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

Una pinta de tetraciclina

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Relieve del sarcófago de la reina Kawit, esposa de Metuhotep II . Dinastía XI. Posíblemente se está tomando una cerveza. Fuente de la imagen: Egiptomania

En los años 80 del siglo pasado el grupo arqueológico liderado por el profesor George Armelagos de la universidad de Emory realizó un descubrimiento sorprendente. Encontró trazas del antibiótico tetraciclina en huesos humanos procedentes de la antigua Nubia (el actual Sudán). Los restos fueron enterrados entre el 350 y el 550 DC, lo que quiere decir que los nubios producían antibióticos unos 1.500 años antes que Fleming descubriera la penicilina, Florey y Chain la fabricasen en masa, y Duggar descubriera la tetracilina.

El descubrimiento fue de casualidad. Lo que los anglosajones llaman serendipity y en castizo denominamos "chiripa". Debra Martin, becaria de Armelagos en aquellos años, estaba aprendiendo a hacer preparaciones oseas para el microscopio. Normalmente usaba un microscopio óptico normal, pero ese día estaba roto. Así que tomó sus muestras de momias nubias y se las llevó al microscopio de luz ultravioleta. La tetraciclina se une fuertemente al fosfato cálcico, y bajo la luz ultravioleta fluoresce con un intenso color verdoso. Si Debra Martin hubiera utilizado el microscopio normal, o las muestras hubieran sido de momias mayas, no se habría llevado la sorpresa de su vida.

Fluorescencia verde indicativa de depósitos de tetraciclina en huesos de momias nubias. Fuente de la imagen: esciencecommons

Evidentemente el descubrimiento fue acompañado de una cierta polémica. Algunos pensaron que era una contaminación moderna debida a los microorganismos que habían crecido al descomponer los cadáveres. Pero otros pensaron que no, y se preguntaron cuál sería la fuente de dicho antibiótico. En principio se pensó que podía ser debido al consumo de grano contaminado con la bacteria Streptomyces, pero no parecía probable porque en esas condiciones no se produce mucha tetraciclina. Streptomyces produce tetraciclina en cantidad cuando compite con otros microorganismos y no cuando crece solo.

Armelagos hipotetizó con el hecho de que los nubios conocían las técnicas artesanales de producción de cerveza ya que su reino era fronterizo al Antiguo Egipto. La cerveza es un cultivo de levaduras. Era probable que la cerveza nubia se contaminara con alguna especie de Streptomyces y que al competir con la levadura, sintetizara el antibiótico que se acumularía en la bebida.

Pero ¿realmente fue una contaminación esporádica? Si ese fuera el caso los niveles de tetraciclina en los huesos no deberían ser muy altos. La gente tomaría un lote contaminado alguna que otra vez pero eso no basaría para explicar la acumulación de tetraciclina en los huesos. Armelagos pensó que los maestros cerveceros nubios buscaban deliberadamente la producción de una cerveza conteniendo el microorganismo productor de ese antibiótico, aunque por supuesto no supieran que estaba ahí. De hecho, dos de sus becarios demostraron que Streptomyces era capaz de producir tetraciclina cuando crecía en cerveza fermentada al estilo nubio. Aunque eso no era suficiente para demostrar que la tetraciclina era producida de manera deliberada, era un indicio más.

Ahora han conseguido otro. En una de sus conferencias Armelagos conoció a Mark Nelson, químico experto en tetraciclinas de la compañía Paratek Pharmaceuticals. Nelson le pidió unas muestras de huesos para analizarlas y tras disolverlas en ácido fluorhídrico determinó los niveles de tetraciclina en los huesos. Los resultados indicaban que los huesos estaban saturados de tetraciclina, lo que quería decir que los nubios la tomaban durante largos períodos de tiempo y no de manera esporádica. No sólo eso. El hecho de encontrar altos niveles de tetraciclina en el cráneo y la tibia de un niño de 4 años podría indicar que la utilizaban con fines medicinales para tratar algún tipo de enfermedad, aunque en el caso del infante, sin éxito. Eso, o a los nubios les gustaba alcoholizar a los menores.

Depósito amarillo de tetraciclina purificada a partir de los huesos de las momias nubias. Fuente de la imagen: esciencecommons

¿Y cómo llegaron los maestros cerveceros a producir tetraciclina en su cerveza? Nelson propone una interesante hipótesis. El primer antibiótico de la clase de las tetraciclinas fue descubierto por Duggar en 1948 fue la aureomicina. La denominó así porque la colonia que la producía tenía un bonito color dorado (Streptomyces aureofaciens). Quizás los maestros cerveceros nubios pensaron que habían recibido un regalo de los dioses cuando abrieron una de sus cubas cerveceras y encontraron flotando sobre su superficie una gran masa de color dorado. Y cómo los nubios eran antiguos, pero no tontos, aplicaron las técnicas tradicionales de producción cervecera para mantener a dicho fermento.

