No hay dos sin tres: el papel de los fagos en la interacción bacteria-célula eucariota

La bacteriología dio un paso de gigante gracias a una investigadora, Fanny Hesse (22 de junio de 1850-1 de diciembre de 1934), que ayudó a su marido, un investigador que trabajaba en el laboratorio del pionero de la microbiología médica Robert Koch. La aportación de Fanny Hesse consistió en mezclar carne de carne con un gelificante que se extrae de algas, el agar agar. Fanny, que era de Nueva York, sabía del agar-agar por unos vecinos que había tenido que habían vivido en Java y en esa isla, sus habitantes, utilizaban el agar-agar como gelificante para sus jaleas y para espesar caldos. El marido de Fanny había intentado obtener cultivos sólidos para bacterias con gelatina extraída de huesos de vaca. El problema de la gelatina es que las bacterias producían enzimas que la degradaban tranformándola placa en un líquido turbio. Además, en verano, con el calor, la gelatina se licuaba. El agar agar se licuaba a partir de una temperatura más alta, 50°C.

Cultivo bacteriano en placa Petri. Divulgación científica (IQOG-CSIC)

Cultivos sólidos de bacterias ¡Un paso de gigante en la microbiología!

Al tener placas sólidas de caldo de carne se podían crecer las bacterias en un medio en dos dimensiones. ¿Por qué supuso este descubrimiento un paso de gigante? Porque se podían, en este medio, rascar una muestra de bacterias de manera que se pudiese aislar una única bacteria. ¿Cómo sabemos esto? porque si obtenemos una colonia separada de las demás bacterias al día siguiente de rascar la muestra en esta placa de medio sólido, esto quiere decir que esa colonia procede de una única bacteria. De esta manera tan elegante se aíslan bacterias en los laboratorios de hoy en día, 140 años después del descubrimiento de Fanny Hesse.

Trabajar con cultivos puros, provenientes de una única bacteria, se ha convertido en un estandar en los laboratorios de microbiología. Esto es así porque en ciencia siempre se tiende a reducir variables. Si trabajamos con cultivos en los que puede haber distintas células, sin que estemos seguros de qué células se trata, entonces no nos podemos fiar de las conclusiones de nuestro estudio. Siempre habría un colega que nos diría ¡Eso depende! y tendría razón, dependería de lo que hubiese allí metido.

Los biofilms se pueden visualizar con microscopía confocal, se pueden disgregar y crecer en medio líquido, en placas Petri. La mayor parte de las bacterias crecen en biofilms asociadas a algún sustrato.

Hoy en día, los microbiólogos estamos empezando a trabajar con varias especies al mismo tiempo. Utilizamos unos reactores patentados por el Center for Disease Control de Atlanta, en los EEUU, en donde unas pequeñas piezas redondas sirven para que se forme una película, como las bacterias que crecen en las paredes de piscinas cuando están sucias, o en los bordes de nuestras bañeras, y en esa película (biofilm) pueden crecer otras especies. De esta manera empezamos a trabajar con cultivos controlados de dos especies, en un ambiente más tridimensional. Pero ya sabemos que no hay dos sin tres:

Los fagos son esenciales para la interacción bacteria-hospedador

Estudiando el microbioma de esponjas de la costa norte española, los investigadores se encontraron con un viroma impresionante. Al analizar este viroma encontraron que en los bacteriófagos (virus que atacan a las bacterias) contenían secuencias genéticas de repeticiones de ankirina.

Las ankirinas son proteínas que ayudan a las bacterias patogénicas o comensales para infectar y manipular a sus hospedadores eucarióticos. 

Las células de las esponjas y las de sus bacterias endosimbióticas son difíciles de cultivar. Así que probar el papel de la ankirina en la asociación de bacterias endosimbióticas y las esponjas es una tarea muy ingrata. En esos casos, los biólogos utilizan especies conocidas ¡Y a correr!. Obviamente, las conclusiones luego se extrapolan. Extrarpolar, para los lectores de memes y los estudiantes españoles de la Logse, es cuando se espera que lo que valga para unas especies valga para las otras, aunque como os podéis imaginar a veces esto no sucede así.

En las esponjas marinas que albergan bacterias endosimbióticas se han encontrado una panoplia de bacteriófagos (A).  Los experimentos in vitro revelaron que una proteína producida por un subconjunto de los virus transmitidos por esponjas, conocidos como ankifagos, parece ayudar a suprimir las respuestas inmunes en los macrófagos murinos cuando es absorbida y exhibida, o expresada y secretada por E. coli (B). Las células del sistema inmune destruyeron menos bacterias con la proteína ankirina comparado con bacterias que no expresaban esta proteína. Estos resultado sugieren que los ankifagos pueden facilitar la cohabitación de bacterias comensales con sus hospedadores eucariotas.  Fuente

Los fagos reducen la respuesta inflamatoria

Para probar el papel de la ankirina, lo que se hizo fue expresar la ankirina en Escherichia coli y dársela de comer a macrófagos de ratones. Lo que vieron los investigadores fue que los macrófagos comían menos E. coli con ankirina que sin ankirina.  Además se observó que cuando E. coli secretaba ankirina al medio los macrófagos dejaban de secretar sustancias que activaban la respuesta inflamatoria.

