¿Por qué las arqueas no causan enfermedades?

Las membranas de las arqueobacterias no tienen, como en las eubacterias, pared celular de peptidoglicano. Son membranas monocapa. En su membrana, al igual que en las eucariotas, existen esteroles. Poseen lípidos de membrana distintos a los de las eubacterias y eucariotas: diéteres de glicerina con terpenos.

De la bacteria primordial de la que procede toda la vida, llamada LUCA, surgen dos grandes grupos, el de las eubacterias y el de las arqueobacterias. Cuando una arquea y una eubacteria, por endosimbiosis, generan la primera célula eucariota (con nucleo) se forma un nuevo grupo: eucaria formado por protozoos unicelulares y los pluricelulares conocidos como hongos, plantas y animales. De Maulucioni - Trabajo propio, CC BY-SA  3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=33251850

Existen patógenos humanos entre las eubacterias (bacterias Gram negativas y positivas), en el grupo de los protistas, en los hongos e incluso entre los animales. Curiosamente, en el grupo de las arqueobacterias, bacterias que viven en ausencia de oxígeno, normalmente en sítios inhóspitos como fumarolas volcánicas en el fondo del mar, fondo de lagos e intestinos de mamíferos que no presentan un solo patógeno humano.

Las eubacterias y las arqueas se parecen. Ambos tipos de organismos son unicelulares, carecen de nucleos y de organelos. Las arqueas tienen un tipo de membrana plasmática único. Cuando se examina su ARN ribosomal se observa que son un grupo único diferenciado de las eubacterias.

De cientos de microbios que causan enfermedades en humanos ninguno es arquea

En un artículo publicado en Bioessays, Erin Gill and Fiona Brinkman tratan de explicar el porqué. La hipótesis más trivial es la estadística, es decir, si sólo el 0.36% de las bacterias causan enfermedades en los humanos, es decir, de 151000 bacterias conocidas 585 son patógenos humanos, tirando por lo bajo, teniendo en cuenta especies que se pueden cultivar en laboratorio y las que no se pueden cultivar. Asumiendo que existe un número similar de especies de arqueobacterias patógenas en el grupo, si se conocen 4508 especies de arqueobacterias x 0.0036 = deberían haber 16 patógenos. Sin embargo, no existen 16 patógenos arqueobacterianos. Obviamente para llegar a esta conclusión debemos asumir que el porcentaje de patógenos en ambos grupos es el mismo lo cual es una asumción.

Recientemente, se ha estudiado la metagenómica (secuencias fragmentadas de ADN) de arqueas mesofílicas marinas. Podría haber, por tanto, muchísimas arqueas todavía no descubiertas y por tanto habría muchas enfermedades que todavía no han sido descritas. La microbiología nació como una especialidad médica y se ocupó básicamente de eubacterias que causaban enfermedades en los humanos. El grupo de las arqueobacterias, bacterias que viven en condiciones extremas para los humanos, fue estudiado por microbiólogos ambientalistas que las estudiaban para entender los ciclos biogeoquímicos y la diversidad de la vida, eran investigadores que no buscaban patógenos

Los bacteriófagos matan a las personas, las bacterias no tienen la culpa

Una pista acerca de cómo una bacteria se vuelve patógena podría estar en las islas de patogenicidad. Los genes de virulencia están ordenados en regiones específicas de las bacterias patógenas. Son regiones de origen vírico (plásmidos, transposones o bacteriófagos) que codifican proteínas que le permiten a la bacteria invadir nuestro cuerpo, evitar al sistema inmune y transmitirse de persona a persona.

Muchos de estos genes de virulencia son móbiles y pueden saltar del genoma de una bacteria a otra convirtiendo a la nueva bacteria en una bacteria patógena. El vector que lleva esos genes es frecuentemente un virus bacteriano llamado bacteriófago (fago). Es lo que se llama transducción. Brevemente, cuando un fago invade una bacteria genera muchas copias de si mismo, en ese proceso puede tomar genes de la bacteria invadida. Esos genes pasan a formar parte del genoma del fago que puede invadir otra especie. Si el fago inserta su genoma dentro del genoma de la nueva bacteria, ésta adquirirá los nuevos genes, convirtiéndose en una bacteria patógena. Es lo que se llama transferencia horizontal de genes en contraposición con la transmisión vertical de genes que es lo que se transmite de padres a hijos.