Y ¿para qué la usaban? pues o bien se consideraba que debía de tener alguna propiedad diferente a la cerveza tradicional, por ejemplo como medicamento (ver la especulación más arriba) o bien la cerveza con un toque de tetraciclina está más rica que la que se producía tradicionalmente. Supongo que el tiempo lo dirá.

Colonias de Streptomyces aureofaciens. Desgraciadamente el medio de cultivo no parece inducir la producción de pigmento amarillo. Fuente de la imagen: prodantibiotic

Links relacionados:
Twisted BacteriaTetraciclina en los huesos de los habitantes de Pompeya.
Amazings: Los nubios ya usaban antibióticos hace 2.000 años

Nelson ML, Dinardo A, Hochberg J, & Armelagos GJ (2010). Brief communication: Mass spectroscopic characterization of tetracycline in the skeletal remains of an ancient population from Sudanese Nubia 350-550 CE. American journal of physical anthropology, 143 (1), 151-4 PMID: 20564518

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Temblores

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Cuando un microbiólogo oye el vocablo Streptomyces suele pensar en tres cosas: suelo, antibióticos y tierra mojada. Porque las bacterias pertenecientes a dicho género son habitantes comunes de la microbiota del suelo. A su vez son los principales productores industriales de antibióticos. Y una de las diversas sustancias que producen es la geosmina, un compuesto que es responsable del característico olor a "tierra mojada por la lluvia".

Microfotografía de un Streptomyces mostrando esporas e hifas aéreas

Pero si los datos del artículo publicado en PLoS ONE se confirman habrá que empezar a pensar en otra cosa más preocupante. Un grupo de la Universidad de Alabama ha encontrado que un compuesto producido por la bacteria S. venezuelae es capaz de matar selectivamente las neuronas productoras de dopamina en el nematodo Caenorhabditis elegans. Este efecto neurotóxico no se observa con otras bacterias, ni otras especies de Streptomyces, como S. coelicolor o S. griseus.

Caenorhabditis elegans

Anatomía de Caenorhabditis elegans. La cabeza está apuntando a la izquierda

Pero ¿qué importancia tiene que se muera un gusano de un milímetro de largo por una bacteria del suelo? Bueno, C. elegans es uno de los organismos modelo utilizados en Biología. Está tan bien estudiado que se sabe perfectamente como se originan cada una de sus células según se va desarrollando. Por ejemplo, su sistema nervioso está compuesto exactamente por 302 células, ni una más, ni una menos. Cuando se describe algún mecanismo celular en este nematodo, hay un 99 % de posibilidades de que se encuentre un mecanismo homólogo en los mamíferos. Y si se mueren las neuronas productoras de dopamina por la acción de S. venezuelae, es muy probable que ocurra lo mismo con las neuronas humanas.

Localización de la sustancia negra en el cerebro

En los humanos, las neuronas productoras de dopamina se encuentran en la llamada sustancia negra. Su muerte es uno de los síntomas de la tristemente famosa enfermedad de Parkinson. Uno de los factores que predisponen a dicha enfermedad es la genética. Hay una serie de genes implicados en el sistema del proteosoma encargado de la degradación de proteínas unidas a ubiquitina. Si funcionan mal, proteínas como la α-sinucleina, comienzan a acumularse y forman cuerpos de inclusión (Cuerpos de Lewy). Pero también hay casos de Parkinson debidos a otros factores. Se suponía que había toxinas ambientales que lo provocaban, pero se desconocía cuáles eran. El trabajo del grupo liderado por G.A. Caldwell es el primero en proporcionar una pista.

Modelo estructural del proteosoma

Precisamente es en el proteosoma donde actúa el metabolito producido por S. venezuelae. Al inhibir su acción, las neuronas se mueren y se produce un proceso neurodegenerativo en el gusano. Peor aún, si hay dopamina el efecto de la toxina se multiplica y la neurodegeneración es mucho más rápida. Los investigadores no se quedaron ahí. También comprobaron que dicho efecto neurotóxico se reproducía en células humanas.

Anatomía del sistema nervioso de C. elegans marcado con la proteína verde fluoreceste (Fuente bibliográfica).

Experimento en el que se ha marcado mediante la proteína bioluminiscente GFP, a las neuronas dopaminérgicas del gusano C. elegans. Los gusanos que son expuestos a un medio que ha contenido a la bacteria Escherichia coli presentan un sistema nervioso normal. Los gusanos que han sido mantenidos en un medio conteniendo S. venezuelae muestran una marcada neurodegeneración. (Caldwell et all)

¿Y de qué molécula se trata? Pues aún no lo saben. Lo que si saben es que es muy estable, que tiene una porción con carácter lipofílico y otra hidrofílica, que su peso molecular es aproximadamente de 180, que tiene un anillo aromático y una cadena hidrocarbonada y que su composición es C10H16N2O. Los investigadores reconocen que aún queda mucho por hacer. No sólo identificar la molécula, sino comprobar cual es su nivel de toxicidad y si realmente podría ser un posible factor de riesgo ambiental como agente etiológico del Parkinson.

Audio en "El podcast del microbio"