Los ankifagos introducen su genoma en la bacteria. En el genoma del ankifago contiene un gen para la producción de la proteína ankirina. Esta proteína reduce la respuesta proinflamatoria reduciendo NF-kB, Tnfa, Cxcl1, Ifnb, Il1b. Esto favorece la coexistencia de bacterias y macrófagos de ratón (arriba). En las bacterias que no expresan ankirina (abajo) son engullidas y destruídas por los macrófagos. Fuente

Ankirina por todas partes

Los investigadores buscaron en las bases de datos genómicas por otros especies en grupos distantes. Encontraron pruebas de que existía ankirina en otros microbiomas, incluidos microbiomas humanos. Este descubrimiento subraya la importancia que tienen los fagos en una relación a tres entre célula eucariota-bacteria-fago.

Estudiar bacterias aisladas no es entender qué es una bacteria

El estudiar bacterias aisladas en colonias ha permitido muchísimos avances. Sin embargo, la dimensión social de las bacterias ha sido más complicada de entender utilizando cultivos puros. Richard Lenski comenzó un experimento a partir de una colonia de E. coli. Separó este cultivo en seis y los dejó evolucionar en placas Petri durante años. Observó que con el tiempo y completamente al azar, estas seis colonias divergían genéticamente en el tiempo. De esta manera demostró que no existe un cultivo puro en el tiempo. Greg Velicer y otros investigadores del comportamiento social de las bacterias comprobaron que las bacterias Myxococcus xantus, también a partir de cultivos puros, cuando están sometidas a hambruna son capaces de diferenciarse en un cuerpo vegetativo que se eleva de la placa en donde crecen para formar unas esporas que tienen como objetivo diseminarse. Con esto quiero decir que en principio los cultivos, aunque sean puros y clonales pueden cambiar en el tiempo y dependiendo de las condiciones de alimentos. Si además, añadimos espacialidad y la presencia de otras especies todo se complica enormemente.

Si nosotros quisiésemos estudiar chimpancés tendríamos que ir a África. Poco podríamos entender sobre ellos estudiando chimpancés viviendo solos en una jaula de barrotes. Fuente

Crecer bacterias solas en cultivos sólidos en placas Petri no es fácil. Solo una minoría de bacterias crece en estas condiciones. Lograr cultivar una bacteria en placa Petri abre la posibilidad de investigar esa bacteria. Sin embargo, son bacterias aisladas, lo mismo que un chimpancé, un animal social, igual que las bacterias, viviendo aislado solito en una jaula.

Para crecer Legionella pneumophila hace falta añadir carbón activo. La función del carbón activo es capturar alguna sustancia que existe en el agar agar y que impide el crecimiento de Legionella. Si no le añadimos carbón activo Legionella no crece, pero si crecería una bacteria más generalista como E. coli. Hay una manera de crecer Legionella sin añadir carbón activo: si lavamos varias veces el agar agar y posteriormente lo secamos antes de utilizarlo para hacer las placas de Legionella, con el agar lavado Legionella puede crecer en las placas Petri.

Las bacterias tienen que crear interacciones con bacterias de su misma especie y otras, normalmente en biofilms. Tienen que crear territorios, fronteras. Estas son las limitaciones de trabajar con cultivos puros de bacterias.

Para saber más:
The scientist
https://www.cell.com/cell-host-microbe/fulltext/S1931-3128(19)30428-7

Myxococcus ¡A veces veo muertos!

Autoras: Shanti Granja, Doménica Lazo, Ana Paula González y María Cristina Aumala. Estudiantes de Medicina de la UDLA, Quito. Podéis escuchar el programa de radio pinchando AQUÍ

Historia de la bacteria que inventó el cadaver

Aunque no lo crean en el mundo de las bacterias podemos encontrar comportamientos que son sumamente “humanos”, la forma de socializar por ejemplo de los Myxococcus ha despertado la curiosidad del mundo de la ciencia para descubrir que sucede entre seres tan chiquititos que en el momento en que tienen mucha comida a su alrededor (otras bacterias por ejemplo) son capaces de comportarse como una sola manada de lobos en el que la unión hace la fuerza. ¿Pero qué sucede en el momento en que ya no tienen de y qué alimentarse? de forma increíble toman conciencia algunas de que deben sobrevivir a costa de las otras por lo que comienzan a sacrificarse algunas para poder alimentar a las demás. ¿Pero quién se sacrifica? ¿Quién decide ser egoísta o solidario? Todas tienen un código genético igual pero en un punto de necesidad ciertas bacterias van buscar prevalecer por lo que migrarán hacia la fuente de comida más cercana sin importar cuantas de sus compañeras deban morir. Suena familiar verdad, pues bueno si estos seres tan pequeños con un código simple compuesto de solo cuatro bases diferentes han logrado desarrollar este instinto de supervivencia, nada impide tener la hipótesis de que un código de ceros y unos (como el de los robots) pueda desarrollar la misma conciencia de prevalecer sobre su especie “inferior” en este caso.... los humanos. Es decir es posible que hayamos inventado nosotros mismos a la especie superior que tanto buscamos entre las estrellas.

