 111 del documento.

Combatir el fuego con el fuego

Si conoce a alguien que no se crea la teoría de la Evolución por Selección Natural de Darwin lo mejor que puede hacer es enseñarle el vídeo de arriba. Muestra como una bacteria como Escherichia coli es capaz de volverse resistente a un antibiótico en tan solo 11 días. En todas las poblaciones siempre hay mutantes. Y si hay una presión de selección en el medio ambiente, los que van a sobrevivir son aquellos que puedan aguantar esa presión. Y si sobrevives te reproduces, así que al final toda la población se vuelve resistente. Si se incrementa la concentración de antibiótico, el proceso puede volver a repetirse y volvemos a acabar con una población resistente.

Proceso que explica la aparición de resistentes que se ve en el vídeo del principio

No es la única forma de evolucionar que tienen las bacterias. En palabras de Ignacio Lopez-Goñi, las bacterias no tienen sexo, pero son muy promiscuas. Los fenómenos de transferencia horizontal (la transformación, la transducción y la conjugación) permiten que las bacterias puedan integrar información genética de otras bacterias. Si esa información genética codifica para un mecanismo de resistencia a los antibióticos, entonces se vuelven resistentes en un solo paso.

Bueno, pues esto es un problema para nosotros, porque estamos compitiendo contra la Selección Natural cuando queremos desarrollar nuevos antibióticos frente a las bacterias patógenas. Es una auténtica carrera de armamentos evolutiva: los humanos desarrollan un antibiótico frente al cual se desarrolla una resistencia, frente a la cual desarrollamos un nuevo antibiótico, frente al cual... etc. Y en este tipo de carrera parece que por ahora vamos perdiendo. ¿Se puede hacer algo para evitar quedarnos sin antibióticos?

Por ahora se han intentado diversos abordajes para intentar paliar dicha situación. Por ejemplo, buscar antibióticos para los cuales sea difícil que aparezca una resistencia. Predecir nuevos blancos moleculares y utilizar el llamado diseño racional de antibióticos. Sin embargo, los éxitos no han sido tantos como se esperaban. Así que todavía nos seguimos estrujando la cabeza para encontrar una solución al problema.

Kristofer Wollein Waldetoft, James Gurney, Joseph Lachance, Paul A. Hoskisson y Sam P. Brown proponen un nuevo abordaje: utilizar el propio proceso de la evolución bacteriana para generar nuevos antibióticos frente a las resistencias a los antibióticos. Para realizarlo proponen un nuevo procedimiento expetimental: el productor del antibiótico debe de competir por los recursos contra la bacteria objetivo en un medio estructurado. En la figura de abajo, el productor es de color y la bacteria objetivo es siempre de color negro. Teóricamente, si se consigue un mutante productor de un compuesto que mate a la bacteria negra, tendrá una ventaja selectiva. Si aparecen mutantes que sean mejores "asesinos" lo que debe pasar es que la densidad de la bacteria negra debe de disminuir en el tiempo. El sistema se debe de poder ajustar para tener mayores niveles de resistencia y así encontrar mejores productores de antibióticos.

Propuesta de diseño experimental para hacer evolucionar a productores de nuevos antibióticos. Más detalles en el texto. Origen de la imagen: Waldetoft et al. 

Los autores proponen un procedimiento y a su vez realizan una previsión de futuros problemas. En primer lugar se necesita usar un microoganisms cultivable y con un genoma que pueda dar lugar a una variación genotípica y fenotípica relevante. Proponen usar sobre todo a miembros de las Actinobacterias, ya que hay precedentes de evolución de producción antibiótica en ese grupo y porque su genoma está lleno de clusters genómicos que codifican para posibles sustancias antimicrobianas. En segundo lugar, el microorganismo objetivo debe de tener un mecanismo de resistencia relevante y debe de interactuar antagónicamente con el productor. Las observaciones podrían verse favorecidas si ese microorganismo pudiese ser marcado con fluorescencia y si tuviese una temperatura máxima de crecimiento inferior a la del microorganismo productor. En tercer lugar se debe de utilizar un medio que permita las interacciones antagónicas entre el productor y el objetivo y que además no permita una fácil difusión de las células. Esto último podría permitir la evolución de la producción de "antibióticos por el bien común" entre diferentes agrupamientos celulares. Además, el soporte material del medio debería licuarse a una temperatura inferior a la temperatura máxima del microorganismo productor y solidificar por debajo de la temperatura del organismo objetivo.

¿Cómo funcionaría el sistema? En cuatro etapas.
1.- Se permitiría que el microorganismo productor se adaptara al medio y las condiciones de crecimiento sin la presencia del microorganismo objetivo
2.- Cocultivar al productor y al microorganismo objetivo. Medir la fluorescencia para determinar el nivel de inhibición en el crecimiento de este último
3.- Calentar o licuar el medio para matar a la bacteria objetivo pero no al productor. Agitar para romper los agrupamientos celulares y así mezclar la población de productores. Una alícuota conteniendo suficientes células del productor se debe de transferir para cocultivar con nueva bacteria objetivo. Se inicia así una nueva ronda de selección y se vuelve a medir de nuevo la fluorescencia.
4.- Si la disminución de fluorescencia es mayor que en la anterior etapa, analizar la población productora para encontrar qué es lo que ha producido esa mayor mortalidad (ejemplo: hiperproducción de una sustancia, nueva sustancia producida, etc.)

Sobre el papel pinta bien, pero pueden encontrarse con diversos problemas. Por ejemplo, que el microorganismo productor no se adapte bien al medio. O que aunque se produzca un antibiótico, se haga en condiciones subóptimas y no pueda ser detectado. O que los diferentes "mutantes" del productor compitan entre sí, antes de que compitan con el microorganismo objetivo. En total hacen referencia a una docena de posibles problemas. Pero algo me dice que más de un grupo de investigación se ha puesto a trabajar y pensar en como llevar a cabo ese diseño experimental o uno parecido. Ya veremos.

Domesticando microbios

Las consecuencias de la domesticación. Origen de la imagen: Finofilipino.

Hace unos 15.000 años los humanos comenzamos a domesticar a una especie de lobo gris (Canis lupus) y la transformamos en perro (Canis familiaris). Es muy probable que hace 23.000 años comenzáramos la proto-domesticación de algunas plantas. La transformación de una especie silvestre en una especie domesticada es algo relativamente sencillo. Lo único que tienes que hacer es controlar la reproducción y escoger las características que más te interesa que se perpetúen en la especie que vayas a domesticar. Si esas características son heredables poco a poco se irán fijando en la población domesticada. Al mismo tiempo, la población silvestre irá disminuyendo. La fijación de las características heredables parece que es mucho más rápida cuando se trata de domesticar animales que en las plantas. Es probable que sea porque el "aislamiento genético" necesario para la especiación es más fácil de conseguir con un animal que con una planta. En 1958 el biólogo ruso Dmitri Beliáyev realizó el llamado "experimento de domesticación del zorro". Lo que hizo fue tomar una población de zorros (Vulpes vulpes) y seleccionó para su cría a aquellos zorros que mostraban más miedo hacia los humanos. Luego volvía repetir la selección con los descendientes. Solo dejaba reproducirse a un 10% de cada generación creando lo que se conoce como "cuello de botella" genético. En la cuarta generación los zorros ya meneaban la cola al ver a un humano. En la sexta generación ya había cachorros que gemían de alegría al ver a un humano y se acercaban a lamer las manos a la manera de un perro doméstico. A lo largo del experimento, que aún continua, 10.500 zorros han sido usados como progenitores y 50.000 cachorros han sido examinados por su carácter domesticable. Los cambios genéticos observados afectan sobre todo a la reducción de los niveles de hormonas como la adrenalina y el cortisol (Actualización. Recientemente este experimento ha sido puesto en entredicho. Más información en este enlace).

