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.

Olimpiadas Microbianas 2016

La revista Nature Microbiology acaba de publicar un artículo con los nuevos campeones olímpicos del mundo microbiano (si te interesa saber el palmarés del 2014 lo tienes aquí). Pasamos a exponer el medallero con los microbios citius, altius, fortius.

Maratón
En esta prueba se ha comprobado cual es el microorganismo con mayor capacidad de dispersión. El oro ha sido para el género Polaromonas desbancando a rivales de categoría como el virus Zika (bronce) o los firmicutes termófilos marinos (plata). Las Polaromonas han aprovechado las corrientes aéreas para estar presentes en todas los rincones del planeta.

Polaromonas

Piragüismo
El campeón en la modalidad eslalon fue Vibrio alginolyticus. Esta pequeña bacteria con forma de plátano es capaz de realizar giros bruscos de 90º gracias a que su único flagelo posee una propiedad muy peculiar. Tiene una inestabilidad estructural en la zona de inserción y eso le permite pandear y cambiar de dirección.

Ciclismo Biogeoquímico
En esta categoría se evalúa la capacidad de un equipo para aprovechar los estados de óxido-reducción de un determinado elemento y fue la más polémica de todos los juegos debido a las numerosas descalificaciones por dopaje ya que los equipos utilizaban una combinación de elementos químicos y no uno solo. Eso es lo que les pasó a los equipos carbono, hierro y nitrógeno. El único que no fue descalificado y por lo tanto quedó como campeón en solitario, fue el equipo del azufre compuesto por la bacteria reductora de sulfato Desulfosarcina variabilis capaz de producir sulfuros que eran aprovechados por el quimiolitotrofo Beggiatoa sp. que los volvía a oxidar a sulfatos.

El equipo Desulfosarcina /Beggiatoa en acción

Natación sincronizada
De nuevo los Vibrios mostraron que son las bacterias acuáticas por excelencia. En este caso Vibrio parahaemolyticus mostró su maestría y gracilidad en la competición de extenderse rápidamente y por sus propios medios en la superficie de una placa de agar semisólido. Bacillus subitlis y Proteus mirabilis ganaron la plata y el bronce respectivamente.

Esgrima
Los maestros en los sistemas de secreción de tipo VI (T6SS) se toman muy en serio la competición ya que literalmente les va la vida en ello. Los contendientes no sólo deben de ser expertos en el manejo de dichos sistemas, sino también en tener unas buenas defensas para evitar al sistema del contrario. En la figura podemos ver dos de los duelos. En el primero Acinetobacter baylyi (en rojo) consigue imponerse a Vibrio cholerae (en verde). Ambos contendientes muestran una técnica muy similar lanzando sus ataques del T6SS a diestro y siniestro, intentando golpear al adversario el mayor número posible de veces. En la siguiente ronda sin embargo Acinetobacter baylyi fue derrotada por Pseudomonas aeuroginosa que utilizó una táctica muy diferente. Sus ataques eran pocos pero muy precisos y destructivos ya que superaban con facilidad las defensas de su oponente

Equitación
La competición para medir la habilidad de un microorganismo simbionte para controlar el comportamiento de su hospedador estuvo muy reñida. Se confiaba en la capacidad del hongo zombificador brasileño Ophiocordyceps ya que jugaba en casa, pero fue sobrepasado por Wolbachia que consiguió transformar un crustáceo macho en hembra tras inhibir la funcionalidad de sus glándulas endocrinas.

Determinación sexual en el isópodo Armadillidium vulgare y efecto de la simbiosis con Wolbachia. Cordaux et al.

Triatlón
¿Cuál es la bacteria con mayor movilidad frente a un estímulo aeróbico? ¿Y la que tiene un ciclo de Krebs más eficiente? ¿Y la que mejor nada sobre agar sólido? En este caso la competición estuvo muy reñida entre Bacillus subtilis y Escherichia coli. Empataron en la carrera para pasar de un ambiente anóxico a uno aeróbico. E. coli superó por muy poco a B. subtilis en la eficiencia del ciclo de Krebs al poder usar el acetato. Pero la Gram positiva se impuso decisivamente al poder extenderse sobre la superficie de agar mientras E. coli se quedaba inmovilizada en un punto formando una colonia.

Salto de longitud
El premio quedó desierto debido a que todos los participantes dieron positivo en el test para la Transferencia Horizontal de Genes

¡Eso es todo amigos!

Cuando el calor aprieta el menage a trois es una solución.