Fig. 1. Myxococcus xantus. Bacterias gram-negativas formando cuerpos fructíferos

Los Myxococcus se vuelven despiadados al dejar a sus iguales

Al igual que los humanos todos los Myxococcus son iguales no nacen siendo mejores que otros pero antes de morir dejan su descendencia bien acomodada para que sobreviva tras su muerte , todas las bacterias de Myxococcus que se han multiplicado van a formar un cuerpo fructífero donde solo pocas migran, como en los humanos solo pocos llegan a puestos de alto mando siendo egoístas a costa de otros que serían los altruistas, podemos decir que toman conciencia de su realidad pero la pregunta del millón es: ¿Qué sucede para que tomen conciencia? El motivo es sobrevivir. Si imaginamos que en lugar de una bacteria tenemos un robot que tiene su información del software al igual que el Myxococcus que tiene información genética , entonces podríamos decir que solo con el hecho de poseer códigos de algún tipo ya estamos destinados a tener conciencia? Tanto las bacteria como ya hemos visto forman conciencia por lo que los robots pueden tomar conciencia para trascender , y podrían lograr grandes métodos de sobrevivencia para llegar a la meta y en ese caso ¿Quien ganará una batalla de información ,conciencia y sobre todo poder? Todos tienen un gen que los mueve algo por lo que se lucha, igualmente pasa con los Myxococcus tienen una movilidad deslizante una S social y una M antisocial como los altruistas, igualmente esto pasa en todas las sociedades hay el farrista, social, canchero y por otro lado el que se queda en casa porque tiene otros intereses pero como es bien conocido por todos el vago vive del trabajo del tonto y el tonto de su trabajo. La idea principal es que los que les gusta relacionarse absorben las ideas del que que prefiere quedarse y el método de sobrevivencia es a costa de otros y por ende son menos shunshos al aprovecharse del trabajo de los demás.

El hambre obliga a Myxococcus a convertirse en pandillera

Normalmente los Myxococcus, como el resto de las bacterias viven solitas, independientes, porque tienen los suficientes nutrientes. En ese momento todos actúan igualitos, de manera similar. Pero ¿Qué ocurre cuando empieza a escasear el alimento? Todo el mundo sabe que cuando falta el pan empiezan los problemas, eso en el caso de los humanos. Con las bacterias sucede lo mismo. Cuando falta el alimento Myxococcus decide dejar de ser una bacteria de vida independiente para unirse formando una especie de babosa reptante, hay quien lo llama manada de lobos porque es un montón de bacterias hambrientas en busca de otras presas. ¿Qué presas? bacterias de otras especies, despistadas que pasaban por allí. Un poco lo que hacen los pandilleros que aprovechándose de su número se dedican a robar y a obtener el dinero de pobres transeúntes…. Pero todo lo que va mal, puede ir a peor. Se pueden acabar los transeúntes, que en este caso serían las bacterias. Cuando esto sucede los Myxococcus comienzan a actuar de una manera sorprendente. Se juntan y crean una especie de montículo, que los especialistas llaman cuerpos fructífero (ver figura 2). Ahora, ya no todos los Myxococcus son iguales, van a haber Myxococcus más pilas o egoístas que son los que se van a situar en la parte de arriba y los que acolitan o altruistas forman la base que termina siendo un cadáver. Las bacterias son las primeras en inventar un cadáver, porque no todas las bacterias sobreviven, sólo aquellas que fueron egoístas y pilas son las que van a tener el chance de transmitirse; por el contrario aquellas que fueron altruistas se quedarán sin nutrientes y morirán formando así un cadáver. Si ponemos de ejemplo la flor diente de león , las células altruistas son las que forman el tallo, es decir, las que se quedaran fijas y no tienen oportunidad a reproducirse, en cambio las egoístas son los pétalos que tienen la oportunidad de “volar” por lo tanto se van a multiplicar. y en el caso de los seres humanos lo mismo, las unicas celulas que pasarían a la siguiente generación son nuestras celulas sexuales.

Fig. 2. Cuerpo fructífero de Myxococcus. Fotografía electrónica de barrido.

¿Suicidas generosas o simplemente lentas?

Los cuerpos fructíferos son uno de los mayores misterios entre estas pequeñas “lobas”, aún se está tratando de entender que hace que entre seres de la misma especie, ciertos individuos tengan la conciencia de que deben ser más arrechos y atrevidos para vivir. Claro esto lo vemos en la agobiante competencia del día a día entre los humanos, o incluso entre los espermatozoides cuando todos corren desesperados para coronar el premio. ¿Pero en las bacterias? jamás nos imaginamos que encontraríamos semejanzas con seres tan primitivos, pero y si te digo que nuestros sistemas de vida se parecen bastante el momento en que ya no tenemos de que alimentarnos. Como corredores de atletismo estas pequeñas sepas son mucho más rápidas de lo que van a ser las que se quedan en el fondo, en investigaciones se ha descubierto que las que llegan al filo y se reproducen, se desplazan a velocidades mayores, como si supieran que deben ganar la competencia por la vida. O también en algunos cultivos forman una especie de centros de nucleación y van siendo atrapadas cuando se acercan a las demás quedándose algunas en el fondo y otras en la última capa, pero no se entiende con claridad que las diferencia, que aspecto es su carácter las hace ser ganadoras y perdedoras. Pero hay algo que nos resultará también pan de cada día, los vagos deben ser eliminados de la sociedad para que ésta pueda triunfar, las bacterias funcionan de la misma forma siempre buscarán apartar a las que no tienen ninguna utilidad los aíslan del gran grupo que coopera. Comportamientos que se esperaban encontrar sólo en los “civilizados” humanos ahora los descubrimos en seres diminutos con los que podremos darnos cuenta de que la comunicación es mucho más antigua de lo que la razón puede entender. Estas pequeñas son capaces de conversar unas con otras a través de señales y recibir respuestas específicas de sus compañeras, cada miembro de los Myxococcus habla entre sí y su supervivencia depende de ello ya que la calidad de los cuerpos fructíferos se basa en la buena charla que haya entre panas. Si son capaces hasta de hacer planes ¿aún dudan de su inteligencia?.