Pues bien, los humanos hicimos algo parecido con los microbios, aunque no fuéramos conscientes de ello. Hace unos 15.000 años, en una zona de Oriente Medio (ver mapa) apareció la cultura preneolítica conocida como Natufiense. Hay evidencias que muestran que dicha cultura ya elaboraba pan hace 14.400 años. Ese pan era elaborado a partir de un triturado de diversas gramíneas junto con otros vegetales. Luego ese harina se mezclaba con agua y se elaboraba una masa con la que hacían una especie de tortas que calentaban en un fuego. Desconocemos si en la elaboración de ese pan se dejaba fermentar la masa antes de ser cocida pero, 1000 años después, alguien de la misma cultura que habitaba la cueva israelí de Raqefet, ya había aprendido a germinar los granos de cereal para después tostarlos, molerlos, mezclarlos con agua y dejarlos fermentar. Es decir, alguien había comenzado a elaborar cerveza siendo la primera prueba arqueológica de la domesticación de los microbios.

La cultura Natufiense, el pan y la cerveza. El mapa de la izquierda muestra los principales asentamientos de dicha cultura (origen de la imagen, Wikipedia). En el centro se muestra el hogar donde se han encontrado restos de cocción del pan (excavación de Shubayqa, cerca de Wadi Uwainid. Origen de la imagen, Arranz-Otaegui et al.). A la derecha los morteros hechos con rocas utilizados para almacenar grano y los morteros en roca utilizados para machacar dichos granos y elaborar cerveza (excavación de la cueva de Raqefet, cerca de El Wad. Origen de la imagen, Liu et al.).  

Nuestros antepasados eran antiguos pero no tontos. Si elaboraban cerveza eso implica que conocían que el proceso de fermentación era reproducible. Así que no es difícil imaginar que si les salía una partida de cerveza con un sabor mejor que el de otra partida de cerveza, seguramente utilizarían la primera como inóculo de las siguientes fermentaciones. Pero aquí hay una diferencia con respecto a las plantas o los animales. No podían aislar a un solo microorganismo, lo que aislaban era a un conjunto de ellos. Sin embargo, consiguieron crear un "cuello de botella" ya que lo que seleccionaron eran comunidades microbianas que crecían de manera óptima en el caldo de cultivo consistente en el cereal malteado y cocido en agua. En esas condiciones los microbios que más prosperan son las levaduras, ya que son capaces de crecer en medios con altas concentraciones de azúcar, con poco oxígeno y con presencia de alcohol. Seguramente, los antiguos debieron notar que algunas cervezas les ponían más "contentos" que otras, porque la resistencia al alcohol parece que es uno de los caracteres que fue seleccionado durante este proceso de domesticación.

En el año 2016 el grupo de Kevin J. Verstrepen realizó el primer análisis filogenético de cepas domesticadas de Saccharomyces cerevisiae. Su análisis se vio complementado en el año 2018 por el grupo de Feng Yan Bai, que analizó 106 cepas silvestres y 166 cepas industriales. En ese análisis concluyó que el ancestro común de todas las cepas de S. cerevisiae proviene del Lejano Oriente. En una reciente revisión aparece publicado un árbol filogenético con todas las cepas analizadas hasta el momento. Lo que muestra es que hay dos ramas con levaduras domesticadas: la rama asiática con levaduras especializadas en fermentaciones sobre sustrato sólido, y la rama europea, con levaduras especializadas en las fermentaciones líquidas. Aún no se sabe si las levaduras fueron primero domesticadas en Asia y desde allí se extendieron al resto del mundo, o si por el contrario la domesticación fue realizada de manera independiente en Europa y Asia. ¿Por qué no se sabe? Pues porque precisamente faltan por analizar muestras de cepas de levaduras industriales originarias de zonas del Oriente Medio (no sé si algún grupo lo está llevando a cabo o si esa falta se debe a que no existen. Recordemos que en el Islam las bebidas fermentadas están prohibidas).

Árbol filogenético de la levadura Saccharomyces cerevisiae. La rama verde de la derecha son las cepas silvestres. La rama naranja son las cepas industriales asiáticas, que son usadas sobre todo para hacer pan. La rama roja son los aislados industriales europeos, que se utilizan principalmente en la elaboración de bebidas alcohólicas. Dentro de esa rama hay dos anomalías. El primero son las de cepas silvestres aisladas de la encina (mediterranean oak) que está relacionado con las levaduras del vino. Se piensa que su origen está en un "asilvestramiento" de las levaduras vínicas. El segundo es más extraño. Es el cluster de levaduras usadas en las fermentaciones lácticas en la zona de Mongolia. ¿Las habrá llevado de vuelta un conquistador mongol desde Europa hasta las estepas asiáticas? Confiemos en que futuros análisis despejarán ambos enigmas. Origen de la imagen: Steensels et al. 2019

En esa misma revisión se habla de los diversos procesos biológicos implicados en la domesticación de los microorganismos usados en la industria. Hay cambios genéticos como la pérdida de genes o la decadencia del tamaño del genoma. También se han encontrado hibridaciones interespecíficas (recordemos aquí el origen de la levadura S.pastorianus), transferencias genéticas horizontales, aneuploidía, recombinaciones cromosómicas. Por ejemplo, las levadura vínicas tienen una alta resistencia al cobre, algo lógico si tenemos en cuenta que el sulfatado de las cepas era una práctica habitual en la viticultura. En el caso de las levadura cerveceras se ha encontrado que tienen aumentada su capacidad de metabolizar la maltotriosa y que tienen duplicados los genes MAL, una adaptación para aprovechar eficazmente los azúcares provenientes del almidón de los cereales. En los lactobacilos se ha encontrado que han perdido capacidades para biosintetizar aminoácidos pero a cambio tienen genes para lactasas y proteasas adquiridos por transferencia horizontal. Lo mismo ha ocurrido con los genes para amilasas codificados por el hongo Aspergillus oryzae, utilizado en el procesamiento del arroz para así producir sake. Confío en que gracias a las nuevas técnicas analíticas, tanto en el campo de la arqueología como en el campo de la filogenia molecular, vamos a ir rellenando más y más huecos sobre la relación histórica entre los humanos y los microbios.

Consecuencias de la domesticación de la levadura
Meme generado usando imágenes sin copyright de la Wikipedia

Recientemente, la revista "Trends in Genetics" ha escogido a Saccharomyces cerevisiae como genoma del mes.

Mi agradecimiento a Dani Torregrosa (@DaniEPAP) por sus ánimos para que retomase el blog. Espero ser más constante esta vez.

Hijos de Loki

El superfilo arqueano de Asgard

En la mitología escandinava Loki es el señor del caos. Es astuto y siempre intenta engañar o hacer daño a los otros dioses, aunque sus fechorías generalmente tienen arreglo - por ejemplo, le cortó las trenzas a Sif, la esposa de Thor, pero éste obligó a Loki a que las sustituyera por cabellos de oro trenzados por nibelungos. Pues bien, parece que el dios escandinavo está haciendo de las suyas en el terreno de la taxonomía bacteriana, y podría decirse que incluso ha hecho acto de presencia.

Ya hemos comentado en el blog que el llamado árbol de la vida está en constante revisión gracias a los numerosos estudios metagenómicos que se están realizando sobre las diversas comunidades microbianas del planeta. En el año 2015 el grupo liderado por Thijs Ettema analizó unos sedimentos provenientes de la chimenea hidrotermal conocida como "Castillo de Loki" en las profundidades del Océano Ártico. Allí encontraron unas secuencias que pertenecían a un nuevo filo de arqueas que fueron bautizadas convenientemente como Lokiarchaeota. Poco a poco se fueron encontrando otros filos relacionados y que fueron bautizados como Thorarchaeota, Odinarchaeota y Heimdallarchaeota. Como era de esperar al superfilo se le conoce como Asgard.

