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 fluorescencia, prótesis y caderas reales infectadas

Hace cosa de un mes no había periódico, radio o televisión de este país en la que no apareciese una noticia o comentario sobre la infección de la prótesis de cadera del rey. Muchos periodistas y tertulianos varios se convirtieron de la noche a la mañana en especialistas de microbiología clínica y de cirugía ortopédica y se preguntaban y clamaban que cómo era posible que no se hubiera detectado antes esa infección. Como es lógico la cuestión llegó al parlamento, y hubo incluso una diputada de ERC que aprovechando el río revuelto recomendó que el rey se tratara con homeopatía en su defensa de regular esa pseudociencia (menos mal que no la hicieron caso). Tras la operación se determinó que los microbios causantes de la infección habían sido una cepa de Staphylococcus hominis y un Propionibacterium sin identificar ¿Y por qué no se detectó a tiempo la infección? la respuesta es que no es fácil. Uno de los sueños de cualquier microbiólogo clínico es que existiera algún tipo de sonda que inyectada en el cuerpo del paciente se dirigiera al foco de infección y allí se uniese a los microrganismos patógenos lo que facilitaría mucho la diagnosis y el tratamiento a seguir. Bien, pues puede que esa herramienta esté mucho más cerca de existir de lo que parece.

En un reciente artículo publicado en la revista Nature Communications un grupo de científicos holandeses, alemanes y norteamericanos han desarrollado una técnica que permitiría la visualización en tiempo real de los focos de infección mediante el uso de vancomicina fluorescente. Los investigadores tomaron ratones a los que provocaban una infección en el interior de un músculo utilizando a la bacteria Staphylococcus aureus o a la bacteria Escherichia coli . Como control utilizaron ratones en los que provocaban una inflamación muscular utilizando bolitas de Cytodex estéril. A los dos días de la infección se les inyectaba el antibiótico fluorescente y 24 horas después los investigadores podían observar los lugares a los que el antibiótico se había unido y el progreso en el tratamiento.

Estructura de la molécula fluorescente Vanco-800CW que está compuesta del fluoroforo IRDye800CW (parte superior) unido mediante una deoxi-glucosa a la Vancomicina (parte inferior). Fuente: Van Oosten et al. 2013

Así encontraron que S. aureus era fácilmente detectada pero E. coli no. La explicación es que la vancomicina es un antibiótico que inhibe la síntesis del peptidoglicano, el componente principal de la pared bacteriana. Como la penicilina también inhibe la transpeptidación pero su mecanismo de acción es distinto. En el caso de la penicilina, el antibiótico se une al centro activo de la enzima PBP y lo bloquea irreversiblemente. Lo que hace la vancomicina es unirse al dipéptido D-ala-D-ala bloqueando la entrada de la enzima PBP con lo que no puede realizar la transpeptidación. En el caso de las bacterias Gram positivas la vancomicina puede acceder al lugar donde ejerce su acción. Pero las bacterias Gram negativas como E. coli tienen una membrana externa que rodea a la pared de peptidoglicano, con lo que la vancomicina se queda fuera y no hace nada.

Diseño experimental: A los ratones se les provocaba una miositis inyectando intramuscularmente a la bacteria S. aureus en un muslo y a la bacteria E. coli en otro para comparar. El control negativo era la producción de una miosistis mediante el uso de bolitas estériles de Cytodex, un polímero inerte. Posteriormente por vía intravenosa se inyecta el fluoróforo. La molécula de Vanco-800CW se une a los dipéptidos D-Ala-D-Ala del peptidoglicano de S. aureus lo que permite su detección. Fuente: Van Oosten et al. 2013

Pero claro, una cosa es usar un ratón que es un animal pequeñito y donde es relativamente sencillo detectar la fluorescencia interna y otra cosa es un ser humano. El siguiente paso fue comprobar si este método funcionaba en el caso de una infección localizada en una prótesis dentro de una pierna humana. Evidentemente no usaron a un ser humano vivo, sino la pierna proveniente de un cadáver. También en este caso tuvieron éxito en la detección del foco infeccioso. Ahora se van a comenzar los ensayos clínicos con pacientes reales, y hablando de eso, quizás podrían preguntar en la Zarzuela por algún voluntario.