Fig. 3. Ciclo del Myxococcus. No lo explicamos porque creemos que se entiende ¿No?

El altruismo como el comunista suicida

Los altruistas forman el cadáver para que sólo los egoístas puedan sobrevivir , es decir hacen un sacrificio por el bien común para que su descendencia pueda sobrevivir , esto es parecido según Karl Marx a un desarrollo comunista donde todos trabajan por el bien común , hacen sacrificios por toda una nación para llegar a ser una potencia brillante .Los caníbales igualmente se comen unos a otros para unos con el fin de ser osados, otros porque son sus enemigos pero para los Myxococcus está presente por el simple hecho de la supervivencia de especie para que permanezcan aunque sea unos pocos. Para entender esto también podemos ver como nuestro propio cuerpo tiende a ser egoísta ya que los ovarios y espermatozoides son los únicos que van hacer que la raza humana se siga proliferando .Lo que se debe entender es que las altruistas se sacrifican para un bien común.

Fig. 4. Myxococcus xanthus después de 7 días de incubación. Muestra un enjambre en el que las células interactúan, la porción externa es la corona circular, las células anulares continúan creciendo y moviéndose a altas velocidades

 ¿Qué sentido tiene ser egoísta o ser altruista?

Te has puesto a pensar si es que prefieres ser el chevere y acolitar al grupo o sobresalir por ti solo? Lo crean o no todos somos egoístas, aunque es algo que no aceptamos. Richard Dawkins habla sobre “ el gen egoísta” y asegura que el altruismo es un egoísmo disfrazado. Es muy importante entender el concepto de egoísmo biológico, en biología egoísmo significa dejar el máximo de descendencia. Todos actuamos como egoístas para sobrevivir y para poder reproducirnos. Mientras más de nosotros haya en el mundo mejor, desde un punto de vista biológico. La recompensa de ser egoísta es grande ya que trabajamos para nosotros mismos, pero qué sentido tiene ser altruista y por qué todos en algún momento buscamos serlo? Aunque la mayoría de las veces podríamos quedarnos como un tallo o un cadáver, tratamos de acolitar al grupo a pesar de no obtener una recompensa. La lógica de esto es simple, el ser humano necesita trabajar en conjunto y todos necesitamos aportar algo más que al final nos da algo a nosotros, se podría decir, que somos egoístamente altruistas.

La información genética del Myxococcus y los códigos de aparatos tecnológicos, ¿Comparten la misma historia?

Por más loca que suena esta idea estos aspectos se relacionan increíblemente. ¿Cómo? Empecemos por los códigos, así como hay buenos que forman buenos programas y han sido fuertes y permanentes en el mercado existen los virus que sin importarles acaban con otros programas, se infiltran en información ajena como las típicas viejitas chismosas y al final pueden causar grandes daños al equipo.Ahora relacionemos esto con los Myxococcus, estas bacterias que se distinguieron de las demás precisamente por su comportamiento egoísta puesto que unas les dan una puñalada por la espalda a las otras, sacrificando al resto cuando se trata de supervivencia.

A lo largo de nuestra historia se han contemplado muchos inventos del hombre a nivel tecnológico, uno de los más importantes fue la creación de los robots, ellos aparentemente solucionarán nuestras vidas, harán nuestros mandados y básicamente hará todo lo que nosotros queramos. Pero qué tan divertido sería si en un intento de querer convertirlos en aparatos más eficientes ocurre un error y estos toman conciencia. ¿Nos superarían? Muchos estarían seguros que sí, con un simple programador sabrían miles de idiomas, de oficios e incluso según algunos lo más probable es que nos lleguen a dominar y gobernar.

En realidad sería algo de mal gusto decir que seríamos todos dependientes de un robot, es decir, todos vimos el suplicio de “Neo” para podernos sacar de las garras de los “Matrix”.

Y la verdad, es algo muy injusto que el hijo domine al padre, en este caso el robot a su creador que fue el hombre; aunque esté siempre ha logrado estar un paso adelante.

Finalmente, el accionar del Myxococcus simplemente responde a una actitud defensiva ante el gran fenómeno de la evolución, esto claramente se debe a que para no desaparecer optaron por un comportamiento egoísta, se pusieron a ellas antes que todo y en cierto punto ese es el pequeño secreto para sobrevivir, el humano a nivel de sociedad siempre tiende a velar por su bien individual antes que por el colectivo, un código en la computación puede convertirse en un virus con tal de eliminar a su competencia y un robot, bueno ellos cada vez están más presentes en nuestro diario vivir pero eso no los convierte en seres superiores puesto que no son el único aparato del cual los humanos usan.