Origen de la imagen: e-minis

La termotolerancia en las plantas es una característica de mucho interés. Imaginémonos poder transferir dicha propiedad a plantas de uso agronómico que sean de clima frío o templado, para que así pudieran sobrevivir mejor en climas mucho más cálidos. En el parque norteamericano de Yellowstone podemos encontrar a la hierba Dichanthelium lanuginosum capaz de aguantar temperaturas en el suelo de hasta 65ºC. Cualquier otra planta es incapaz de sobrevivir a esas temperaturas.

Sin embargo D. lanuginosum tampoco puede sobrevivir por si misma a tanto calor. Si uno coge semillas y las cultiva en el laboratorio de manera estéril se encontrará que las plántulas son incapaces de aguantar una temperatura superior a los 38ºC. Y de hecho, lo que se encontrará es que su temperatura óptima es de 23-27ºC, como casi cualquier otra planta. La explicación se encuentra en las raíces. D. lanuginosum necesita establecer una simbiosis endofítica con el hongo Curvularia protuberata para adquirir la termotolerancia. De forma llamativa, C. protuberata tampoco puede sobrevivir por si mismo por encima de los 38ºC. Necesita colonizar las raíces de la planta.

Esquema del menage a trois entre la planta Dichanthelium lanuginosum, el hongo Curvularia protuberata y el virus CThTV. Fuente: Marilyn J. Roossinck, 2011

Pero las sorpresas no acababan ahí. Resulta que en alguna ocasión se podían observar plantas colonizadas por el hongo que no mostraban termotolerancia. Debía haber algún motivo y al comparar la biología molecular de los hongos que permitían la termotolerancia con aquellos que no, los investigadores se encontraron con algo muy llamativo. En los primeros se detectaban dos moléculas de RNA bicatenario de 2,2 y 1,8 kb. Tras aislarlos y utilizar la transcriptasa inversa, los fragmentos fueron clonados y analizados. Ambos contenían pautas de lectura abiertas (ORFs) y entre los genes que codificaban se encontraba una RNA polimerasa dependiente de RNA. Es decir, ambos fragmentos provenían de un virus. No es de extrañar que fuera bautizado con el nombre de Virus de tolerancia termal de Curvularia, aunque se le conoce por sus siglas anglosajonas CThTV (Curvularia Thermal Tolerance Virus).

Lo que habían encontrado los investigadores era un menage a trois ecológico. El virus infecta al hongo, el hongo coloniza a la planta y así puede darse la termotolerancia. Todos contentos porque la planta puede colonizar hábitats muy calientes en los cuales no tendrá competencia con otras plantas. La planta alimenta al hongo, el cual se reproducirá y permitirá que en sus conidios pueda ir el virus como pasajero para infectar a la descendencia.

Plantas de Dichanthelium lanuginosum sometidas a estrés térmico. Wt es una planta colonizada por el hongo C. protuberata proveniente de Yellostone. An es una planta que ha sido colonizada en el laboratorio por un hongo C. protuberata infectado a su vez por el CThTV en el laboratorio. VF es una planta colonizada por C. protuberata, pero que no está infectado por el virus (Virus Free). NS es una planta que no ha sido colonizada por el hongo. En la parte inferior se muestra una gráfica con los efectos observados. Origen de la imagen Marquez et al. Sicence 2007

¿Y las aplicaciones? Bueno, una de las cosas que hicieron los investigadores fue provocar la colonización de plantas de tomate con el hongo C. protuberata infectado a su vez por CThTV. No pudieron obtener una colonización en el 100% de todas las plantas, pero en aquellas que si lo fueron se observó una termotolerancia semejante a la de Dichanthelium lanuginosum. Otra de las líneas de investigación que se está llevando a cabo es realizar el transcriptoma de C. protuberata infectado con CThTV y compararlo con el del hongo sin infectar. Lo que se ha encontrado por ahora es que se activa la expresión de genes involucrados en la respuesta a estrés térmico como aquellos que intervienen en la síntesis de moléculas osmoprotectoras: trehalosa, glicina, betaina y taurina. También se ha observado un aumento en la síntesis de melanina en los hongos infectados.


Esta entrada participa en la XXV edición de Carnaval de Biología alojada en el blog Ser Vivo.