Imágenes de un ratón al que se le ha inducido una miositis en su pierna izquierda con E. coli y en su pierna derecha con S. aureus. Las imágenes han sido recogidas a las 8 y a las 24 horas después de la inyección intravenosa del fluoróforo. Las imágenes de la columna izquierda son de bioluminiscencia mientras que las de la izquierda son de florescencia. Nótese el llamativo color naranja de la inflamación provocada por S. aureus. Fuente: Van Oosten et al. 2013

Esta entrada participa en el XXIX carnaval de la Química organizado por el blog Más ciencia por favor, y en ka siguiente edición del carnaval de la biología cuando tenga un sponsor

La imagen superior fue montada a partir de imágenes de los siguientes sitios web: El Mundo, wikipedia, Microbial Clasification y leavingbio. Y sí, ya sé que los colores están en vertical y no en horizontal, pero el montaje me quedaba mejor así.



van Oosten M, Schäfer T, Gazendam JA, Ohlsen K, Tsompanidou E, de Goffau MC, Harmsen HJ, Crane LM, Lim E, Francis KP, Cheung L, Olive M, Ntziachristos V, van Dijl JM, & van Dam GM (2013). Real-time in vivo imaging of invasive- and biomaterial-associated bacterial infections using fluorescently labelled vancomycin. Nature communications, 4 PMID: 24129412

De astronautas y microbios

En un futuro puede que exista una tripulación de incompetentes inútiles como los de la nave espacial "Prometheus", pero por ahora los ingenieros y los científicos se están devanando los sesos para evitar que los astronautas que vayan a realizar largos viajes espaciales sucumban ante un peligro muy real, aunque parezca muy pequeño: los microbios.

No es la primera vez que comento en el blog los problemas que suponen las infecciones para los astronautas. La situación es algo parecida a la que sufrían los marineros en los tiempos en que se realizaban largas travesías a vela. No sólo hay que llevar provisiones y agua para varios meses, sino que además hay que estar preparados para las tormentas o para cualquier imprevisto. Uno de los mayores temores era la aparición de una enfermedad lejos de cualquier puerto que podría acabar con todos los miembros de una tripulación.

Una situación similar puede darse en un viaje espacial a Marte. La microgravedad, el estrés y la exposición a la radiación causan alteraciones en el sistema inmunológico lo que provoca que los astronautas sean más susceptibles a las infecciones o a la reactivación de patógenos latentes como el herpes virus. Pero las condiciones que hay en el espacio también afectan a los patógenos, cambiando su virulencia, su cinética de crecimiento, su resistencia al ataque de macrófagos o de sustancias antibióticas y su capacidad de formación de biofilms, lo que supone un riesgo añadido a la salud de los astronautas.

Si añadimos a eso el hecho de que las interacciones entre microbios y astronautas se dan en un lugar pequeño, en el que la microgravedad facilita la formación y persistencia de aerosoles con partículas que pueden contener microbios, por ejemplo las gotitas de un estornudo permanecen flotando horas o días en lugar de caer al suelo, enseguida queda claro que las oportunidades para una contaminación masiva del medio ambiente de una nave espacial son muy elevadas, y ese riesgo sanitario puede poner en peligro cualquier misión espacial de larga duración.

Fuente: Futurity.org

Por si fuera poco, las limitaciones energéticas de una nave espacial impiden que la filtración del aire sea todo lo eficiente que debería ser si se quisiera eliminar a los patógenos aerosolizados utilizando filtros HEPA. Peor aún, dichos procesos de filtración espacial no pueden eliminar vapores producidos por productos desinfectantes de uso rutinario en condiciones terrestres.