Fig. 5. Myxococcus nos ha enseñado que el conflicto con los robots es inevitable.

Autoras: Shanti Granja, Doménica Lazo, Ana Paula González y María Cristina Aumala. Estudiantes de Medicina de la UDLA, Quito

Sensibilidad especial por el territorio ¿Se traduce en mayor fitness?

Idiocracia: no son los estúpidos, son los patriotas los que se reproducen

La película "Idiocracia" narra un distopía en la que los estúpidos se reproducen más y más y al cabo de 500 años los EEUU de América es un país lleno de gente con un coeficiente intelectual mucho más bajo que el actual. Una distopía muy en la tradición anglosajona de (no me acuerdo de la referencia, está en un libro de genética). El hombre que tiene hijos con una mujer virtuosa e hijos con una cantinera de pocas luces. Lo cierto es que cuando vi la película tuve la sensación de que esa parte, esa hipótesis no era del todo cierta. Hoy tuve una revelación: no son los estúpidos, son la gente que tiene más percepción de las señas de identidad y del territorio. Si que hay muchos estúpidos entre este colectivo, pero por supuesto sólo son los más conspicuos. Hay mucho religioso, judío, musulmán, católico, mucho dentista, abogado del estado, médico. Y aquí surge la pregunta: "Una correlación entre ser un fanático y la capacidad de tener hijos". Fanático, este concepto se debería de afinar más: fanático como persona muy consciente de sus señas de identidad y del espacio que disfruta al detentar esas señas.

Necesito saber más estadística y poder hacer este estudio: relacionar ser de tendencias retrógradas: ultra-loquesea y fitness reproductiva. Es solo mi experiencia personal pero intuyo que hay una correlación entre ser un patriota y la capacidad de tener hijos.

Habilidad para manejar las señas de identidad y explotación del territorio

Un fanático de los de "a la derecha la pared". Una de las características de este tipo de personas es que tienen una sensibilidad especial por el territorio. Son patriotas, son xenófobos, son de los de "si no le gusta este país váyase. Oye, no seré yo quien lo juzgue, pero si hay que reconocer que son muy hábiles manejando las señas de identidad (las suyas) y el territorio.

Estoy harto de ver personas de izquierdas, feministas... que no tienen hijos. Muchos vienen de hogares donde los padres se han divorciado. Son personas que por muchas razones han decidido no tener hijos. Esta proporción es muy muy baja entre las personas patriotas que conozco. 

Tengo la intuición de que a nivel bacteriano debe de funcionar el mismo esquema. Imaginemos una simple célula que se divide y se divide hasta que agota los nutrientes. Estoy pensando en el caso de la bacteria Myxococcus. Todas son clónicas. Hay unas bacterias que son capaces de auparse a la parte de arriba del cuerpo fructífero. Son las que se van a convertir en esporas y a tener la oportunidad de dispersarse y por lo tanto de perpetuarse al encontrar nutrientes. Este es el esquema que ha dado lugar a todos los organismos superiores.

Titanic: había pasajeros. Distribuidos en clases. Lo mismo que con Myxococcus, los "egoístas" se situaron arriba y accedieron a su medio de transmisión: los botes salvavidas. Los otros pasajeros se hundieron con el buque

Estoy convencido de que dentro de ese clon de células, por el mecanismo que sea, y que es necesario descifrar, hay algunas células con mayor "sensibilidad" espacial. Son esas las que se van a reproducir, lo mismo que nuestros "a la derecha la pared".

Entender la bioquímica bacteriana para entender nuestra bioquímica

El premio Nobel español, Santiago Ramón y Cajal, fue el primero en darse cuenta que el cerebro estaba constituido por una red de células muy enmarañadas. Cajal hacía cortes de cerebros de animales adultos y no era capaz de distinguir nada dado lo enmarañado de las neuronas. Fue una persona analfabeta la que le sugirió la solución. A Cajal le proporcionaba los animales con los que hacer sus cortes del cerebro un señor que se los traía del campo. Este hombre le dijo algo así como que para buscar cosas sencillas hay que ir a lo sencillo y le sugirió que hiciese cortes de cerebros de embriones, no de cerebros ya adultos. Gracias a este consejo Cajal fue capaz de ver a las neuronas de manera individual.

Cuando se explica, por ejemplo la bioquímica del cuerpo humano se tiende a estudiar los sistemas como si se hubiesen desarrollado en el cuerpo humano. Esto no es así. La mayoría de la bioquímica humana se ha desarrollado en las bacterias. Si pensamos que de los 4000 millones de años que tiene la vida en la Tierra, los humanos sólo representamos una fracción de tiempo significante, entonces buscaríamos la solución en seres vivos más sencillos: las bacterias. Si representásemos los 4000 millones de años como la altura de la Torre Eiffel, la aparición del hombre sobre la Tierra estaría representado como la capa de pintura que hay sobre la bola que hay en el mástil arriba de todo de la torre: una insignificancia.