¿Y cuál es la importancia de este superfilo? Pues porque sus datos parecen apoyar la hipótesis del árbol con dos dominios de la vida (Bacteria y Archaea) parece que poco a poco se va imponiendo sobre la visión del árbol de los tres dominios (Bacteria, Archaea y Eukarya). Y si esos datos se confirman entonces todos los ecuariotas - desde los protozoos hasta nosotros, incluyendo plantas y hongos - se habrían originado a partir de los Lokiarchaeotas. A nivel de la Biología esto es como si te dijeran que John Snow no es el sobrino de la Khalessi, sino su tío. La interpretación de los datos metagenómicos que hacen en el grupo de Thijs Ettema les lleva a proponer un modelo de "flujo reverso" para explicar el origen de la endosimbiosis que dio lugar a los eucariotas. Veamos qué significa esto. Hasta ahora la hipótesis más aceptada para la endosimbiosis es la de que una antigua archaea con metabolismo anaerobio "integró" una bacteria capaz de metabolizar el oxígeno. Esta nueva quimera tendría una ventaja energética que le permitiría desarrollar una fisiología celular mucho más compleja. Pero el modelo de "flujo reverso" propone que el hospedador organotrófico arqueano se alimentaba de compuestos orgánicos y que sus desechos proporcionaban un flujo de electrones o de hidrógeno a su simbionte bacteriano que para aprovecharlos totalmente usaba el oxígeno como aceptor final de sus rutas metabólicas. Este tipo de asociaciones metabólicas entre dos microorganismos, en el que el desecho de uno es la comida del otro, no son raras en la naturaleza (se conoce como sintrofía), y ésta debió derivar hasta una interacción tan íntima que se fusionaron ambas células.

Árbol filogenético basado en el análisis de 52 genes presentes en 144 taxas. Los Eucariotas aparecen más cercanos a las Heimdallarqueotas que a cualquier otro grupo. Fuente de la imagen: Spang et al 2019. 

Como suele pasar con todas las hipótesis científicas hay gente que se la cree y otros que no están convencidos en absoluto. El laboratorio de Patrick Forterre pertenece precisamente a ese grupo y han publicado un artículo refutando este modelo endosimbióntico afirmando que las muestras analizadas por el grupo de Ettema están contaminadas con genes eucariotas y que por ello sus árboles filogenéticos son producto de un artefacto. Para Forterre el árbol de la vida sigue teniendo tres ramas. Y en su apoyo ha acudido el microbiólogo Norman Pace, uno de los popes de la taxonomía bacteriana, que ha llegado a afirmar que algunos de los métodos estadísticos usados por Ettema son una "asunción estúpida". Lo dicho, Loki está haciendo de las suyas.

Pero afortunadamente en Ciencia lo del principio de autoridad no suele ser muy válido y por lo que se ve son más los científicos que creen que las evidencias que se van acumulando parecen favorecer el modelo de Ettema a los otros modelos. Esas evidencias no están basadas solo en el análisis metagenómico de secuencias. Ya comentamos en el blog que se miran otras cosas como por ejemplo la presencia de los llamados core-genes para la producción de proteínas, los genes que codifican para proteínas del citoesqueleto, o la organización y composición de las membranas biológicas. Este último aspecto que es conocido como la "división lipídica" es el que más apoya el árbol de tres ramas, ya que las membranas de bacterias y eucariotas son más parecidas entre si, que las membranas de arqueas y eucariotas. Pero resulta que la biología sintética ha venido a cerrar esa división lipídica. El año pasado el grupo holandés liderado por Arnold J. M. Driessen y John van der Oostc consiguieron "convertir" a la bacteria Escherichia coli en una arqueobacteria en lo que a su composición de membranas se refiere. Además, recientemente se han encontrado bacterias que son capaces de sintetizar lípidos arqueanos de manera natural.

¿Qué va a hacer falta para determinar quién tiene razón? Pues probablemente que alguien consiga crecer a una arquea asgardiana en el laboratario, preferentemente una Heimdallarqueota, pues parece que es el filo más cercano a los eucariotas según los últimos datos. Una vez aislada y crecida se podrá analizar y experimentar con ella. Por ahora lo que hay son imágenes de fluorescencia realizadas sobre muestras ambientales. Y lo que ha llamado la atención es que las células asgardianas tienen su ADN condensado en el centro de la célula, como si fuera un ¿núcleo? Estoy convencido que la saga asgardiana nos va a dar más de una sorpresa en los próximos años.

Heimdalarqueotas del Mar Negro marcadas con fluorescencia. En a se muestra la superposición de las imágenes b y c. La imagen b es la tinción con DAPI que tiñe el DNA. La imagen c es un CARD-FISH que tiñe las proteínas. Fuente de la imagen: Salcher et al. 2019. 

Bibliografía:

• Asgard archaea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity Nature volume 541, pages 353–358 (19 January 2017)
• Lokiarchaea are close relatives of Euryarchaeota, not bridging the gap between prokaryotes and eukaryotes. PLoS Genet. 13, e1006810 (2017). 
• Proposal of the reverse flow model for the origin of the eukaryotic cell based on comparative analyses of Asgard archaeal metabolism Nature Microbiology (2019)
• The trickster microbes that are shaking up the tree of life. Nature 2019.

Inexpugnabilidad bacteriana

Cara del Moro en el castillo de Santa Bárbara en Alicante (Fuente: Ayto. Alicante)

Aprovechando que es el décimo aniversario del blog traigo aquí un resumen del artículo publicado en Science sobre los 10 nuevos sistemas de defensa descubiertos en los procariotas (bacterias y arqueas). A día de hoy los sistemas de defensa de los procariotas frente a los virus más famosos son dos: las enzimas de restricción y el sistema CRISPR. Ambos se basan en reconocer al DNA foráneo, ya sea vírico o plasmídico, y destruirlo o inactivarlo. Pero ahora el grupo liderado por Rotem Sorek, del instituto Weizmann en Israel han encontrado que hay muchísimos más. Haciendo una analogía, si uno se encuentra uno escudo en una habitación quizás es que eso sea la armería, así que quizás lo que haya alrededor de ese escudo también sean armas de defensa. Lo que han hecho ha sido analizar unos 45.000 genomas de bacterias y arqueas buscando agrupamientos de genes (clusters) que estuvieran localizados cerca de las conocidas como "islas defensivas", otros agrupamientos de genes cuya función en la defensa contra virus es conocida (ver figura). Así encontraron una serie de genes que parecían estar involucrados en la inmunidad bacteriana. Encontraron 28 sistemas candidatos.

Análisis computacional empleado para encontrar las familias de proteínas cercanas a las "islas defensivas". En naranja están representados los genes que codifican para proteínas conocidas que sí están involucradas en sistemas de defensa (por ejemplo la proteína Cas). En colores rosáceos se representan las proteínas que pueden tener una función defensiva y que por análisis de secuencia muestran una gran conservación. De esa forma se podían identificar los componentes de los posibles sistemas de defensa (system candidate). Fuente: Doron et al.

El siguiente paso fue verificar que efectivamente eran sistemas de defensa y para hacer eso cogieron esos genes y los introducieron en bacterias modelo: Escherichia coli cepa MG1655 y Bacillus subtilis cepa BEST7003. Finalmente, sometieron a sus microorganismos modelo al ataque de diferentes fagos. Como control positivo utilizaron diversos sistemas de modificación restricción conocidos. De los 28 sistemas candidatos han confirmado el funcionamiento de 10, uno contra plásmidos y nueve contra fagos (ver siguiente figura).

Verificación del funcionamiento de los sistemas de defensa. En A se representa el diagrama de flujo de la estrategia experimental explicada en el texto. La tabla B muestra los sistemas de defensa activos cuando son clonados en B. subtilis y la tabla C en E. coli. Para medir el grado de protección se utilizó un ensayo de dilución seriada, comparando cepas con los sistemas clonados frente a cepas que no tenían ningún sistema de defensa. Cuanto más intenso es el color, más eficiente es ese sistema frente a ese fago. El nombre con el que se ha bautizado a cada uno de los sistemas caracterizado aparece a la izquierda. A la derecha se representa la organización genética de dichos sistemas con aquellos dominios que han sido identificados. Las siglas DUF significa que es un dominio de función desconocida (domain of unknown function). Los dibujos están a escala y la barra representa 400 aminoácidos. Fuente: Doron et al. .

El nombre que han puesto a cada uno de los sistemas es el correspondiente a dioses protectores de diversas mitologías: Thoeris es la deidad egipcia de la fertilidad y protectora de los recién nacidos, Septu es el dios de los cielos en la religión antigua egipcia, Druantia es la madre eterna en la mitología gala, Kiwa es la guardiana del océano en la tradición maorí, Hachiman es el dios japonés de los guerreros, Lamassu y Shedu son deidades protectoras asirias, Gabija es el fuego protector de la familia en Lituania y Zorya es el nombre de las dos guardianas protectoras de la mitología eslava.