Las bacterias patogénicas son vehículos para que los fagos se transmitan

Por este motivo, podríamos ver a las bacterias como el ambiente en el que se replican, viven y se transmiten los bacteriófagos. Esto tiene una explicación. Cuando no existían bacterias, los virus eran las únicas entidades biológicas en la tierra. Eran unas células primitivas que en vez de tener una membrana tenían una cápside proteica. Para hacer copias de si mismos tenían que desarmar esa cápside y copiar su ADN. Podían hacer eso porque en ese tiempo el mar y el agua dulce terraqueo era una sopa biológica rica en nutrientes. En ese momento los virus eran un poco distintos a los de hoy en día. Tenían como molécula soporte de la herencia el ARN o el ADN, y para traducir tenían ribosomas.

Hoy en día, los actuales virus carecen de ribosomas porque utilizan los de las bacterias y así se pueden replicar más rápido al tener menos que replicar y por tanto dejan más descendencia. Por ese motivo se seleccionó a los virus sin ribosomas cuando los virus se convirtieron en parásitos de las bacterias.

Cuando apareció LUCA, la primera célula, una procariota, fue tan eficiente metabólicamente que acabó con toda la sopa biológica. Por decirlo de alguna forma, la sopa biológica que estaba libre en los mares y cursos de agua ahora estaba dentro de la membrana de las bacterias. Por ese motivo, los virus tuvieron que ir donde estaba la sopa biológica: en el citoplasma de las bacterias.

De lo que se conoce hasta la fecha, los bacteriófagos, virus especializados en replicarse en eubacterias, no invaden arquea. Arquea tiene sus propios virus. La razón: los receptores a los que se unen los fagos no están presentes en las arqueas. Hay otra razón, las Gram negativas tienen una presión interna de 5 atmósferas, las Gram positivas de 25 atmósferas. Por ese motivo, los fagos son una mezcla de virus unidos a una bomba neumática, para inyectar ADN contra la presión interna de la bacteria, y unas patas como de mosquito. Las arqueas no tiene presión interna, por eso no hace falta inyectar a presión el ADN.

Cuando comparamos los genomas de los virus que invaden arqueas con el de los fagos vemos que son bastante distintos. Los fagos no invaden arqueas y los virus de arqueas no invaden eubacterias.

Arqueas tienen una membrana plasmática distinta a las de las bacterias y carecen de proteínas receptoras para los fagos por eso tienen sus propios virus. En la imagen la arquea Sulfolobus infectada por el virus STSV1. Fuente

Por todo esto, Gill y Brinkman en su artículo nos dicen que las bacterias son el medioambiente para que los bacteriófagos propagen sus genes. Entonces ¿Por qué las arqueas no han desarrollado mecanismos patogénicos similares contra los humanos? lo explican diciendo que la evolución de la virulencia es un suceso raro. que depende de varios pasos. Lo que en el fondo es decir nada. Quizás el hecho de que la mayoría de las arqueas viven en sitios en los que no hay humanos haya sido un factor importante.


Para saber más:

paper published in Bioessays, 

http://bytesizebio.net/2011/03/16/why-are-there-no-disease-causing-archaea/

No pueden aceptar un camino sin salida

El siglo pasado, los físicos crearon la mecánica cuántica [su modelo matemático] para explicar cómo se comportan las cosas muy pequeñas, átomos y electrones, mientras que Einstein produjo su teoría de la relatividad general para explicar el comportamiento de objetos enormes como las galaxias.

Ambas teorías funcionan bien, pero son incompatibles. La física cuántica no puede explicar las cosas muy masivas y la relatividad general no puede aplicarse a lo muy pequeño. En comparación, los biólogos tienen en este sentido a la teoría de la selección natural de Darwin para explicar los seres vivos, grandes y pequeños, desde las ballenas hasta las bacterias. Sin embargo, como decimos, los físicos no tienen un código unificado. Una perspectiva que molestó tanto por ejemplo al mismísimo Einstein que se pasó los últimos 20 años de su vida buscando infructuosamente una teoría que lo pudiese unificar todo. Fuente

Una parte del problema, dicen los críticos, es que en los años ochenta los profesores alentaron a casi todos los jóvenes físicos con talento a estudiar la teoría de cuerdas debido a su inmensa promesa. Ahora son jefes de departamento de mediana edad que han comprometido sus vidas a dicho modelo y que no pueden aceptar a estas alturas que todo sea un camino sin salida.