Para entender la complejidad bioquímica de un ser humano hay que entenderla bajo una perspectiva evolutiva. Las bacterias nos dan muchas pistas de porqué tenemos sistemas bioquímicos tan sofisticados. Por ejemplo:

Toma de decisiones

Muchos organismos unicelulares pueden hacer que bacterias de su propia especie que se encuentran en sus cercanías se “suiciden”, una habilidad conocida como "quorum sensing" (1). Cada bacteria libera una pequeña cantidad de una sustancia química en su entorno, un producto químico que pueden detectar a través de receptores en su pared externa. Si hay muchas otras bacterias a su alrededor, todas liberan el mismo producto químico, los niveles pueden llegar a un punto crítico. En este momento, cuando se alcanza una concentración determinada de este producto químico se activan los receptores de todas las bacterias y esto ocasiona que esas bacterias al unísono cambien de comportamiento. De esta manera puden formar una película que les ayude a vivir sobre una superficie gracias a los componentes celulares de las bacterias muertas, pueden emitir luz, resistir a los antibióticos, producir una especie de moco que les ayude a fijarse etc. Las bacterias patógenas (causantes de enfermedades), utilizan con frecuencia el quórum sensing para decidir el momento de lanzar un ataque contra su anfitrión. Una vez que han acumulado el número suficiente para abrumar al sistema inmunológico, entonces colectivamente lanzan un asalto al cuerpo. Bloqueando sus señales puede prepararnos de una forma de defendernos.

Esta capacidad de las bacterias para suicidarse de manera altruísta a favor de la comunidad se aprovecha por la evolución. Todos sabemos que la mitocondria, un orgánulo de las células eucariotas (las de las personas, plantas, hongos) en origen era una bacteria que se integró en un consorcio con otras bacterias para formar la célula eucariota. La nueva célula eucariótica utilizó estas habilidades para sus propios fines. Uno de los mecanismos de suicidio que tienen las células eucarioticas es la apoptosis. La apoptosis es un suicidio celular programado. Muy útil, por ejemplo, para las ranas cuando hacen su metamorfosis y van reduciendo poco a poco su cola. O en el desarrollo humano. Nosotros nacemos con una membrana entre los dedos que se pierde durante el desarrollo. La membrana de los dedos y la cola de las ranas se reabsorbe mediante la apoptosis.

Las rutas de activación del suicidio celular en humanos son realmente complicadas e involucran receptores en la membrana celular, en el nucleos, cascadas de señales, pero.. ¿Qué hay en el centro? ¡Una mitocondria! un orgánulo de origen bacteriano. Entendiendo cómo se suicidan las bacterias podemos entender fácilmente este mecanismo en los humanos.

La vida en la ciudad

Las bacterias no sólo pueden ser locuaces y cooperativas, sino que también forman comunidades. Cuando lo hacen, el resultado es una biopelícula, más conocida como la delgada capa de limo que cubre los interiores de las tuberías de agua, o las superficies de cocina en las residencias de estudiantes. También se encuentran en refugios biológicos, como el interior del sistema digestivo humano y en cualquier lugar, de hecho, donde haya mucha agua. Muchas especies distintas viven en un lado u otro de estas "ciudades bacterianas", masticando los desperdicios de otros, cooperando para aprovechar las fuentes de alimentos, y salvaguardándose unos a otros frente a las amenazas externas, como los antibióticos. Dentro de estas ciudades se ha observado que, dentro de la misma especie, algunas bacterias producen sustancias para el mantenimiento de la ciudad, con el gasto de energía que eso conlleva y otras por el contrario prescinden de cooperar y ahorran esa energía invirtiéndola en dividirse. Cuando hay muchos individuos “egoistas” en la ciudad colapsa y se viene abajo.

Comunicación

Las bacterias sehablan unas a otras por medio de productos químicos como por ejemplo Bacillus subtilis. Si los individuos de B. subtilis crecen en un zona determinada y en esta zona se empiezan a acabar las fuentes de nutrición entonces liberan unas sustancias químicas en su entorno. Básicamente, dicen a sus vecinos: "No hay mucho alimento aquí, fuera de aquí o pasa hambre". En respuesta a estos mensajes químicos, las otras bacterias evitan aproximarse donde viven las B. subtilis. Este tipo de comportamiento es un forma de comunicación celular, bien como paracrina (cuando ocurre en un organismo pluricelular, donde actuarían como hormonas), bien como feromona (cuando actúa sobre individuos distintos)

Mutación acelerada

Muchos microbios pueden acelerar el ritmo en que sus genes mutan. Esto les permite obtener nuevas habilidades que les ayuda cuando las condiciones se ponen difíciles. Esta es una estrategia arriesgada, ya que muchas de las nuevas mutaciones pueden ser nocivas e incluso mortales, en efecto, es el último recurso cuando queda poco por perder.

Los ejemplos son legión: La Escherichia coli (E. coli) muta más rápidamente cuando está bajo estrés (2), y la levadura también se ha demostrado que realiza el mismo truco (3).

Durante los primeros años de la década de 1990, los investigadores sugirieron que las bacterias podrían tener una forma de "elegir" las mutaciones particularmente útiles. Esta idea de la mutación dirigida fue extremadamente controvertida, y en 2001, las pruebas se amontonaban en su contra (4).