Aunque no describen el mecanismo preciso sobre como deben de funcionar estos sistemas, en el trabajo se especula también sobre su funcionamiento en base a las homologías encontradas. Por ejemplo, Thoeris es un sistema que se ha encontrado en 2.070 genomas de los 45.000 estudiados. El sistema es bastante específico en la defensa frente a myofagos y contiene un dominio Receptor Toll-interleuquina (TIR) que podría mediar en interacciones intracelulares. Un aspecto llamativo es que los dominios TIR están involucrados en el sistema inmune innato de muchos eucariotas y su función es el reconocimiento de estructuras asociadas a patógenos (PAMP). Como dicen los propios investigadores en el artículo sus resultados indican que hay una participación común de los dominios TIR en la inmunidad innata de los tres dominios de vida, lo que implica que el ancestro de este componente tan importante del sistema inmunitario en los ecuariotas podría haber surgido del sistema de defensa procariota frente a los fagos. Pero eso no es todo, en la revista The Scientist apuntan que, tras la experiencia previa con CRISPR y una vez dilucidados el funcionamiento de dichos sistemas, el potencial para ser transformados en herramientas biotecnológicas de nueva generación será enorme.

En el principio... no había fosfato

La portada de Cell nos recuerda que las cerillas inicialmente usaban azufre en lugar de fósforo. Algo similar pudo haber sucedido con el origen de la vida.

En el campo de la evolución prebiótica una de las principales discusiones es decidir qué fue primero: el metabolismo o la autorreplicación. Es la típica situación del huevo y la gallina: necesitamos un metabolismo para replicar la información que codifica los componentes capaces de realizar ese metabolismo. Por simplificar, a los del metabolismo se les conoce como los defensores del Mundo Hierro/Azufre y a los de la autorreplicación como los defensores del Mundo RNA.

¿Qué fue primero? ¿La autorreplicación o el metabolismo? En la hipótesis del mundo RNA la capacidad de autorreplicación precede a la aparición de las enzimas y la aparición de las redes metabólicas. En la hipótesis metabólica, primero aparecen dichas redes y posteriormente las moléculas con capacidad replicativa (origen de la imagen: Phys.Org)

La hipótesis de "primero el mundo RNA" es muy atractiva porque en una misma molécula tenemos ambas funciones: replicativa y catalítica. Pero lo cierto es que cada vez se están acumulando más indicios que apuntan a que el metabolismo fue previo a la autorreplicación. El último es un artículo publicado en Cell por Joshua E. Goldford, Hyman Hartman, Temple F. Smith y Daniel Segrè y su título lo dice todo: Remnants of an Ancient Metabolism without Phosphate. Esta claro que si no hay fosfato no puede haber RNA, así que el metabolismo precedió al mundo RNA.

¿Fosfato? No, gracias. En la figura tenemos a cuatro de los compuestos semilla utilizados en el algoritmo para identificar las reacciones metabólicas primordiales. Los otros cuatro usados fueron el agua, el dióxido de carbono, el carbonato y el nitrógeno (fuente: Goldford et al. 2017)

La verdad es que el concepto de que el fosfato no sea necesario para el origen de la vida es muy atrevido. Desde pequeñitos nos enseñan que los bioelementos principales son seis: C,H,O, N, P y S. Y si atendemos a sus proporciones un mol de vida estaría compuesto por C₁H_1,8O_0,5N_0,2P_0,03S_0,02. Es decir, en un ser vivo, por cada dos átomos de azufre hay tres de fósforo. Para rematar, cuando estudiamos el metabolismo nos dicen que el ATP es la moneda biológica de energía gracias a sus enlaces fosfoester. Entonces ¿por qué han pensado estos investigadores que el fosfato no es necesario para el metabolismo primigenio?

Por una cuestión de química geológica básica. La accesibilidad geoquímica al fósforo es mucho menor que la del azufre. Así que con ese dato en mente se pusieron a mirar las rutas metabólicas en las que el f´sforo no hace falta. Pero no se centraron en las rutas de un puñado de organismos modelo. Lo que hecho es mirar en todas las rutas metabólicas conocidas en todos los seres vivos, lo que denominan un metabolismo a nivel "biosfera". También han tenido en cuenta que las reacciones de hoy, tan específicas y eficientes, debieron de evolucionar a partir de reacciones mucho menos específicas y con moléculas mucho más simples que las presentes. Utilizando herramientas computacionales de biología sintética usaron ocho moléculas simples que podrían estar presentes en la Tierra primigenia y que podrían reaccionar para formar otros compuestos. Esas ocho moléculas "semilla" eran el agua, el sulfihídrico, el dióxido de carbono, el ácido carbónico, el amoniaco, el nitrógeno, el formato y el acetato. La otra condición es que no debía de necesitarse fosfato. A continuación aplicaron lo que ellos llaman un algoritmo de expansión de red de interacciones (network expansion algorithm) para simular la aparición de una red de interacciones metabólicas a partir de dichos compuestos. Lo que hace el algoritmo es añadir metabolitos y reacciones iterativamente y "preguntarse" en cada iteración si con los productos obtenidos y los sustratos presentes, puede darse una nueva reacción que producirá nuevos productos. Al final se va estableciendo un grupo "nuclear" (core) de rutas metabólicas principales dentro de ese "metabolismo de la biosfera", entre ellas las rutas en las que intervienen los cofactores Hierro/Azufre y algunas rutas de biosíntesis de aminoácidos (en concreto G, A, D, N, E, Q, S, T, C, y H) y de ácidos carboxílicos. Para ellos, estas rutas representan un "fósil metabólico" basado en la bioquímica no-enzimática de los enlaces tioester.

El "núcleo metabólico" que no necesita fosfato. El algoritmo hace reaccionar a los compuestos simples (metabolitos "semilla", marcados en azul al fondo a la izquierda). Los metabolitos que aparecen van interconectándose a través de las reacciones en las cuales o bien son sustratos o bien productos. Los colores indican el tiempo (iteración) en el cual el metabolito aparece. Arriba a la izquierda vemos la escala temporal. Los metabolitos principales (piruvato, glutamato, glicina) se alcanzan al cabo de unas pocas iteraciones a partir de los metabolitos "semilla". (fuente: Goldford et al. 2017)

Pero no se han quedado ahí. Utilizando el mapa del "metabolismo de la biosfera" han eliminado todas las reacciones en las cuales interviene el fosfato e incluso han considerado aquellas reacciones en las que el fosfato no es esencial. Por ejemplo, la coenzima-A lleva fosfato en su composición, pero éste no interviene en su función, la parte importante de dicha molécula es el éster de azufre. De hecho, la coenzima-A puede ser sustituida por la panteteina. Al realizar estos cambios y aplicar el algoritmo la expansión de la red metabólica se incrementa hasta incluir tres veces más metabolitos, entre ellos cinco aminoácidos (K, R, L, V, y P), el uracilo y la ribosa

Metabolismo global sin fosfato. Al eliminar todas la reacciones en las que la intervención del fosfato es esencial (líneas grises) todavía queda una gran red de reacciones metabólicas. Las líneas rojas son las reacciones identificadas como "nucleares" (ver figura anterior). Las reacciones marrones son aquellas que son accesibles desde el "núcleo metabólico". Las azules y púrpuras aquellas que están acopladas a la coenzima-A o a las coenzimas de flavina/nicotinamida respectivamente. (fuente: Goldford et al. 2017)

Los autores reconocen que no pueden descartar otra interpretaciones y que quizás la rutas que usan fosfato pudieron evolucionar gradualmente y de manera paralela o consecutiva. Pero lo que parece claro es que estos resultados nos permiten intuir que el protometabolismo pudo estar basado en reacciones con el enlace tioester como portador de energía y que la diversidad de compuestos que se producen podrían ser los precursores sobre los cuales posteriormente aparecería toda la bioquímica de los ácidos nucleicos como portadores de información. Queda claro que todavía hay muchos huecos que rellenar en esta historia.

Esta entrada participa en la LXIII edición del Carnaval de Química, alojada en el blog ‘Cardescu Web‘ de @CienciaNformas

Tomando forma

Manos dibujándose de MC Escher (origen)

En la entrada "De la forma" comentamos la importancia evolutiva que tiene la forma de las bacterias y que la morfología bacteriana era mucho más diversa de lo que en un principio se pensaba.