Marquez LM et al. (2007). A Virus in a Fungus in a Plant: Three-Way Symbiosis Required for Thermal Tolerance Science, 315, 513-515 DOI: 10.1126/science.1136237

Roossinck MJ (2011). The good viruses: viral mutualistic symbioses. Nature reviews. Microbiology, 9 (2), 99-108 PMID: 21200397

Morsy MR, Oswald J, He J, Tang Y, & Roossinck MJ (2010). Teasing apart a three-way symbiosis: transcriptome analyses of Curvularia protuberata in response to viral infection and heat stress. Biochemical and biophysical research communications, 401 (2), 225-30 PMID: 20849822

El "brillo del angel" y la bacteria "Hulk"

En el año 1862 tuvo lugar una de los enfrentamientos más sangrientos de la Guerra Civil Americana: la batalla de Shiloh. Durante dos días los ejércitos del Norte y del Sur lucharon entre los bosques del Condado de Hardin en Tenesse. Al terminar, el general Grant había ganado pero sobre el terreno quedaron unos 16.000 heridos de ambos bandos. Ningún servicio médico de la época y del lugar estaba preparado para atender a tantas personas, así que muchos de ellos simplemente se les realizó un simple cura y se les dejó en las cercanías de los hospitales de campaña esperando ser atendidos.

Durante la noche llovió sobre el campo de batalla, añadiendo más miseria a los heridos yacentes. Pero en la oscuridad notaron algo muy curioso, en algunos de ellos las heridas mostraban un pálido brillo azul. Al día siguiente, aquellos cuyas heridas habían brillado durante la noche mostraron una mejor tasa de supervivencia y una curación más rápida de sus heridas que aquellos en los cuales las heridas no habían brillado. A dicha luz protectora se la denominó "brillo del ángel". (Angel's glow)

"Angel's glow" Origen de la imagen: Coach D's American History.

La historia podría haber quedado muy bien para un programa sobre leyendas de lo paranormal y otras zarandajas. Pero en el año 2001 un estudiante de 17 años llamado Bill Martin visitó el campo de batalla de Shiloh con su familia y propuso una explicación. Cuando escuchó la historia del "brillo del ángel" se volvió y le preguntó a su madre, Phyllis Martin, una microbióloga del Departamento de Agricultura: "Oye mamá, no podría ser debido a una bacteria bioluminiscente como las que tú estudias".

Una larva de insecto reventada por la acción del gusano Heterorhabditis bacteriophora. Las formas blancas filiformes son los nematodos liberados del interior. Origen de la imagen: Not rocket science.

En realidad Phyllis Martin estudiaba dos seres vivos que se utilizan en el control de plagas. Uno era el nematodo Heterorhabditis bacteriophora. Este gusano tiene un ciclo biológico con seis etapas, a saber: huevo, cuatro estados juveniles y adulto. Pues bien, el tercer estadio juvenil es capaz de infectar insectos, sean estos larvas o imagos. Una vez dentro, el gusano llega al estado adulto, se reproduce sexualmente, pone los huevos, eclosionan, se desarrollan en el interior del insecto y cuando llegan al tercer estadio juvenil, salen del hospedador a buscar nuevas victimas.

Ciclo biológico del gusano Heterorhabditis bacteriophora. Ver el texto para más detalles. Origen de la imagen: Hallem et al..

H. bacteriophora parece otro parásito interno más ¿no? Pero no es así. Fijémonos en su apellido, significa "el portador de bacterias". Y se llama así porque cuando este gusano invade al insecto lo primero que hace es vomitar a la bacteria Photorhabdus luminescens, el segundo ser vivo objeto de estudio por parte de Phyllis Martin. ¿Para qué vomita el gusano a una bacteria?.

P. luminiscens es una gamma-proteobacteria que vive como simbionte en el intestino del gusano. No se encuentra en grandes números y si se la aísla y se inocula en un medio de cultivo apropiado la bacteria crece muy despacio formando pequeñas colonias. Pero cuando la bacteria es liberada en el interior del insecto sufre una auténtica transformación. Es como si Bruce Banner se transformara en Hulk. La bacteria comienza a crecer a gran velocidad y produce un par de toxinas, denominadas Tc y Mcf, que en poco tiempo acaba con el insecto. Después, genera enzimas que degradan las células del insecto liberando nutrientes y formando unos cuerpos de inclusión (llamados Cips) llenos de aminoácidos que pueden ser aprovechados por los nemátodos para su desarrollo. Por si fuera poco, también genera antibióticos que acaban con otras bacterias que puedan estar presentes evitando así la competencia por los recursos. Finalmente, la bacteria se deja comer por las "madres" de la siguiente generación del gusano H. bacteriophora y así es transmitido a la descendencia volviendo a establecerse como un tranquilo simbionte intestinal.

Origen de la imagen: marvel.