La navegación

Es de común conocimiento que muchos animales pueden navegar a través de grandes distancias, las abejas y las aves migratorias se encuentran entre los ejemplos más conocidos. Pero los microbios son también muy buenos en eso.

Las algas unicelulares, llamadas colectivamente Chlamydomonas, nadan hacia la luz, pero sólo si es de una longitud de onda que puedan utilizar para la fotosíntesis.

Del mismo modo, algunas bacterias se mover de acuerdo a la presencia de sustancias químicas en su medio ambiente, un comportamiento llamado quimiotaxis. Las E. coli, por ejemplo, se mueven como tiburones siguiendo un rastro de sangre, si algunas moléculas de alimentos se reducen en su entorno. Myxococcus xantus también hace lo mismo solo que se agrupan entre ellas formando una “babosa” movil de varios cientos de Myxococcus que se lanzan como una manada de lobos a la búsqueda de alimento.

Otro grupo de bacterias se adhieren al campo magnético de la Tierra, lo que les permite direccopnarse al norte o al sur (5). Conocidas como bacterias magnetotácticas, su especial capacidad viene determinada por unos orgánulos especializados cargados con cristales magnéticos.

Pero tal vez, la más notable hazaña de navegación microbiana, se realiza por la Physarum polycephalum del limo. Esta colonia de organismos similares a las amebas, siempre encuentran el camino más corto a través de un laberinto.

Aprendizaje y memoria

Cuando la ameba Dictyostelium busca alimentos en la superficie de una placa de Petri, lo hace en turnos frecuentes. Pero no lo hace totalmente al azar. Busca hacia la derecha, y vuelta hacia la izquierda, en turnos alternativos. En cierto modo, "recuerda" cuál es la dirección de última vez. El esperma humano tiene la misma capacidad.

La E. coli todavía es mejor. Esta bacteria, dedica parte de su ciclo de vida a viajar por el sistema digestivo humano, encontrando diferentes ambientes allá por donde va. En el curso de su viaje, se encuentra la lactosa antes de que se encuentre relacionada con el azúcar, la maltosa. En su primera digestión de la lactosa, se activa la maquinaria bioquímica para digerirla, pero también se activa, en parte, los mecanismos de la maltosa, de modo que estará lista para una fiesta tan pronto como la alcance.

Para demostrarlo, los investigadores de la Universidad de Tel Aviv alimentaron una E. coli durante varios meses con lactosa, pero sin maltosa. Descubrieron que las bacterias gradualmente cambiaron su comportamiento, de manera que ya no se molestaban en cambiar el sistema para digerir maltosa (6).

La invención del cadaver

Myxococcus xantus consigue desarrollar el primer cadaver. Cuando hay escasez de alimento Myxococcus forma una colonia que crea un tallo y un cuerpo fructífero. Recuerda a una seta. Hay ciertas células, llamadas egoístas, que se sitúan en la cúspide del cuerpo fructífero, son aquellas que van a tener la mayor probabilidad de dispersarse a otros lugares en donde quizás en tengan la oportunidad de encontrar alimento. Las células altruístas que han formado el tallo desgraciadamente permanecerán ancladas al lugar actual sin recursos y morirán de inanición. Las células egoístas  de Myxococcus son un remedo de las células reproductivas en los humanos (espermatozoides y óvulos), mientras que las células altruístas seríamos nosotros sin las células sexuales: un carrier que sólo trata de pasar las células egoístas a la siguiente generación buscando un background genético apropiado para mezclar genes y darle mayores oportunidades de tener éxito en su vida.

 

Cuando escasea el alimento Myxococcus forman un cuerpo fructífero (Fruiting body) las células que están arriba tendrán más oportunidades de dispersarse que las que forman el tallo de cuerpo, consideradas células altruístas. Estas células son un ejemplo de protocadaver. Fuente de la fotografía: Nature.

Referencia:

(1) Nealson, K.; Platt, T.; Hastings, J.W. (1970). "The cellular control of the synthesis and activity of the bacterial luminescent system". Journal of Bacteriology 104 (1): 313–22. PMC 248216. PMID 5473898.

(2) Science, DOI: 10.1126/science.1082240

(3) Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology, DOI: 10.1080/10409230701507773

(4) Nature Reviews Genetics, DOI: 10.1038/35080556

(5) Science, DOI: 10.1126/science.170679

(6) Nature, DOI: 10.1038/nature08112

Las 10 bacterias más sorprendentes

1. Wolbachia

Son bacterias a las que no le gustan los machos. Estas bacterias son parásitos intracelulares obligados, normalmente de insectos, aunque también parasitan a otros grupos. Tienen varias estrategias para hacer que la población parasitada llegue a tener un 99% de hembras. Esto es así porque Wolbachia viven en las hembras y por tanto no le gustan los machos. Si una Wolbachia entra en una especie, por ejemplo de saltamontes, no habrá forma de que los saltamontes infectados tengan descendencia con saltamontes no infectados. Es lo que se llama incompatibilidad citoplasmática. Este fenómeno lleva parejo un proceso de especiación. Recientemente se vió que tres especies diferentes de la avispa Nasonia, con distintos tamaños y rasgos fenotípicos, colonizadas por Wolbachia, cuando se trataban con un antibiótico que eliminaba a la bacteria volvían a ser la misma especie y a tener descendencia viable entre ellas.