Protozoo (unicelular) se come a un rotífero (pluricelular)

Video de un Loxophylum meleagris, un organismo unicelular gigante, comiéndose a un rotífero, un organismo compuesto por más de 1000 células

Apagar bacterias

https://www.smithsonianmag.com/innovation/instead-killing-bacteria-can-we-just-turn-off-its-ability-to-cause-infections-180967533/

Protocolos de evolución bacteriana

http://kerrlab.org/Bio481/Protocols

75 aniversario de la estreptomicina

Los Nobel premian la evolución

El premio Nobel de Química del 2018 ha sido para los investigadores que han utilizado la evolución molecular para mejorar proteínas ya existentes. George Smith y Greg Winter son dos de los ganadores de la mitad del Nobel de Química del 2018 porque la otra mitad de este Nobel ha sido para Frances Arnold.
Los fagos muestran el camino de la proteína al gen 
Smith en 1985 empezó a trabajar con bacteriófagos (fagos) para poder clonar genes. Sin embargo, casi por casualidad, descubrió que podía a partir de una proteína descubrir el gen que la codificaba. Es como si por ejemplo, tuviésemos una fotografía y pudiésemos localizar en el disco duro el código máquina, de ceros y unos que la codifica.

Los fagos son virus que se replican en las bacterias. Como las bacterias son pequeñas células a presión, los fagos son virus que tienen una especie de bomba de bicicleta acoplada con la que pueden inyectar el ADN (o el ARN) en el interior de la célula. En los ochenta había muchas bibliotecas de fragmentos de ADN en fagos. Con la tecnología de aquel entonces se podía hacer corta pega de fragmentos de ADN humano, por ejemplo, en el interior del genoma de un fago. De esta manera, podíamos tener la oportunidad que la proteína se expresase en el exterior del fago.

 Ahora que teníamos la proteína humana expresada en la superficie del fago había que pescarla.
Anticuerpos como anzuelos
Ahora que teníamos muchísimos fagos portando distintas proteínas en su superficie, lo siguiente era utilizar anticuerpos para pescarlos. Y esto se podía hacer en la década de los ochenta. Inyectas una proteína pura en un conejo y el sistema inmune del animal fabrica anticuerpos contra esa proteína. De esta forma podían unir fagos que expresaban la proteína humana en su superficie a los anticuerpos. Y como el fago adherido en el anticuerpo, en su interior, llevaba el gen, el código, podían saber qué gen era el responsable de producir esa proteína humana en cuestión: encontrar una aguja en un pajar de manera elegante.
Greg Winter llevó esta técnica a otro nivel...
Anticuerpos que bloquean el desarrollo de enfermedades
El sistema inmune humano puede producir cientos de miles de anticuerpos diferentes. Las células del sistema inmune humano que producen anticuerpos que reaccionan contra moléculas humanas son destruídos (cuando no se destruyen todas es cuando tenemos enfermedades autoinmunes, es decir, que reaccionan contra nosotros mismos). Sin embargo, las células del sistema inmune que no reaccionan contra nosotros mismos patrullan por los vasos sanguíneos. Cuando una de ellas reconoce una bacteria o un virus comienza a multiplicarse. Por ese motivo son tan eficaces eliminando patógenos extraños del cuerpo humano.
Los anticuerpos son muy selectivos. Son capaces de reconocer una molécula entre decenas de miles de otras moléculas ¿Es posible seleccionar anticuerpos que se unan a moléculas propias de enfermedades humanas y las bloqueen y así detengan a la enfermedad?
Winter puso anticuerpos en la superficie de los fagos
Los anticuerpos son proteínas que tienen forma de Y. Así que Winter fue capaz de pegar esta proteína a la superficie de un fago. De forma que la información, el código de ADN, para formar esa proteína estuviese en el genoma del fago. El usó un anticuerpo que se unía a una pequeña molécula conocida como phOx por que se conocía la secuencia genética de este anticuerpo, por eso fue capaz de meter la secuencia en el genoma de un fago y así este fago llevaba el anticuerpo anti-phOx en su genoma.
De esta manera, Winter fue capaz de recuperar el fago expresando el anticuerpo anti-phOx, poniendo phOx en una sopa de 4 millones de fagos, uno de los cuales era el anti-phOx. Lo que hizo con este sistema fue repetir este buscar una aguja en un pajar varias veces. Lo que observó es que a cada ciclo la unión del anticuerpo producido por el fago a phOx era cada vez más fuerte. Esto señores y señoras no es otra cosa que evolución por selección natural. En 1994 utilizando este método fue capaz de seleccionar anticuerpos con una altísima afinidad a células cancerígenas.
Se crea la primera farmaceutica basada en anticuerpos humanos
La compañía se llama adalimumab. Esta compañía creo anticuerpos que neutralizaban la proteína TNF-alfa. Inactivando esta proteína se detiene la inflamación asociada a varias enfermedades autoinmunes. En 2002 se aprobaron anticuerpos contra la artritis reumatoide, la psoriasis y la enfermedad inflamatoria intestinal. Otra aplicación ha sido crear anticuerpos que neutralizan la toxina del antrax. En este momento se trabaja en anticuerpos contra el Alzheimer y contra el lupus.