Comparación entre las formas P y M de la bacteria P. luminiscens. En A se muestra el diferente tamaño de las colonias. Nótese que en la colonia de forma M ha aparecido un sector con formas P (ver más adelante la explicación). En las microfotografías B y C puede verse la diferencia de tamaño de las formas P comparado con las formas M. En el interior de las formas P pueden verse la acumulación de Cips. En D se muestra la notable diferencia de volumen entre las formas P y M. Origen de la imagen: Somvanshi et al.

P. luminiscens y H. bacteriophora se necesitan el uno al otro. Es una simbiosis mutualista obligada. La bacteria sólo puede sobrevivir en el intestino del gusano o en los tejidos de los insectos infectados. Si la bacteria es ingerida por un insecto no es capaz de hacer nada. En el otro lado, H. bacteriophora sólo puede alimentarse, desarrollarse y reproducirse a partir de los nutrientes contenidos en los Cips y formados por la acción de la bacteria sobre los tejidos del insecto.

Pero aquí no acaba la historia. Seguramente el lector se habrá fijado en el apellido de la bacteria. Sí, efectivamente, P. luminiscens emite luz, y es que así el cadáver del insecto brilla en la oscuridad, y eso atrae a nuevos insectos que pueden convertirse en nuevas victimas de H. bacteriophora. No solo eso, también genera una pigmentación roja muy aparente. ¿Y para qué lo hace? En la Naturaleza, la presencia de pigmentación brillante en los insectos puede tener dos significados. Uno es el aviso: "¡Ojo! ¡Soy venenoso! ¡No me comas!" - el otro es el camuflaje: "A lo mejor soy venenoso, mejor no me comas". En el caso de los insectos infestados con P. luminiscens y H. bacteriophora es un camuflaje, ya que si el insecto que parasitan fuera ingerido por un pájaro u otro animal, ni la bacteria ni los gusanos sobrevivirían al transito intestinal.

En A pueden verse los cadáveres luminiscentes de larvas del insecto Galleria mellonella atacadas por P. luminiscens cuando crece como forma P. En B se muestra a la forma M de P. luminiscens interaccionando con el tubo digestivo del nematodo H. bacteriophora. El brillo verde es debido a que la bacteria ha sido modificada genéticamente para expresar la proteína GFP. Origen de la imagen: Microbewiki.

Está claro que la bacteria P. luminiscens tiene una historia interesante que contar. Cuando P. luminiscens está en el interior del tubo digestivo del gusano H. bacteriophora su morfología y fisiología es muy peculiar, por lo que se le denomina forma M por "Mutualista". En ese estado la bacteria genera unas fimbrias que le permiten interaccionar con las células del epitelio intestinal del gusano. Sin embargo, en cuanto la bacteria entra en el hemocele del insecto, sufre la transformación y se le denomina forma P, por "Patógena". Es en dicha forma cuando la bacteria puede crecer rápidamente y generar antibióticos, toxinas, Cips, etc. ¿Cuál es el mecanismo por el que la pacífica forma M se convierte en un super aniquilador de insectos? Eso es lo que se ha descrito recientemente en un artículo publicado en la revista Science. Todo depende de una simple inversión de un promotor denominado madswitch (traducción: switch significa "interruptor" y mad son las siglas de maternal adhesion pero curiosamente otra traducción podría ser: "interruptor de la locura").

Modelo sobre la transformación de P. luminiscens de la forma P capaz de aniquilar a un insecto(izquierda) a la forma M como simbionte de Heterorhabditis bacteriophora (derecha). Origen de la imagen: Somvanshi et al.

Cuando el promotor apunta en una dirección se pueden expresar los genes que codifican para la producción de las fimbrias que permitirán establecer la simbiosis con las células del epitelio intestinal del gusano. Es decir, la bacteria se encontrará en la forma M. Pero si se cambia la dirección de dicho promotor, entonces se apaga la expresión de esos genes para generar fimbrias y la bacteria se transforma en la forma P. Lo que se ha encontrado es que dicha inversión sucede al azar, lo que permite que siempre haya formas M y formas P simultáneamente. Son las condiciones ambientales las que seleccionan a unas o a otras. Una forma P en el intestino de un nematodo simplemente no puede adherirse y al final acaba siendo expulsada. Una forma M en el interior de un insecto no puede crecer y es eliminada.

Mapa físico del locus mad, en el que se encuentran los genes para la expresión de fimbrias para la adhesión al intestino del nematodo (en azul). El gen madR (en rojo) codifica para una recombinasa específica de sitio que invierte la secuencia promotora, apagando el sistema y promoviendo la transformación a forma P. Origen de la imagen: Somvanshi et al.