Pero, ¿cómo se forma una bacteria? La verdad es que sabemos más bien poco ya que lo que se conoce se basa en el estudio de unas cuantas bacterias: los cocos Streptococcus pneumoniae y Staphylococcus aureus; los bacilos Escherichia coli y Bacillus subtilis; las curvas y espirales formadas por Helicobacter pylori, Caulobacter crecentus o Borrelia burgdorferi. Del resto de morfologías no se conoce mucho. Así que quizás habría que replantearse la pregunta y elaborar alguna más simple que sí podamos contestar. Por ejemplo:

En el aspecto de la morfogénesis ¿qué tienen en común todas las bacterias?

• Todas tienen paredes de peptidoglicano (salvo los micoplasmas y los termoplasmas) y la forma viene dada por cómo está construida dicha macromolécula a nivel molecular. Así que no es de extrañar que el equipamiento bioquímico responsable de la síntesis de esa pared se haya conservado entre los diversos phyla bacterianos. A nivel molecular, ese equipamiento enzimático se coloca en una determinada “zona” de la bacteria y es allí donde ejerce su función. Es lo que podría denominarse una "síntesis zonal"



• La maquinaria de síntesis de la pared debe de asegurar que se mantenga la forma y que se incremente el tamaño de la bacteria gracias a la elongación, pero también debe permitir la reproducción celular mediante la septación. Basta cambiar mínimamente la orientación de la síntesis de peptidoglicano para pasar de elongar a septar. Lo que sí es necesario es que ambos procesos deben de estar coordinados tanto en el espacio como en el tiempo para asegurar la supervivencia de la bacteria.

Maquinaria de síntesis de peptidoglicano en la bacteria Escherichia coli. La elongación la lleva a cabo el elongasoma y la división el divisioma. En ambos casos se necesita un armazón citoplasmático que va a dirigir la localización de la síntesis del peptidoglicano (color naranja) y que reclutaran los diversos componentes como los elementos de membrana que incluyen proteínas reguladoras y sintetizadoras de elementos precursores (color azul) y proteínas sintetizadoras y modificadoras del peptidoglicano (color rojo). De todas estas proteínas, las más conservadas en todos los grupos bacterianos son FtsZ (naranja) y FtsK (azul-4). Origen de la imagen: Amelia M. Randich e Yves V. Brun 2015

Podríamos decir que esas son las "reglas básicas" que toda bacteria tiene que seguir. Quizás, cada grupo bacteriano tenga además algunas reglas específicas que expliquen las diferencias morfológicas. O quizás, uno podría esperar que si dos bacterias tienen una forma bacilar será porque ambas siguen el mismo juego de reglas. El mejor ejemplo es Escherichia coli (Gram negativa) y Bacillus subtilis (Gram positiva). Ambas realizan la elongación gracias a que sus equipos enzimáticos se colocan en unas zonas que siguen una pauta espiral y así sintetizan el nuevo peptidoglicano siguiendo dicha pauta.

Incorporación del peptidoglicano en diferentes bacterias morfológicamente distintas. En A se representa la elongación, en B la división. Tanto en Escherichia coli como en Bacillus subtilis, las zonas de elongación se disponen a lo largo de una espiral. Cuando las células se van a dividir la síntesis zonal se localiza solamente en el centro de la bacteria. En el caso de Streptococcus pneumoniae, la elongación se produce al insertar nuevo material en el llamado anillo ecuatorial. Según se va insertando el nuevo material los anillos resultantes se separana señalando el futuro lugar de septación. En el caso de Staphylococcus aureus no parece haber elongación, tan sólo síntesis de peptidoglicano septal. Origen de la imagen Dirk-Jan Scheffers1 y Mariana G. Pinho. 2005.

El dato de que dos bacterias tan alejadas filogenéticamente entre sí, han resuelto el mismo problema de la misma manera puede apuntar a que dicha "solución" apareció hace mucho tiempo. Pero cuando se observa con detalle lo que ocurre en otros grupos taxonómicos (ver el árbol filogenético de la 1ª parte), lo que a primera vista parece una conservación evolutiva es más bien una convergencia evolutiva. Entre una y otra especie nos encontramos con una miríada de morfologías. Observar una convergencia evolutiva nos indica otra cosa distinta: si se reposiciona la maquinaria de síntesis zonal se pueden generar un gran diversidad de formas bacterianas todas ellas derivadas de la morfología bacilar. Por ejemplo, si la síntesis zonal se restringe a uno sólo de los polos podemos obtener una prosteca como la de Caulobacter crescentus. En cambio, si la síntesis zonal se distribuye a lo largo de la longitud de un filamento se pueden conseguir las ramificaciones que se observan en las Actinobacterias. Bastaría con usar las reglas básicas de diferente forma para obtener las diversas morfologías bacterianas.

Síntesis zonal del peptidoglicano y morfología bacteriana. En las Alfaproteobacterias prostecadas basta reposicionar la maquinaria de síntesis del peptidoglicano (en verde) para que aparezcan diferentes fenotipos. A: Caulobacter crescentus prosteca polar. B: Asticcacaulis excentricus, prosteca subpolar. C: Asticcacaulis biprosthecum prostecas bipolares. En D tenemos el fenotipo ramificado de la actinobacteria Streptomyces coelicolor. Origen de la imagen: David T. Kysela et al. 2016.

Combinando tecnologías genómicas de una sola célula (single-cell genomics) con las tecnologías de microscopía de alta resolución, el grupo de Yves Brunn ha conseguido estudiar la evolución de la prosteca entre las especies pertenecientes a los Caulobacterales. Observando el árbol filogenético que se muestra más abajo, puede verse que primero apareció la prosteca polar (presente en Caulobacter crescentus). En algunas especies esa prosteca se ha convertido en una zona especializada en la reproducción por gemación (Hirschia baltica) pero en otras lo que ha pasado es que se ha perdido y la bacteria ha vuelto a una morfología bacilar (C. segnis). En otras especies, la síntesis zonal se reposicionó de manera supolar (Asticcacaulis excentricus) y a partir de este grupo volvió a reposicionarse a bilateral aumentando su número (A. biprosthecum). Al examinar con más detalle dicha transición, lo que se encontraron es que hay una proteína, denominada SpmX, que es la responsable de coordinar la síntesis del peptidoglicano en la prosteca. Dicha proteína tiene una región que es diferente en cada una de esas especies y que determina la localización de la síntesis zonal

Arbol filogenético de los Caulobacterales y morfología celular. 1. prosteca bilateral, Asticcacaulis biprosthecum (Chao Jiang, Stanford University). 2. prosteca subpolar, Asticcacaulis excentricus (Chao Jiang, Stanford University). 3. prosteca polar, Caulobacter crescentus (Paul Caccamo, Indiana University). 4. prosteca polar, Maricaulis maris (Patrick Viollier, University of Geneva). 5. prosteca polar pequeña, Brevundimonas subvibriodes (Brynn Heckel, Indiana University). 6. Prosteca polar para reproducción por gemación, Hirschia baltica. Origen de la imagen: David T. Kysela et al. 2016.

¿Podría explicarse la gran diversidad de morfologías bacterianas en base a la síntesis zonal de peptidoglicano? Pues es muy probable que la combinación de métodos genómicos con las nuevas tecnologías microscópicas den lugar a nuevas aproximaciones experimentales que permitan dar respuesta a esa pregunta y estudiar porqué las bacteria son como son e incluso abordar el problema de relacionar la morfogénesis bacteriana y las fuerzas de selección que actúan sobre ella. Puede afirmarse que este campo de investigación va tomando forma

Esta entrada y su primera parte han sido traducidas y publicadas en el blog Small Things Considered

De la forma

¿Quién dijo que las formas de las bacterias eran simples? (origen de la imagen)

Si hay algo que llama la atención del estudio de los eucariotas es la enorme diversidad de morfologías que uno puede encontrar: desde las secuoyas más grandes hasta el radiolario más pequeño. Los procariotas en cambio parecen bastante más simples y aburridos. Si uno abre la página 109 de la 7ª edición del “Microbiología Médica” de Murray, Roshental y Phaller se va a encontrar con que hay solo cuatro morfologías celulares: cocos, bacilos, bacilos curvos y espiroquetas. Pero en realidad, eso es debido a que tradicionalmente, la bacteriología ha sido una disciplina médica y esas son las típicas morfologías de las bacterias patógenas. Otra cosa que ayudó a establecer la idea de que las bacterias son o bien bacilos, o bien cocos, es que los microorganismos modelo de la Biología Molecular son los bacilos Escherichia coli, Bacillus subtilis y el coco Streptococcus pneumoniae. Sin embargo, cuando uno empieza a observar a las bacterias que hay en el medio ambiente lo que se encuentra es que la diversidad de tamaños y formas no tiene nada que envidiar a la de otros seres vivos.