El profesor Leonard Mermel, experto en enfermedades infecciosas de la Universidad de Brown, ha trabajado en este tema con la NASA y ha encontrado que en las 106 misiones de la lanzadera espacial se contabilizaron 29 casos de infecciones entre los 742 tripulantes que participaron en dichas misiones. El porcentaje es un 4% y parece pequeño, pero imaginemos que tuviera lugar una infección grave en la misión que se está planeando para enviar seres humanos a Marte. Esta misión durará un par de años y un caso así podría significar la interrupción de la misma, o lo que es peor, la muerte de uno o varios miembros de la tripulación. Mermel, está intentando desarrollar una serie de ideas y protocolos de actuación dirigidos a preparar a los astronautas para prevenir dichas infecciones y mantener a los microbios a raya. Sus conclusiones y recomendaciones han sido publicadas en la revista Clinical Infectious Diseases.

Una de las medidas será vacunar a los astronautas frente a diversos patógenos como la gripe, el meningococo y el neumococo. También se analizará si están afectados por alguna enfermedad latente como la tuberculosis. Además se les proporcionará comida esterilizada por irradiación, pañuelos desinfectantes, mascarillas quirúrgicas, respiradores, una gran variedad de antibióticos y kits de diagnóstico para identificar microorganismos patógenos. Por si no bastara, los astronautas serán examinados antes del vuelo para ver si son portadores asintomáticos de diversos patógenos como ciertas cepas de Staphyloccocus aureus resistentes a los antibióticos. Incluso sus heces serán examinadas para comprobar que no presentan patógenos como Salmonella.

Pero no sólo se está trabajando en el factor humano. Los ingenieros también tienen mucho que decir. Una de las líneas en la que se está trabajando es en la de diseñar un sistema de filtros HEPA que pueda funcionar en las condiciones limitantes de energía presentes en la nave espacial. Otra es en el diseño de los aseos, que deben de tener su propia presión atmosférica negativa para evitar que los microorganismos escapen. El reciclaje y suministro de agua libre de patógenos es otra de las principales preocupaciones. También se ha prestado atención al desarrollo de productos higiénicos para asear las manos que no requieran agua y en el desarrollo de superficies que eviten la formación de biofilms bacterianos. Incluso se incluyen medidas drásticas como la incorporación de una zona de cuarentena donde puedan aislarse a los astronautas enfermos y así evitar el contagio al resto de la tripulación.

sVariables que influyen en el riesgo de infecciones y su transmisión durante un viaje espacial. Fuente: Clinical Infectious Diseases

Pero además de los astronautas, habrá otros pasajeros en el viaje: las bacterias simbiontes. Al parecer, comer comida esterilizada durante dos años no es algo muy saludable para nuestra microbiota intestinal. La ingesta de microbios probióticos estimula al sistema inmune y como se ha indicado al principio, eso es algo muy deseable en estas condiciones. Así que se está trabajando en la manera de llevar “suplementos probióticos” para añadir a la dieta espacial. Incluso también se ha considerado que se lleven cepas de Staphylococcus epidermidis pues este simbionte de nuestra piel evita que sea colonizada por microorganismos patógenos. Ciertamente, los desafíos para la exploración espacial son grandes, pero esperemos que puedan ser solventados.

Esta entrada participa en el XXXV Carnaval de la Física alojado en Noticias del Cosmos, en el XVIII carnaval de la Química alojado en XdCiencia, en el XVII carnaval de la Biología alojado en Pero esa es otra historia... y en el II carnaval de la nutrición alojado en Alimmenta.





Mermel LA (2012). Infection Prevention and Control During Prolonged Human Space Travel. Clinical infectious diseases : an official publication of the Infectious Diseases Society of America PMID: 23051761

Bichos espaciales

Hace 50 años, el astronauta Yuri Gagarin se convirtió en el primer ser humano en viajar al espacio. Junto con él viajaban unos cuantos millones de bacterias, que afortunadamente, no le causaron ningún problema. Algo que no pudieron decir alguno de sus posteriores colegas astronautas.