Selección artificial, lo mismo que hacen los criadores de perros
Lo bonito de esta idea es su simplicidad. Para lograr un anticuerpo que se una a su diana de manera superfuerte no hace falta saber de química orgánica... lo único que hace falta es que los virus creen trillones de copias y que esas copias tengan errores. Alguno de esos errores, mutaciones, van a dar un anticuerpo mejorado. Ese anticuerpo se selecciona y se le deja que vuelva a dar millones de copias, todas parecidas a él menos unos miles de mutantes. Si alguno de esos mutantes se adhiere con más fuerza, se le deja que vuelva a producir millones de copias. Alguno habrá que, al haber mutado, tenga una mejora que lo haga más afín y más fuerte.

Es lo que ha hecho la humanidad desde el neolítico en que las mujeres aprendieron a seleccionar semillas y animales domésticos. Todas las razas de perros proceden de los lobos. Cuando se mataban a los lobos adultos alguna mujer a la que su hijo se había destetado cogía un cachorro y lo alimentaba con su propio pecho. Al margen de que los humanos sentimos ternura innata por los cachorrillos, esto le servía a la mujer porque sabían que las mujeres lactantes tienen más dificultades para quedarse de nuevo embarazada. Cuando el cachorro crecía seguía teniendo un vínculo emocional con su madre adoptiva. Los cachorros adultos tienen sobre 8 cachorritos todos los años. No se los puede mantener a todos, por lo que se matan en su mayoría. Solo se les deja vivir a aquellos cachorros que tienen una característica que nos interesa. Si vivimos en una zona de frío que sean peludos, si es una zona calientes con poco pelo. Si los queremos para comer los escogemos pequeños, si los queremos para que nos defiendan dejamos los musculosos.

Los mismo que en el neolítico seleccionamos razas de perros a partir del lobo, hoy en día estamos aprendiendo a domesticar y seleccionar las moléculas y de nuevo, la selección es la herramienta.

Scientific Background

Audio programa Efervesciencia (en galego):

Detectar para eliminar

Las sulfamidas fueron las primeros antimicrobianos en ser utilizados comercialmente. Al poco tiempo de su uso ya se detectó el fenómeno de la resistencia bacteriana, es decir, bacterias que antes morían con la sulfamida, después de su uso se seleccionaban bacterias que eran capaces de resistir este antimicrobiano sintético.

Fleming observó, al poco tiempo del uso de la penicilina, que había bacterias capaces de resistir al flamante nuevo antibiótico.

 Con el descubrimiento y producción masiva de la penicilina la humanidad descubrió que las enfermedades infecciosas causadas por bacterias: sífilis, gonorréa, neumonía, tuberculosis, cólera, meningitis... se podían curar. La humanidad estaba libre de esas plagas. Se entró en una fase de optimismo en la química y en la medicina. Nada podía detenernos. El uso de los antibióticos se popularizó. Al mínimo catarro el doctor te recetaba tus antibióticos, aunque el catarro fuese producido por un virus y por tanto el antibiótico sea inefectivo ya que solo son útiles para destruir bacterias.

La penicilina curaba la gonorrea en 4 horas en los años 40 del siglo pasado. Hoy en día estamos a punto de que aparezcan bacterias de la gonorrea resistentes a todos los antibióticos conocidos

 Los antibióticos, al ser moléculas muy fáciles de producir de forma barata por la industria pronto estaban en todas partes. Se empezaron a utilizar para curar animales enfermos. Con la expansión de la ganadería industrial, es decir, miles de pollos hacinados en granjas-factoría, hacía falta prevenir las enfermedades infecciosas por lo que se empezó a administrar antibióticos en el pienso de las aves y de otros animales de granja. Esos animales defecaban y sus heces se recogían en balsas de lixiviados en las que vivían números astronómicos de bacterias, todas ellas en presencia de los restos de los antibióticos.

El negocio pollos-antibióticos está tan ligado que existen compañías, como Venky en la India, que se dedican a la producción de pollos y de antibióticos.

El resultado es que aquella fase de optimismo en la química y en la medicina se acabó. Han vuelto las enfermedades infecciosas provocadas por bacterias que ya no se pueden detener por los antibióticos. Por el momento, las bacterias más resistentes a los antibióticos son bacterias medioambientales hospitalarias. Las personas que se están muriendo por culpa de bacterias que resisten a todos los antibióticos son pacientes con el sistema inmune debilitado por tratamiento anticancer, por supresión del sistema inmune en el caso de los transplantados de órganos, los quemados.