¿Fue P. luminiscens o alguna bacteria relacionada la responsable del "brillo del angel"? Los antibióticos producidos por la bacteria podrían explicar el porqué de la mejora de los soldados heridos. Y ese fue el proyecto de ciencias que Bill Martin y su compañero John Curtis desarrollaron y que les hizo ganar un premio. Encontraron que tanto el gusano como la bacteria eran muy frecuentes en los suelos del campo de batalla de Shiloh. También encontraron que ninguno de los dos podía crecer a la temperatura del cuerpo humano, pero recordemos que la noche de después de la batalla fue una noche lluviosa y fría, así que quizás los soldados sufrieron hipotermia y así se dieron las condiciones para que P. luminiscens creciera durante un lapso de tiempo durante el cual generó suficientes antibióticos que permitieran eliminar a otros microorganismos patógenos presentes en las heridas y así evitar la infección.

Hallem EA, Dillman AR, Hong AV, Zhang Y, Yano JM, DeMarco SF, & Sternberg PW (2011). A sensory code for host seeking in parasitic nematodes. Current biology : CB, 21 (5), 377-83 PMID: 21353558

Somvanshi VS, Sloup RE, Crawford JM, Martin AR, Heidt AJ, Kim KS, Clardy J, & Ciche TA (2012). A single promoter inversion switches Photorhabdus between pathogenic and mutualistic states. Science (New York, N.Y.), 337 (6090), 88-93 PMID: 22767929

La Compañía de Transporte Paenibacillus

Enlightenment, una obra de arte realizada con una colonia bacteriana de Paenibacillus creciendo en agar. Fuente de la imagen: Esher Ben-Jacob online art gallery.

Como en ocasiones anteriores, volvemos a traer del blog Small Things Considered la traducción de una estupenda entrada escrita por Moselio Schaechter.

Los microbios se mueven. Pueden ser transportados por el viento, los insectos, o por las corrientes de agua, a veces a través de grandes distancias, a veces de un grano de tierra al siguiente. Algunas bacterias contribuyen a su dispersión por su propia movilidad o, podemos pensar que en raras ocasiones, por la movilidad de otros microbios. Es difícil generalizar, porque hay demasiadas variables, demasiadas condiciones en las cuales los microbios están en movimiento. Sin embargo, este tema puede ser pura diversión. Por lo que fue un placer leer un delicioso relato de cómo las bacterias pueden transportar esporas de un hongo en beneficio de ambos.

Microfotografía de un ejemplar de la especie Paenibacillus polymyxa Fuente de la imagen: He et al..

Pero primero un poco de historia, tanto microbiana como personal. Algunas bacterias, cuando se las coloca sobre una superficie de agar, no se quedan quietas, sino que se desplazan desde el punto de inoculación. Algunas como Bacillus mycoides , simplemente lo hacen extendiendo sus largos filamentos, pero otras lo hacen moviéndose sobre la superficie del agar. Hay varias formas de desplazarse, ya sea con flagelos (un proceso llamado enjambrazón, "swarming") o sin ellos (por ejemplo, por deslizamiento "gliding" o por espasmos "twitching" ). El enjambrazón, ya sea en bacterias Gram-positivas como en determinadas especies de Bacillus, o en bacterias Gram-negativas como Proteus, es una actividad comunal. Las células individuales no pueden enjambrar, los agregados de varias células si lo hacen. Al microscopio, los enjambres son balsas de bacterias dispuestas lado con lado, moviéndose a lo largo de un camino que a veces sigue un recorrido regular, y a veces no. (Para descargar una película de una "balsa" de celulas en enjambre, haga clic aquí). La velocidad de movimiento a lo largo de la superficie del agar es bastante impresionante, sobre unas 180 µm / min ó 10 mm / h. Esto significa que si colocamos una bacteria en el centro de una placa de Petri de 14 cm, alcanzará el borde en unas siete horas. Cuando un enjambre ha cubierto una distancia determinada, o bien las células dejan de moverse como en el caso de Proteus, o bien forman unas colonias en forma de disco que tienen la extraña habilidad de rotar. (Para descargar una película de una "colonia" de células enjambradas, haga clic aquí). La velocidad a la rotan es también bastante rápida, una revolución cada 10 segundos. Hacia el final de mi carrera, pero cuando todavía tenía un laboratorio, mi colaboradora Dana Boyd y yo jugamos un poco con estos organismos. Esa fue la última vez que trabajé en la poyata, por lo que siento bastante aprecio por este tema.

Una típica pauta colonial generada por P. vortex cuando crece en agar al 2,25% (p/v) con peptona al 2% (p/v) en una placa Petri. (A) Vista general de la colonia. Cada vórtice (un grupo condensado de bacterias, los puntos brillantes) esta compuesto de muchas células que enjambran colectivamente alrededor de su centro común a una velocidad de 10 μm/s. (B) Un vórtice individual. El diámetro del vórtice es de 75 μm. Fuente de la imagen: Ingham and Jacob.