Esto es precisamente lo que describen en el artículo “Diversity Takes Shape: Understanding the Mechanistic and Adaptive Basis of Bacterial Morphology” de David T. Kysela , Amelia M. Randich , Paul D. Caccamo e Yves V. Brun. En el artículo no sólo realizan un pequeño catálogo de las diversas formas bacterianas que uno puede observar, también discuten la importancia que tiene esa morfología desde el punto de vista evolutivo. Recordemos que en biología uno de los paradigmas más importantes es el binomio estructura-función, y si un ser vivo tiene una determinada morfología suele ser porque esa morfología le ha ayudado a sobrevivir mejor en el habitat que ocupa. La forma de las bacterias ha sido moldeada por la selección natural, así que entender cómo pudo haber surgido esa diversidad nos puede dar muchas ideas sobre cómo funcionan las bacterias

Lo cierto es que la morfología bacteriana sí que se usó inicialmente como un carácter taxonómico importante. Todas las bacterias que tenían forma espiral, o que presentaban prostecas, o que eran bacilos helicoidales fototróficos, o cocos que se agrupaban en racimos, o..., acababan formando un taxón de mayor o menor categoría. Sin embargo, cuando llegó la filogenia molecular, muchos de aquellos taxones tuvieron que ser “reestructurados”. En el artículo ponen el ejemplo de las betaproteobacterias Rhodocyclus tenuis y Rubrivivax gelatinosus que antes estaban incluidas dentro del género Rhodospirillum incluido en la clase Alfaproteobacteria. Hablando en términos zoológicos, es como si hubieran descubierto que dos arañas estaban erróneamente clasificadas como insectos.

En la esquina superior izquierda una microfotografía de Rhodocyclus tenuis (barra 5 micras). A la derecha una microfotografía de Rhodospirillum rubrum a la misma escala. La distancia filogenética entre ambas bacterias es la misma que hay entre una araña y una hormiga, pero antes se las clasificaba dentro del mismo género debido, entre otros caracteres, a su morfología tan parecida. (Orígenes de las imágenes. R. tenuis, R. rubrum, araña, hormiga)

Al combinar los datos metagenómicos y los morfológicos se puede construir un árbol filogenético que nos de algo de información de cómo ha ido evolucionando la forma de las bacterias en los distintos phyla (ver el árbol filogenético de la figura inferior). Hay morfologías como las helicoidales (señaladas en verde) o las filamentosas (rojo) que aparecen repartidas por todo el árbol. Eso indica que ese tipo de forma ha aparecido de manera independiente y repetida en la evolución. En ese caso, si dos linajes diferentes llegan a tener la misma morfología ¿está generada dicha forma por una estrategia molecular convergente? ¿o es porque tienen estilos de vida similares?

Árbol filogenético del dominio Bacteria y morfología de diferentes bacterias. Se han representado 26 tipos de morfología (ver tabla de especies). Las abreviaturas indican los taxones principales. Los colores muestran las morfologías de un determinado tipo.  Ver las tablas inferiores para más información. Las diferentes bacterias no están a escala. Clickear encima para ver en mayor detalle. Origen de la imagen Kysela et al.  

Otras veces lo que se ve es que una determinada morfología está agrupada en una región del árbol, por ejemplo las ramificaciones de las actinobacterias (púrpura) o los apéndices de las caulobacterias (azul). En ese caso lo que ha ocurrido es que la morfología ha sido heredada de un ancestro común a todo ese agrupamiento. Las preguntas entonces son algo distintas ¿la persistencia de dicha forma es debida a una presión de selección? Si no todos los miembros de ese grupo son iguales ¿cómo y por qué pueden surgir variaciones morfológicas?

Lo cierto es que no está muy claro el porqué algunas bacterias tienen una determinada morfología y no otra. En líneas generales, los caracteres morfológicos pueden ser atribuidos a la adaptación a fuerzas selectivas tan diferentes como la adquisición de nutrientes, la adhesión a una superficie, la dispersión, la evasión frente a depredadores o la colonización de un hospedador. Si nos fijamos en las morfologías que aparecen en el árbol filogenético algunas son fáciles de asociar a una determinada característica. Por ejemplo, las formas helicoidales son óptimas para nadar en líquidos viscosos; los filamentos grandes suelen funcionar como una adaptación para evitar ser engullidos por protozoos; la ramificación en una bacteria acuática modifica su flotabilidad lo que le permite controlar la profundidad y así situarse en la zona de la columna de agua donde haya nutrientes. Algunas morfologías incluso sirven para cumplir más de una función. Herpetosiphon es una bacteria que forma largos filamentos que se entrecruzan entre si. Eso evita que pueda ser devorada por cualquier protozoo, pero a su vez le permite crear una red en cuyos “huecos” secreta enzimas hidrolíticas que lisan a otras bacterias de las que se alimenta.

Género Herpetosiphon. (a) crecimiento en medio sólido (b) crecimiento en medio líquido. Origen de la imagen

Y si la forma es tan importante en las bacterias ¿cómo consiguen hacerla? Eso lo veremos en una próxima entrada.

Esta entrada y su segunda parte han sido traducidas y publicadas en el blog Small Things Considered

Teixobactina: lo importante no es el pez, sino la red con la que se ha pescado.

Estructura de la teixobactina, un nuevo tipo de antibiótico. Fuente: Wikipedia

El descubrimiento de un nuevo antibiótico, la teixobactina, ha merecido la atención tanto de diversos medios de comunicación como de la blogosfera (Un par de ejemplos: Teixobactina, el “superantibiótico” de Bioamara, Teixobactina: algo más que el antibiótico del futuro, post de Ciencias y Cosas ). Sin desmerecer la importancia de dicho descubrimiento, a mí lo que me parece realmente importante no es el qué han descubierto, sino el cómo lo han descubierto. En ese sentido coincido más con el post A New Antibiotic That Resists Resistance de Ed Yong.

En este blog ya hemos hablado en numerosas ocasiones sobre el creciente problema de las resistencias a los antibióticos. Nombres como estafilococo MRSA, tuberculosis-XDR, Klebsiella NDM-1 empiezan a ser cada vez más comunes y temidos en los hospitales de todo el mundo. Las voces más pesimistas incluso hablan de que la sanidad pública podría volver a una situación similar a la de 1900, cuando no existía ningún tipo de sustancia antibiótica y padecer una infección podía significar una convalecencia larga e incluso la muerte.

Porcentaje de aislamiento de cepas resistentes de distintas especies bacterianas en los países europeos. Fuente ECDC

La mayor parte de los diferentes tipos de sustancias antibióticas fueron descubiertas entre los años 40 y 60 del pasado siglo. A partir de entonces cada vez ha sido más difícil encontrar alguna sustancia con utilidad terapéutica. No es que no sea sencillo encontrar una sustancia que mate a las bacterias. Lo difícil es encontrar una que mate a los patógenos pero que no afecte a nuestras células. En ese sentido la penicilina es el mejor ejemplo de un buen antibiótico. Lo que hace es inhibir la síntesis de peptidoglicano que forma la pared bacteriana. Y como nuestras células no poseen peptidoglicano no se ven afectadas por la penicilina. Es decir, un buen antibiótico inhibe o interfiere en un proceso vital exclusivo de las bacterias. Eso es lo que ocurre también con otros antibióticos como por ejemplo el cloranfenicol, la tetraciclina o la estreptomicina. En estos casos, esas moléculas inhiben la biosíntesis proteica mediante su unión al ribosoma y bloqueando el proceso de traducción. Como los ribosomas de las bacterias son algo diferentes a los ribosomas de nuestras células, esos antibióticos no nos afectan.