Por ejemplo, durante el viaje del Apolo 7, el astronauta Wally Schirra pilló un resfriado de origen viral que contagió a sus compañeros de misión. Si hubieran estado en la Tierra, el resfriado habría sido una molestia más o menos llevadera. Muchos estornudos y muchos mocos que limpiar mediante el uso de incontables kleenex para sonarse la nariz. Sin embargo en el espacio las condiciones de microgravedad provocan que el moco no sea expulsado por lo que se acumula en los senos nasales causando una dolorosa sinusitis. La enfermedad causó irritabilidad en los astronautas y más de una vez discutieron con el control de la misión. Pero lo peor estaba por llegar. Si alguien ha volado estando constipado sabrá lo mal que se pasa debido a los cambios de presión. Pues ahora imagínese lo que debió de ser la reentrada en la atmósfera. Los astronautas se negaron a ponerse el casco para así poder sonarse mientras se realizaba la reentrada. Debido a la insubordinación los tres astronautas no volvieron a viajar al espacio. Y sin embargo surgió algo bueno de tan terrible experiencia. La NASA puso dinero para investigar en una forma de aliviar los síntomas del resfriado y así se desarrollaron los anti-histamínicos basados en el clorhidrato de oximetazolina.

Oximetazolina (Fuente: Wikipedia.)

Desde entonces se han dado otros casos de enfermedades infecciosas leves en viajes espaciales. Suelen ser conjuntivitis, infecciones respiratorias y dentales. También suelen darse algunas infecciones cutáneas, sobre todo debido a la permanencia de sensores médicos pegados a la piel. Rara es la misión en la que no hay algún problema, y a pesar de que se llevan antibióticos en los botiquines espaciales se ha observado que los microorganismos son más resistentes de lo normal a la acción de los mismos. Para colmo, también se ha comprobado que la microbiota residente presenta cambios, observándose un aumento de las poblaciones de patógenos oportunistas como Staphylococcus aureus.

Los mayores cambios se observan en la microbiota intestinal. A las dos semanas de un viaje espacial se observa que el número de especies bacterianas intestinales se reduce, entre ellas los lactobacilos y las bifidobacterias. También se observa que hay un intercambio bacteriano entre la tripulación. Gracias a experimentos realizados en la Tierra con voluntarios mantenidos en condiciones de aislamiento se sabe que esos cambios son debidos a la ingestión continuada de comida estéril deshidratada. Por ello se suministran bacterias probióticas a los tripulantes de las naves espaciales.

Aunque el astronauta que peor lo pasó debido a una infección bacteriana fue Fred Haise. Es probable que los lectores hayan visto la película "Apolo 13", que narra la odisea que sufrió la tripulación de dicha nave en su fallido viaje a la Luna en el año 1970. Los actores Tom Hanks, Kevin Bacon y Bill Paxton interpretaban a los astronautas Jim Lovell, Jack Swigert y Fred Haise. Recordarán que uno de los astronautas se pone enfermo durante la accidentada travesía, presentando síntomas de letargia y fiebre. Cuando regresaron a la Tierra, a Fred Haise se le diagnosticó una infección urinaria por la bacteria Pseudomonas aeruginosa. El motivo de la misma fue que durante las 87 horas que duró la odisea, los astronautas sufrieron frío, deshidratación y no pudieron cambiarse sus catéteres urinarios.

Tratamiento antibiótico recibido por Fred Haise para combatir su infección. La tetraciclina fue suministrada durante la misión. La furadantina es un imidazol que se usa para tratar infecciones urinarias. Coly-Mycin es la colistina, un antibiótico peptídico del grupo de la polimixina muy efectivo contra P. aeruginosa(Fuente: Biomedical Results of Apollo.)