Observar las bacterias que enjambran es un juego al que cualquiera puede jugar. Si se tiene acceso a una placa de Petri con agar en ella, coja unos cuantos granos de cualquier suelo y colóquelos en el centro. A las seis horas más o menos, verá que entre las muchas colonias pequeñas de la superficie habrá alguna que se aleja del lugar de inóculo. Lo que verá son unos senderos con "colonias" al final. Lo más probable es que esté viendo a Paenibacillus, el organismo que voy a presentar aquí.

Las muchas especies del género Paenibacillus antes eran parte del género Bacillus (de hecho su nombre actual significa “casi Bacillus”). Este género es uno de los campeones de la formación de enjambres que ha desconcertado a los microbiólogos durante más de 100 años. Y la pregunta que uno se hace es ¿por qué enjambran? Hmm, lo más obvio e intuitivo es que deben hacerlo para buscar comida. No tan rápido. Los enjambres no muestran quimiotaxis o cualquier otra preferencia por buscar nutrientes necesarios, como otras bacterias hacen. Observamos que nuestras cepas podían enjambrar en agar conteniendo solamente tampón fosfato y nada más. Por si no fuera bastante, añadimos cloranfenicol, antibiótico al que estos bichos son sensibles, y vimos que sus viajes no se veían afectados. En ningún momento observamos que los enjambres se movieran de manera preferente hacia un lugar en la placa en la que habíamos puesto una variedad de nutrientes.

En nuestros esfuerzos por averiguar por qué ocurría todo esto, confirmamos algo que ya se conocía, a saber, que las bacterias enjambradas podían transportar otras bacterias, como por ejemplo cocos. Para comprobarlo utilizamos partículas de látex de 1 micra de diámetro y, adivínenlo, las partículas fueron extendidas por los alrededores de la placa. Esas partículas parecían ser empujadas, como si estuviera en la cabecera de una balsa o atrapadas dentro de ella. En ese momento empezamos a pensar que el enjambrazón podría ser utilizado para la interacción con otros organismos, posiblemente para transportar especies que podrían proporcionar comida al enjambre en ciertos ambientes empobrecidos. Nunca lo llegamos a demostrar, a pesar de ser verosímil, tanto hoy en día como entonces.

Sin embargo, para mi satisfacción, otros han tenido mirada más larga y productiva. En particular, el microbiólogo Colin Ingham se asoció con el físico Esher Ben-Jacob y sus colegas Oren Kalisman y Finkelstein Alin para sondear a estas bacterias. No sólo eso, se lo están pasando en grande con los patrones que estas bacterias forman en el agar como lo demuestra la obtención de una galería de sensacionales imágenes. En un reciente artículo, los investigadores demostraron que estas bacterias son capaces de mover las esporas del hongo Aspergillus fumigatus. Este hongo es un organismo común del suelo conocido por causar infecciones en pacientes inmunocomprometidos. Las esporas del hongo no son móviles, por lo tanto dependen de las corrientes de agua o aire para su dispersión. Resulta que si se mezclan estas esporas con células de una especie de Paenibacillus llamado P. vortex las esporas se mueven a lo largo de una distancia, en la misma proporción que las bacterias. Después de una adecuada incubación, las colonias de hongos aparecen por todo la placa Imaginen las implicaciones prácticas de estos hallazgos.

Estos balseros microscópicos pueden transportar una carga bastante grande. No tiene porque ser esporas individuales, sino también los agregados de esporas de hasta 25 micras de ancho (cada espora tiene aproximadamente 3 micras de longitud). Esto recuerda a las hormigas que puede llevar hasta un centenar de veces su peso corporal. Pero es incluso mejor. Estas bacterias pueden impulsar a las esporas del hongo a través de un área de agar que haya sido impregnada con un antifúngico, es como ayudarlas a atravesar un auténtico campo minado.

Los bateleros del Volga de Ilya Repin. Fuente: Wikipedia

En la búsqueda de los mecanismos implicados, los autores encontraron que no todas las esporas de los hongos pueden ser tan transportadas. Las esporas de algunas especies de hongos, parientes cercanos de A. fumigatus, no juegan el juego y se quedan depositadas en el agar. Además, las esporas germinadas tampoco se transportan de manera eficiente. Bajo el microscopio electrónico, se observa que las esporas están rodeadas por los flagelos bacterianos. Y si se añaden flagelos purificados, se inhibe su transporte. Este resultado sugiere la presencia de receptores para los flagelos en la superficie de ciertas esporas y no en otras. Entonces, ¿es que hay dos mecanismos diferentes involucrados, uno para partículas no específicas como las bolas de látex, y otro específico para ciertas cargas? ¿Tiene esto algo que ver con el tamaño del objeto a mover, siendo los de mayor tamaño los que requieren un reconocimiento químico por la bacteria?