Eugenio Espejo, uno de los padres de la teoría microbiana de la enfermedad, propuso la creación de una policía higiénica. Una medida muy necesaria hoy en día.

Las personas nos encontramos indefensas frente a la dinámica de maximización de beneficios de las empresas. Si usar antibióticos es bueno para lograr esos beneficios va a ser muy difícil detenerlas. Por ahora, solo nos queda utilizar la higiene, es decir, establecer una barrera para la difusión de las bacterias resistentes a los antibióticos allí donde hay más probabilidad de que aparezcan: las granjas, especialmente las granjas de pollos.

¿Cómo vigilaremos que las bacterias con resistencia a antibióticos de pollos no lleguen a los consumidores?

Para empezar tendremos que vigilar aquellos genes que se pueden transmitir de una bacteria a otra. Son genes que producen betalactamasas o carbapenemasas capaces de destruir a los antibióticos betalactámicos o los carbapenémicos. Esos genes se encuentran muchas veces en plásmidos, que son moléculas de ADN que se pueden intercambiar entre bacterias. Esto lo hace muy peligroso porque si las bacterias están muy juntas, y en las granjas y en las balsas de lixiviados lo están, se pueden intercambiar genes como los niños intercambian cromos.

Si detectamos qué bacterias son las portadoras de estos genes que destruyen los antibióticos y que estos genes están en elementos móviles que pueden pasar a nuestras bacterias, entonces ya tendremos frente a nosotros a la bacteria que debemos controlar y en el futuro, tratar de eliminar.

Barreras para la transmisión de coliformes multirresistentes

Introducción: Los filtros cerámicos (FC) para el tratamiento domiciliar del agua (TDA) son una solución económica para poblaciones rurales dispersas que, en Ecuador, carecen en un 60%, de agua potable. En este trabajo examinamos la carga bacteriana y su resistencia a antibióticos y la capacidad de los FC para evitar la dispersión de bacterias resistentes.

Métodos: Se distribuyeron FC a familias sin acceso a agua potable con hijos menores de 15 años de Guanábana (17 familias ) y Vista Hermosa (20 familias) en la parroquia de Gualea, Quito, Ecuador. Se analizaron 100 ml del agua de beber, antes y meses después del empleo del FC. Las bacterias presentes se aislaron en filtros de 0.45 um de diámetro y se crecieron en placas con el medio de cultivo cromogénico Chromo Cult. Las colonias de coliformes y Escherichia coli (E. coli) se cuantificaron y se crecieron en medio líquido con ceftriaxona (3ug/mL). Se analizó su perfil de resistencia antibiótica mediante el sistema Phoenix.

Los valores de las concentraciones mínimas inhibitorias (CMI) están en mg/L. Los valores en rojo corresponden a CMIs de resistencia al antibiótico y en negro a valores sensibles al antibiótico. AMK ampicilina; AM-CL amoxicilina-clavulánico; AMP ampicilina; ATM aztreonam; FEP cefepima; FOX cefoxitina; CAZ ceftazidima; CXM cefuroxima; CIP ciprofloxacino; COL colistina; ETP ertapenem; GEN gentamicina; IPM imipenem; LEV levofloxacino; MEM meropenem y TZP piperaciline-tazobactam. Los valores vacíos indican sensibilidad

Resultados: Antes del empleo del FC se obtuvo una media de UFC/100 ml por familia de 41 E. coli y 2421 de coliformes en Guanábana. En Vista Hermosa se obtuvo 34 de E. coli y 1843 de coliformes. En 17 muestras se aislaron E. coli con resistencia a cefalosporinas de tercera genaración mediada por Beta-lactamasas de Espectro Extendido (BLEE) y resistencia a ≥3 familias de antimicrobianos (multiresistentes). No se detectó resistencia a ertapemen o colistina. Después de emplear FC en Guanábana se obtuvo 0 de E. coli y 30 de coliformes y en Vista Hermosa 0 de E. coli y 21 de coliformes. Ninguna de estas colonias presentó resistencia a antibióticos.

Conclusiones: Estos resultados sugieren que los FC para TDA son efectivos para evitar la dispersión de bacterias resistentes a antibióticos en poblaciones rurales dispersas sin agua potable.

Agradecemos al programa de Vinculación de la UDLA, en especial a su directora Luz Dary Ulloa, por el apoyo a este proyecto.