¿Por qué las infecciones son comunes en el espacio? Por varias causas. Además de las indicadas antes hay que añadir que el sistema inmune no funciona muy bien allí arriba. Se ha comprobado que el número de linfocitos decrece y que la concentración de anticuerpos en suero disminuye. Pero es que además, en condiciones de microgravedad la concentración de partículas aéreas en suspensión se incrementa enormemente. En condiciones de gravedad muchas de esas partículas caerían al suelo. En microgravedad flotan causando irritaciones de las mucosas, los ojos y aumentando la probabilidad de que lleguen al interior de los pulmones.

Así que si por un casual algún lector se apunta a un viaje espacial turístico, ya sabe que tiene que tener un poco de cuidado.

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

Decelle JG, & Taylor GR (1976). Autoflora in the upper respiratory tract of Apollo astronauts. Applied and environmental microbiology, 32 (5), 659-65 PMID: 984836

Taylor PW, & Sommer AP (2005). Towards rational treatment of bacterial infections during extended space travel. International journal of antimicrobial agents, 26 (3), 183-7 PMID: 16118047

¿Medicamentos a partir del cerebro de las cucarachas?

No, no está en un blog sobre pócimas y brujería. Pero lo cierto es que la noticia me ha hecho recordar una historia que oí una vez sobre un ungüento para tratar las infecciones de oído fabricado a base de alas de cucaracha machacadas y dejadas macerar en aceite de oliva. Por supuesto, ni lo he probado, ni recomiendo que alguien utilice algo tan asqueroso.

El caso es que el pasado 7 de septiembre se presentó una comunicación en un encuentro de la Society for General Microbiology que se celebra en la Universidad de Notinggham. La idea de los microbiólogos Naveed Khan y Simon Lee es que estos insectos suelen vivir en los lugares más sucios conocidos por el ser humano. Las cucarachas se arrastran por entre carne corrompida, vegetales podridos y desechos putrefactos repletos de bacterias y parásitos. ¿Cómo consiguen sobrevivir?

Los investigadores pulverizaron varias partes del cuerpo de estos insectos y los incubaron durante dos horas con distintas bacterias. Posteriormente, inoculaban la mezcla en una placa Petri y las dejaron en la estufa de crecimiento durante toda la noche. La sorpresa fue encontrar que los extractos del cerebro habían acabado con el 90% de las bacterias. Y entre las bacterias ensayadas estaba el estafilococo MRSA. No eran los únicos insectos con esta propiedad. El tórax de las langostas también acababa con los cultivos bacterianos.

Pero una sustancia puede ser un potente antibacteriano y sin embargo ser totalmente inútil. Lo siguiente que hicieron los investigadores fue incubar los extractos de insectos con células humanas de riñón o con células epiteliales para comprobar si las afectaban. Y vieron que no. Las células parecían crecer sin problemas.

Han intentado identificar las moléculas responsables de dicho efecto antimicrobiano. Al parecer son nueve, pero aún desconocen de que tipo son. También desconocen si el efecto antimicrobiano es debido a cada una de ellas o es un efecto sinérgico. Es decir, si actúan por separado o como un cóctel. Y finalmente, aún es pronto para decir si podrán tener aplicación terapéutica.

Y es que, como ya vimos en una entrada anterior, las cucarachas guardan un montón de sorpresas.

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Evasión dorada

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La bacteria Staphylococcus aureus. Fuente: NaturaLEO

Una de las funciones de nuestro sistema inmune es la de defendernos de los microorganismos patógenos. Para ello dispone de una gran diversidad de células. Algunas de ellas, como las células de Langerhans o los macrófagos circulantes, son las responsables de la llamada respuesta inmune inespecífica. Estas células son la primera línea de defensa y suelen encontrarse en las mucosas. Otras como los linfocitos, son células en responder de manera especializada tras haber entrado en contacto con la amenaza, y por ello son las responsables de la respuesta inmune adquirida.