Es fácil ver el beneficio para el hongo. Es trasladado, por lo que es dispersado a nuevos lugares. Pero, ¿cuál es el de las bacterias? Los investigadores hicieron un experimento sencillo pero inteligente: realizaron un corte en el agar de medio milímetro de ancho. Las bacterias no podían cruzar por sí solas esa brecha, pero los hongos no tenían ningún problema en superarla con sus hifas. Y cuando las bacterias y hongos están presentes a la vez, ¿adivinen qué? En el otro lado de la brecha se encuentran bacterias que habían hecho un acto de funambulismo usando la hifa del hongo como una cuerda floja. En otros sistemas, y en cierto modo eso era de esperar, han observado que las bacterias hacen biofilms en la superficie de las hifas.

Bacterias cruzando un cañón en una placa de Petri gracias a un puente natural formado por el micelio de un hongo (foto superior, cortesía de Colin Ingham), de forma muy parecida a los animales que cruzan por un puente artificial un cañón en Nepal (foto inferior, cortesía de Aya Ben-yakov). Fuente: Riding with Bacteria

No sólo estas bacterias se mueven en agar a buen ritmo, sino que lo hacen incluso en condiciones de hambruna. Como ya mencioné, en mi laboratorio habíamos visto enjambres que se movían a velocidades normales en agar que contenía unicamente tampón fosfato. Sin ningún nutriente añadido. Parece que se quieren mover a toda costa, consumiendo sus preciosas reservas metabólicas en el proceso. La enjambrazón es su principal prioridad fisiológica. Así que uno pensaría que se trata de una propiedad que ha sido seleccionada de manera preferente por la evolución. Sea cual sea su propósito, puede que descartáramos prematuramente que algún tipo de quimiotaxis estuviera involucrada. En el material complementario del artículo de Ben-Jacob (Ver película del archivo adicional 5), hay una indicación de que los enjambres de las bacterias se mueven hacia el material extracelular depositado en los senderos, aunque esto puede no ser debido a razones nutricionales.

Ahora, una última palabra sobre Paenibacillus y su genoma. Resulta que es un bicho muy inteligente, de hecho, podría decirse brillante en un aspecto. Ben-Jacob contó el número de genes potencialmente implicados en las conductas sociales de los genomas de diversas especies bacterianas. Y propuso un escala de coeficiente inteligencia social bacteriana (IQ Social), que él describe como: “una puntuación cuantitativa… para evaluar el potencial del genoma de la bacteria para llevar a cabo con éxito comportamientos cooperativos y adaptables (o comportamientos sociales) en medios ambientes complejos y adversos ... La puntuación está basada en el número de genes que permiten a las bacterias poseer habilidades para comunicar y procesar información medioambiental (sistema de dos componentes y genes de factores de transcripción), para tomar decisiones y para sintetizar agentes ofensivos (tóxicos) y defensivos (neutralizantes), según sea necesario durante la guerra química con otros microorganismos”. Y el remate de la historia: “De entre todas las bacterias secuenciadas, tres especies destacan con puntuaciones de IQ-Social significativamente altas,-más de tres desviaciones estándar por encima de la media-, lo que indica una capacidad de habilidades sociales excepcionalmente brillante. Cabe destacar que todas estas especies pertenecen al mismo género bacteriano: Paenibacillus ....”

Distribución de los IQ Sociales relativos de 502 especies bacterianas. El verde indica las cepas bacterianas que pertenecen al género Paenibacillus. Fuente: Wikipedia

Esta entrada participa en el IX carnaval de la Biología organizado por Carlos Lobato en el blog La Ciencia de la Vida.



Ingham CJ, Kalisman O, Finkelshtein A, & Ben-Jacob E (2011). Mutually facilitated dispersal between the nonmotile fungus Aspergillus fumigatus and the swarming bacterium Paenibacillus vortex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 108 (49), 19731-6 PMID: 22106274

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

Streptomyces en las antenas, antibióticos en el capullo

La avispa "lobo de las abejas" europea Philanthus triangulum (Fuente: Wikipedia.)