Esquema de los distintos sitios donde actúan los diferentes tipos de antibióticos que afectan a las bacterias. Actualmente existen resistencias frente a todos ellos. Fuente: Medical Reference Net

¿Cómo se vuelven resistentes las bacterias? Hay varios tipos de mecanismos. En el caso de la penicilina la resistencia suele ser debida a la producción de un tipo de enzima, las betalactamasas, que destruye al antibiótico. En otros casos lo que hace la bacteria es producir una proteína de membrana que expulsa al antibiótico del citoplasma. Y en otros lo que ocurre es que debido a una mutación se modifica el sitio de unión del antibiótico. Por ejemplo, si hay una mutación en algún componente del ribosoma, el antibiótico ya no puede unirse y no inhibe la traducción. El proceso de cómo la resistencia a un antibiótico se extiende entre las bacterias patógenas es uno de los mejores ejemplos de evolución darwiniana. El antibiótico elimina a las bacterias sensibles y sólo quedan las resistentes, que ahora tienen todo el hábitat para ellas solas. Este es uno de los motivos por los que nos estamos quedando sin antibióticos.

Algunos mecanismos de resistencia a los antibióticos. Las enzimas que inactivan a los antibióticos pueden hacerlo mediante su degradación o mediante una alteración química que evite que luego se una a su objetivo. estas enzimas pueden encontrarse en el exterior de la célula, como es el caso de las beta-lactamasas que destruyen a las penicilinas. Fuente: Encyclopaedia Britannica

Otro de los motivos ya lo hemos indicado antes. Es muy difícil encontrar una sustancia que mate bacterias y sea inocua para nosotros. Para determinar cual sustancia es válida y cual no, no sólo hay que encontrarla, hay que probarla. Y eso significa invertir dinero, mucho dinero, en experimentos y ensayos clínicos. Ese también es un problema, porque si una compañía farmacéutica invierte dinero en desarrollar un producto luego va a querer venderlo y sacar beneficio. Si el antibiótico no va a ser efectivo al cabo de poco tiempo debido a la aparición de resistencias, a lo mejor no le interesa nada investigar en ese campo ya que no va a cubrir la inversión dedicada al desarrollo del antibiótico (de sacar beneficios ni siquiera hablamos). Así que desarrollar nuevos antibióticos no parece que sea algo muy interesante para las compañías farmacéuticas.

Línea temporal del descubrimiento de las distintas clases de antibióticos. Fuente: Medscape. 

En esta gráfica se muestran tres tipos distintos de información. En primer lugar el número de compañías farmacéuticas que investigaban en antibióticos en 1990 (18 compañías) y las que quedaban en el 2011 (4 compañías). En segundo lugar, la cantidad de nuevos antibióticos aprobados para su uso (línea azul), y finalmente el porcentaje de aislamientos de cepas resistentes a los antibióticos. MRSA (Staphylococcus aureus resistente a meticilina). VRA (Enterococcus resistente a vancomicina) y FQRP (Pseudomonas resistente a fluoroquinolonas). Fuente Nature.

Y sin embargo esos nuevos antibióticos son muy necesarios. Uno de los caminos que se está intentando es encontrar sustancias frente a las cuales la aparición de resistencias sea muy difícil. Pero encontrar dichas sustancias no es un camino de rosas. Los antibióticos son generalmente producidos por microorganismos que habitan en los suelos y este tipo de seres vivos no son nada fáciles de crecer en el laboratorio. De hecho se asume que en condiciones ideales solo se puede crecer a una especie de cada cien presentes en una muestra (en parte porque los microbiólogos hemos metido la pata durante 120 años). Así que quizás la sustancia que se busca sea producida por una de esas noventa y nueve especies que no crece. Se han intentado diferentes estrategias y tecnologías como por ejemplo la metagenómica para encontrar al menos los genes que producen dichos antibióticos.

Un iChip desenterrado del suelo donde se ha incubado. Fuente: Nature

Pues bien, el equipo de la compañía biotecnológica estadounidense NovoBiotic Pharmaceuticals liderado por el científico Kim Lewis de la Northeastern University de Boston, ha utilizado una tecnología que puede permitir crecer a esos microorganismos incultivables y poder así encontrar esos nuevos antibióticos. Se trata del iChip. Esta tecnología fue desarrollada en el año 2010 y ya se especulaba con que podría ser una herraienta muy eficaz para encontrar sustancias de interés biotecnológico, como así ha sido. El iChip consiste en unas micro-celdillas que contenían unas membranas semipermeables. Las microceldillas con las bacterias se enterraban en el suelo. De esa forma se podían introducir las bacterias para tenerlas en un entorno controlado, manteniéndolas al mismo tiempo en contacto con su ambiente natural para así disponer de cualquier factor de crecimiento que necesitaran y pudieran desarrollarse normalmente. Lo curioso es que las bacterias que crecen en el iChip luego pueden ser crecidas en el laboratorio a mayor escala. El iChip es como un paso previo de enriquecimiento. Así, han conseguido cultivar hasta un 50% de las bacterias presentes en la muestra.

Como funciona un iChip. Una muestra de suelo es diluida en agua y el iChip se sumerge en esa suspensión (a). La dilución asegura que en cada celdilla sólo haya un microorganismo (b). Después se ponen las membranas semipermeables en la parte superior e inferior (círculos transparentes) y estas son sujetadas gracias a un sistema de pinzado con tornillos (c). Una vez montado el iChip se entierra en el mismo suelo de donde se tomó la muestra. De esa forma los microorganismos estarán en el mismo ambiente de donde fueron recogidos y los factores de crecimiento o cualquier nutriente que requieran, podrá permear a través de las membranas y permitir que crezca el microorganismo. Pero como están encerrados en una celdilla, no se mezclarán entre si. En este enlace puedes ver un vídeo con una animación sobre el iChip. Fuente: Science 2.0

Crecer a las bacterias fue la primera parte, la segunda fue comprobar si producían un antibiótico. Para ello analizaron 10.000 cepas de bacterias, y comprobaron su actividad antimicrobiana frente a la bacteria Staphylococcus aureus MRSA. Así dieron con 25 especies que conseguían inhibir a la bacteria patógena. De ellas una, la bacteria Gram negativa Eleftheria terrae, producía un compuesto muy interesante y activo. Tan activo que Kim Lewis llegó a pensar que habían encontrado un detergente que simplemente destruía las membranas de cualquier tipo de célula. Pero afortunadamente no era así. El compuesto fue analizado y se comprobó que era un nuevo tipo de antibiótico. Ha sido bautizado como teixobactina (*). Se trata antibiótico peptídico, en concreto un depsipéptido macrocíclico. E. terrae lo biosintetiza mediante la condensación de una serie de D y L aminoácidos gracias a dos Peptido-Sintetasas no ribosómicas (eso no es tan raro, la penicilina es también un producto de una condensación de tres aminoácidos). La teixobactina ha mostrado actividad frente a otros patógenos como Clostridium difficile, causante de la colitis pseudomembranosa, Bacillus anthracis, que provoca el carbunco (aunque ahora le llamen ántrax), contra Enterococcus faecalis resistente a vancomicina, contra Streptococcus pneumonia resistente a penicilina y contra Mycobacterium tuberculosis. Incluso han probado en ratones que la teixobactina se puede usar exitósamente para combatir infecciones experimentales provocadas por S. aureus MRSA o por S. pneumoniae.

Infección experimental con S. aureus MRSA. Cada barra representa la supervivencia  tras 48 horas de un grupo de 6 ratones a los que se les inyectó una dosis letal de bacteria y posteriormente una dosis de antibiótico vancomicina o teixobactina (cantidades indicadas en el eje X). Nótese que con 0,5 mg/kg de teixobactina se consigue el 100% de supervivencia de los 6 ratones, mientras que con la vancomicina solo ha sobrevivido un ratón. Fuente: Ling et al. 2015 Nature.