Un aspecto crucial de la respuesta inmune es la coordinación entre las diferentes células y para ello existe una miríada de mensajeros químicos. Uno de ellos es la adenosina. Cuando se produce un daño tisular o una infección bacteriana, al poco tiempo suele producirse una inflamación en la zona afectada. La adenosina está involucrada en que la inflamación no se extienda más de lo necesario, pues de lo contrario se producen daños tisulares que agravarían la situación.

Adenosina

Pero sin adenosina las cosas tampoco funcionan correctamente. Hay un síndrome en el que los pacientes que lo sufren no tienen la enzima adenosina deaminasa, que transforma la adenosina en inosina, inactivándola. Sin esa enzima, los niveles de adenosina se disparan y se producen fallos en la comunicación intercelular y en la producción de inmunoglobulinas. Así que es necesario que los niveles de adenosina sean controlados para asegurar un correcto funcionamiento del sistema inmune.

Desde hace tiempo se conoce que muchos patógenos son capaces de escaparse a la acción de la respuesta inmune inespecífica. Hay varios mecanismos identificados, pero recientemente un grupo de la Universidad de Chicago ha encontrado uno nuevo en Staphylococcus aureus. Esta bacteria puede evitar la fagocitosis mediante el uso de la enzima Adenosina Sintetasa A (AdsA). El microorganismo presenta la enzima anclada a su pared celular y lo que hace es convertir la adenosina monofosfato en adenosina, lo que no sólo provoca un incremento en los niveles de la molécula en sangre destruyendo el equilibrio y volviendo loco al sistema inmune. También han comprobado que la adenosina inhibe la fagocitosis por los macrófagos, lo que permite que S. aureus pueda evadirse de las defensas innatas del sistema inmune.

Fagocitosis por un neutrófilo. El panel (a) muestra la unión y la fagocitosis de un microbio opsonizado por la acción de un anticuerpo o del complemento. La fagocitosis dispara la producción del ión superóxido a partir del cual se producen otras oléculas reactivas como el peróxido de hidrógeno (H2O2) y el ácido hipocloroso (HOCl). La microfotografía del panel (b) muestra a un neutrófilo que ha fagocitado a numerosos S. aureus. Fuente: Kobayashi y Leo, 2009.

El asunto es grave si consideramos que cada vez hay más casos de infecciones por S. aureus resistente a meticilina. Pero la cosa no se ha quedado ahí. Los investigadores han encontrado que Bacillus anthracis, el patógeno que causa el carbunco (últimamente conocido como ántrax), presenta un gen similar. Es decir, AdsA es un nuevo factor de virulencia que le permite al patógeno evadir la acción del sistema inmune.


Thammavongsa V, Kern JW, Missiakas DM, & Schneewind O (2009). Staphylococcus aureus synthesizes adenosine to escape host immune responses. The Journal of experimental medicine, 206 (11), 2417-27 PMID: 19808256

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Pesadilla sanitaria

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La bacteria Staphylococcus aureus, una auténtica pesadilla sanitaria

Esta noticia si que da miedo. Se está celebrando el 47th annual meeting of the Infectious Diseases Society of America y allí la División de Enfermedades Infecciosas del hospital Henry Ford de Detroit ha presentado un estudio sobre una cepa de Staphylococcus aureus Resistente a Meticilina. A este tipo de cepas se las suele conocer por sus siglas en inglés: MRSA.

Las cepas MRSA son resistentes a los antibióticos más comunes de la farmacopea como la penicilina o sus derivados. Gran parte de las infecciones se dan en pacientes que han sido hospitalizados y operados, son las llamadas infecciones nosocomiales. Pero también se han descrito casos de infecciones en gente sana que han adquirido la bacteria del medio ambiente por causa de alguna herida. Estas bacterias causan infecciones en la piel, en sangre o en heridas. Debido a su resistencia a los antimicrobianos, las infecciones debidas a las MRSA suelen ser tratadas con vancomicina. Este antibiótico suele usarse como último recurso en el caso de una infección. Por eso una de las grandes preocupaciones de la sanidad pública es que aparezcan cepas que sean resistentes a los llamados antibióticos de último recurso.