Los "lobos de las abejas" son un tipo de avispas depredadoras del género Philantus cuyas presas son las abejas, de ahí su nombre. Mientras los machos marcan sus territorios depositando sus feromonas en pequeños objetos, las hembras adultas construyen nidos que son túneles bajo tierra en los que depositarán sus huevos junto con alimento para que se desarrollen las larvas. El nido es una auténtica obra de ingeniería. Lo excava en la arena y puede llegar a tener un metro de largo. Se introduce en la tierra con un ángulo de 30 grados y luego va creando cámaras de incubación a intervalos regulares.

La avispa hembra captura a una abeja y le inocula el veneno en una zona membranosa de la región ventral donde causa la paralización de los músculos voluntarios, sin matar a la víctima. Posteriormente se la lleva al tunel y depositan un huevo en las presa para que, una vez eclosione, les sirvan de alimento hasta completar el desarrollo. Una vez la larva de avispa ha consumido a la abeja, entra en estado de pupa para completar su metamorfosis en avispa adulta. Ese proceso de metamorfosis puede durar varios meses.

Avispa lobo con una presa (Fuente: Wikipedia.)

El comportamiento de este avispa es bastante llamativo, pero no es la única sorpresa que guarda. El equipo del Doctor martin Kaltenpoth del Instituto Max Planck de ecología Química ha encontrado que estas avispas, para poder sobrevivir, necesitan realizar una simbiosis con una especie de bacterias del género Streptomyces.

Las condiciones de los túneles son húmedas y en los suelos siempre hay una gran cantidad de microorganismos, sobre todo hongos. Si uno pone algo de materia orgánica bajo tierra es muy probable que una hifa de un hongo lo encuentre y lo aproveche para alimentarse y crecer. Sin embargo, esto no suele suceder en el caso de las larvas de las avispas lobo. Los hongos y bactterias no las molestan, sobre todo en el delicado estado de pupa, en la que la larva está inerte en el interior de su capullo.

En la fotografía de la izquierda se ve a una hembra de avispa lobo secretando S. philanti desde sus glándulas antenales. A la derecha, imágenes de S. philanti marcadas con un fluoróforo específico (Fuente: Kroiss et al.)

Y no sufre molestias porque este avispa ha hecho una alianza defensiva con los Streptomyces. Las avispas hembra presentan unas glandulas en sus antenas que están repletas de una especie de bacteria, a las que se ha bautizado como Streptomyces philanti, y que son inoculadas en el huevo y en la cámara nidal cuando realiza la puesta. Posteriormente la bacteria es inoculada por la larva en la fibra con la que construye el capullo. Pero la inoculación es en las fibras más superficiales, no en las mas profundas. De esa forma, la bacteria crece en la superficie de la pupa generando al mismo tiempo un cóctel de nueve antibióticos que se distribuyen por el capullo y evitarán que otros microorganismos invadan al insecto. Al crecer sólo en la superficie los antibióticos no penetran en el insecto y así no interfieren con su metamorfosis.

Distribución de los antibióticos en el capullo de la avispa-lobo. La imagen utiliza falso color para mostrar los resultados de la espectrometría de masas. (Fuente: Physorg.com)

Los antibióticos son una estreptoclorina y ocho tipos de piericidina. Cada uno tiene propiedades inhibitorias del crecimiento, pero en combinación su potencia se ve aumentada por un efecto sinérgico. El utilizar un cóctel antibiótico tiene una ventaja añadida. Es muy difícil que un microorganismo desarrolle una multirresistencia capaz de lidiar con los nueve antibióticos a la vez.

Antibióticos producidos por S. philanti. A la izquierda, estreptoclorina, un inductor de la apoptosis mediante activación de las caspasas. A la derecha, una de las piericidinas, la glucopiericidina A. Las piericidinas son inhibidores de las NADH Deshidrogenasas (Fuente: Kroiss et al.)

Como es lógico la investigación está siguiendo nuevos caminos. Por un lado se intenta identificar los antibióticos secretados para ver si tienen interés como antimicrobianos de uso clínico. Por otro, se está buscando en otras especies de avispas depredadoras si este tipo de simbiosis defensiva existe y si las bacterias o los antibióticos producidos por ellas son distintos y por lo tanto, puedan tener interés desde el punto de vista biotecnológico.

Esta entrada participa en el III carnaval de la biología, el IV carnaval de la química.

Kroiss J, Kaltenpoth M, Schneider B, Schwinger MG, Hertweck C, Maddula RK, Strohm E, & Svatos A (2010). Symbiotic Streptomycetes provide antibiotic combination prophylaxis for wasp offspring. Nature chemical biology, 6 (4), 261-3 PMID: 20190763