Sin embargo, la propiedad más llamativa de la teixobactina es que parece ser un antibiótico contra el cual no va a ser fácil que se origine una resistencia. De hecho el título del artículo del Nature es el siguiente: A new antibiotic kills pathogens without detectable resistance ¿Es eso posible o es una exageración?

En el artículo de Ed Yong se utiliza una frase de Leslie Orgel para dar respuesta a esa pregunta: La evolución es mucho más lista que tú. A largo plazo acabarán apareciendo microorganismos resistentes a la teixobactina. De hecho, ya los hay. Todas las bacterias Gram negativas son Son resistentes naturales a este nuevo antibiótico. Un ejemplo, la MIC de S. aureus es de 0,25 microgramos por mililitro mientras que la de E. coli es de 25. El motivo es que las Gram negativas tiene una membrana externa que impide que la teixobactina llegue al lugar donde ejerce su acción. La teixobactina es una molécula bastante grande, unas tres veces más grande que la penicilina para hacernos una idea, y quizás sea esa la razón por la que no puede atravesar esa membrana externa.

Estructura de la pared celular de las bacterias Gram positivas (izquierda) y las Gram negativas (derecha). La pared celular rodea a la membrana plasmática (plasma membrane). Ambas paredes contienen una capa de peptidoglicano, un polímero compuesto de un polisacárido lineal de acetil-glucosamina y acetil murámico, entrecruzado por cadenas de aminoácidos (el monómero se muestra en la parte inferior). Pero en las Gram negativas la capa de peptidoglicano está rodeada por una membrana externa (Outer lipid membrane). Otra diferencia entre ambas es que las capas de peptidoglicano de las Gram positivas está "reforzado" por largas cadenas de ácidos teicoicos (lipotheicoic acid). Fuente: Sigma-Aldrich.

Pero lo que se espera es que no suceda algo como lo que ocurrió con el linezolid, en el que un año después de haber sido aprobado ya se describieron las primeras resistencias. Las esperanzas es retrasar la aparición de esas resistencias el mayor tiempo posible. Algo similar a lo que ocurrió con la vancomicina. Dicho antibiótico fue descubierto en 1953 y hasta finales de la década de los 80 no se describieron las primeras cepas resistentes. La vancomicina y la teixobactina tienen algo en común: actúan sobre el mismo tipo de molécula inhibiendo la síntesis de la pared celular de las bacterias. Ambas se unen a un precursor de la pared celular denominado lipido II. Pero además, la teixobactina también se une a otro precursor denominado lípido III. Vamos a intentar explicar su acción con una analogía que ya he utilizado anteriormente. Podemos imaginar que la pared de una Gram positiva es como un muro de hormigón armado. El peptidoglicano sería el cemento y los ácidos teicoicos serían las varillas de acero. Siguiendo con la analogía, las fábricas que hacen el cemento y las varillas está en el citoplasma de la bacteria. Pero la pared está en el exterior de la célula, así que esos componentes deben de ser transportados allí, y una vez fuera, es donde polimerizan (donde fraguan por seguir con el símil).

Mecanismo de actuación de la teixobactina. Clikear para ampliar. A la izquierda se representa une esquema de la bacteria Gram negativa Eleftheria terrae secretando el antibiótico y éste uníéndose a las moléculas objetivo (rectángulo con la palabra TEIX). A la derecha tenemos una visión ampliada del mecanismo de acción sobre el lípido II y el lípido III que se encuentran localizados en la membrana plasmática. El interior celular estaría en la parte inferior y el exterior en la superior. En el esquema representan de manera simplificada los pasos de síntesis de los monómeros que formarán el peptidoglicano (hexágonos azules y verdes) y de los monómeros que formarán los ácidos teicoicos (elipses rojas y azules).  También se muestra el sitio de unión de la vancomicina (rectángulo rojo), que aunque afecte a la misma molécula, lo hace en un lugar diferente. Fuente: Sci-news.com 

Queda claro que los componentes del muro deben de atravesar la membrana celular. Pues bien, las moléculas responsables del traslado desde el citoplasma al exterior de la membrana son el lípido II y el lípido III. Continuando con la analogía son como unos camiones de transporte, el lípido II sería una hormigonera porque lleva el precursor del peptidoglicano y el lípido III es un trailer con el precursor del ácido teicóico. La teixobactina se une a esos lípidos y evita el transporte. Digamos que destruye los camiones que llevan el material de construcción. Esa especificidad en actuar sobre ese tipo de moléculas es lo que hace pensar que no va a ser fácil que se desarrollen mecanismos de resistencia frente a la teixobactina. Voy a intentar explicarlo desde lo que yo considero el mecanismo más improbable a lo más probable:

• Bombas de expulsión del antibiótico. La teixobactina actúa en el exterior de la célula, no en su interior, así que este tipo de resistencia no puede darse. Es una típica resistencia para antibióticos que inhiben la síntesis proteica.


• Resistencia por alteración de la diana por mutación genética. Muy improbable. Un ejemplo lo tenemos en algunos resistentes a la penicilina. Los beta-lactámicos actúan mediante su unión al centro activo de la enzima que polimeriza el peptidoglicano. Si sucede una mutación que afecta a la estructura del centro activo de forma que evita que se una la penicilina ya tenemos un resistente. Pero un lípido no puede modificarse por una mutación genética como le puede ocurrir al centro activo de una enzima. 


• Resistencia por alteración de la ruta metabólica Muy improbable. El ejemplo son los resistentes a las sulfonamidas, antibióticos que inhiben la ruta de síntesis del ácido fólico. Lo que hacen las cepas resistentes es tomar el fólico del hospedador. La ruta de síntesis del peptidoglicano es una de las más conservadas en todo el dominio Bacteria. Además la teixobactina actúa sobre un transportador, no sobre una enzima metabólica. 


• Resistencia por entrada alterada Poco probable. Como hemos visto la pared celular de los Gram negativos tiene una membrana externa que impide que la teixobactina llegue a la membrana plasmática. En los Gram positivos no existe esa membrana, sin embargo es cierto que algunos de ellos presentan cápsulas polisacarídicas a veces extraordinariamente complejas, como es el caso de las micobacterias, y quizás podría darse ese caso. Pero que yo sepa no ha sido descrito un mecanismo de este tipo en Gram positivos 


• Alteración enzimática de la diana Poco probable. Este es el mecanismo de resistencia a la vancomicina. Si nos fijamos en la figura anterior donde se señála el lugar de acción de la teixobactina y de la vancomicina sobre el lípido II veremos que es algo distinto. La vancomicina se une a la cola de aminoácidos unidos al disacarido de acetil-glucosamina y acetil murámico,(el monómero del peptidoglicano). En la resistencia a la vancomicina hay unas enzimas (VanA, B y C) que modifican algo las cargas de ese monómero, de manera que la vancomicina no se une, pero el monómero puede ser usado en la polimerización del peptidoglicano. La teixobactina se une a la cabeza polar del lípido transportador. Si se modifica dicha cabeza a lo mejor la teixobactina ya no se une, pero a lo mejor el lípido ya no puede cumplir su función. 


• Degradación o alteración enzimática del antibiótico La más probable en mi opinión. Es el caso de las betalactamasas que destruyen a las penicilinas. Como se ha señalado antes la teixobactina es un depsipéptido macrocíclico, pero no deja de ser un péptido. Y las actividades enzimáticas que destruyen los enlaces peptídicos son muy frecuentes en la naturaleza. De hecho, una de las críticas que se ha hecho al trabajo ha sido la de no comprobar si había resistentes a la teixobactina en el mismo suelo de donde partió la muestra. Normalmente si encuentras un antibiótico en un sitio, encuentras al resistente en el mismo lugar.

Esperemos que efectivamente no les sea fácil desarrollar resistencias contra la teixobactina a las bacterias patógenas sensibles a ella. Como ya hemos dicho en otras ocasiones, la humanidad necesita nuevos antibióticos.



(*) En inglés teixobactin se pronuncia Tayco-back-tin, y es una referencia a "adelgazar a los ácidos teicoicos". El nombre de Eleftheria terrae significa "libre de la tierra" y hace referencia a la manera en que ha sido cultivada gracias al iChip.


Esta entrada participa en la XLIII edición del Carnaval de la Química alojado en el blog La Ciencia de la Vida