Estructura de la vancomicina

En el trabajo liderado por la doctora Carol Moore, han comparado la mortalidad producida por infecciones nosocomiales entre cepas MRSA, y han encontrado una especialmente virulenta denominada USA 600, que además es resistente a vancomicina. Esta cepa causa que el 50% de los pacientes infectados mueran al cabo de 30 días. En comparación, otras cepas MRSA solo mostraban entre un 11% a un 30% de mortalidad.

Al parecer esta cepa contiene unas características únicas que explicarían la alta mortalidad, aunque tampoco pueden descartarse factores como la edad de los pacientes. Los ancianos suelen ser más susceptibles a estos microorganismos que los pacientes más jóvenes. En el estudio, la media de edad de los fallecidos por la cepa USA600 es de 64 años, mientras que la media de edad de los fallecidos a causa de las otras cepas MRSA es de 52 años. La doctora Moore avisa que el potencial de diseminación de esta cepa tan virulenta es preocupante por lo que es esencial que se dediquen los mayores esfuerzos a la caracterización de dicha bacteria y al desarrollo de medidas para combatirla. No debemos olvidar que gracias la facilidad para viajar de una parte a otra del globo este tipo de cepas resistentes a antibióticos pueden diseminarse muy rápidamente a cualquier parte del mundo.

Proporción de aislados de cepas MRSA en Europa durante el año 2007 según datos del Sistema Europeo de Vigilancia de las Resistencia a los Antimicrobianos (EARSS)

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Matar bacterias a laserazos

No, no se trata de una nueva saga de ciencia-ficción. Un grupo de la University College London está desarrollando una nueva técnica terapéutica para tratar las heridas infecctadas por microorganismos resistentes a los antibióticos.

Una de las preocupaciones principales en el tratamiento de heridas y quemaduras es que estas se infecten. El tratamiento rutinario es la administración preventiva de antibióticos, pero si uno tiene la mala suerte de estar infectado con un microorganismo resistente a los antibióticos entonces tiene un serio problema. El tratamiento puede ser largo, costoso y lo que es peor, inefectivo.

El Dr. Michael Wilson y su grupo han desarrollado esta nueva estrategia para luchar contra los microorganismos patógenos pero sin que estos desarrollen fácilmente una resistencia que la anule. La técnica ha sido probada in vitro usando cultivos de Staphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes y Pseudomonas aeruginosa a los que se añadía el colorante verde de indocianina. Este colorante es inocuo para los humanos (de hecho se usa en angiografía de fluorescencia), y también para las bacterias. Este colorante es absorbido rápidamente por estas últimas.

Verde de Indocianina

Y ahora viene la segunda parte. Si tras la administración del colorante irradiamos con un laser "cerca de infrarrojo" que emite en 808 nm, la molécula verde de indocyanina absorbe dicha energía y se activa. Y cuando lo hace se convierte en una sustancia que produce una gran cantidad de radicales reactivos del oxígeno que atacan a diversos componentes de la bacteria causando su destrucción. El mecanismo de acción de los radicales es muy inespecífico, por lo que en principio no se espera que se desarrollen resistencias, aunque no podemos olvidar que algunas bacterias poseen pigmentos que precisamente inactivan a esos radicales. Sin embargo esos pigmentos suelen estar localizados en las envolturas bacterianas y no en el citoplasma.

Los investigadores avisan que estos resultados han sido obtenidos en condiciones de laboratorio, y que el siguiente paso será probar la eficacia in vivo utilizando animales de laboratorio y cepas de los llamados "superbichos" como el MRSA.

Biofilms: ni contigo, ni sin ti.

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

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

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


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

Vibrio cholerae y biofilms

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

Biofilm de Staphylococcus aureus

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