2. Bdellovibrio

A primera vista los bacilos Gram-, curvados de 1 micra del Bdellovibrio no presentan nada inusual, es basicamente una bacteria flagelada, sin embargo se mueve alrededor de 10 veces más rápido que cualquier bacteria del mismo tamaño. Bdellovibrio se considera como un predador bacteriano. Su importancia ecológica es que proporciona junto a protozoos y bacteriofagos, un medio de control del crecimiento de las bacterias del suelo. Durante el proceso de alimentación de Bdellovibrio, el microbio va creciendo hasta formar un filamento largo y enrollado. Al cabo de de 2 o 3 horas no queda absolutamente nada del contenido citoplasmático del huesped, ocurriendo la fragmentación, dando lugar a aproximadamente 20 bacilos curvados que son liberados luego de la lisis de la célula hospedadora, volviendo a ocurrir el ciclo de alimentacion."

3. Myxococcus xantus

Myxococcus salen a cazar como manadas de lobos. Recorren superficies en busca de que comer. Cuando están hambrientas forman un cuerpo fructífero. A pesar de ser bacterias clonales (todas proceden del mismo ancestro) en la formación del cuerpo fructífero se diferencian dos poblaciones: las egoístas y las panolis. Las panolis forman el cuerpo y el tallo del cuerpo fructífero que no se va a propagar, y las egoístas forman las esporas que son las encargadas de propagación y por tanto de dotar de continuidad biológica al conjunto. Es un organismo modelo para estudiar comportamientos sociales.



4. Vibrio fischeri

Vibrio fischeri es una bacteria bioluminiscente. Puede vivir simbiótica en órganos especiales de calamares y peces. 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. 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 sensing.

5. Deinococcus radiodurans

Es una bacteria extremófila, y el segundo organismo conocido más resistente a la radiación siendo el primero el Thermococcus gammatolerans. Mientras que una dosis de 3…6 Gy es suficiente para matar a un ser humano, y una dosis de 60 Gy es capaz de matar todas células en una colonia de E. coli, la D. radiodurans puede resistir una dosis instantánea de hasta 5000 Gy sin pérdida de viabilidad, y dosis de hasta 15000 Gy con un 37% de pérdida de viabilidad. Además, puede sobrevivir en condiciones de calor, frío, deshidratación, vacío y ácido. Debido a estas características, se ha sugerido que estas bacterias podrían ser capaces de sobrevivir en el espacio exterior.

6. Thioploca spp

La de la foto es la bacteria más grande del mundo. Fue descubierta en los fondos marinos.Thioploca vive en una especie de vaina de unos 20cm. Recuerda a un molusco tipo navaja. Se alimenta de nitrato, el cual absorbe del agua, una vez que absorbe el nitrato que necesita se retira al fondo del lecho marino. en las vainas que construye Thioploca existen unas bacterias mucho más pequeñas, Anammox, que roban el nitrato de Thioploca.

7. Listeria monocytogenes

"Rocket to Russia" La canción de los Ramones, pues bien esta es la versión bacteriana en donde Listeria es capaz de pasar de una célula humana a otra propulsada por una polimerización de actina en uno de los extremos de la bacteria. El efecto es un cohete que viaja por el citoplasma de la célula infectada hasta que impacta de manera adecuada con la membrana celular y la atraviesa para entrar en la célula de al lado.

8. Pseudomonas syringae

Esta bacteria tiene una proteína en su superficie que imita a la estructura de un cristal de hielo. Esta imitación del cristal de hielo sirve como iniciador en la formación del copo de nieve ya que las moléculas de agua helada se van a unir a él en las capas altas de la atmósfera. El resultado es que esta especie es “formadora de copos de nieve”. Como viaja por las capas altas de la atmósfera la hemos encontrado en Francia, en EEUU, en la Antártida...

En este sencillo experimento enfriamos una botella de agua a -6ºC y vertemos un poco de bacterias Pseudomonas syringae. Estas bacterias tienen una proteína que se sabe inicia la nucleación del hielo y voilà.

9. Thermus aquaticus

Esta bacteria vive a temperaturas comprendidas entre 50 y 80 °C, gracias a que sus enzimas resisten tales condiciones. Normalmente, a esas temperaturas las proteínas constitutivas de la mayoría de los seres vivos se desnaturalizan y no vuelven a ser funcionales. Debido a esa termorresistencia, la enzima que Thermus aquaticus emplea para replicar su ADN, llamada ADN polimerasa Taq, se utiliza con frecuencia en las reacciones de PCR. 

10. Epulopiscium spp y carsonella ruddii

Esta bacteria tiene miles de copias de su ADN y continene 40 veces más ADN que el que contiene una célula humana. Epulopiscium pasa olímpicamente de los límites de tamaño de la mayoría de las bacterias y crece hasta proporciones enormes, por si fuera poco, es muy mala comedora y sólo es capaz de vivir en los intestinos del pez unicornio. ¿Os imaginais lo difícil que es estudiar esta bacteria? la única forma de obtenerla es pasarte el día buceando para poder pescar alguno de sus hospedadores y obtener a Epulopiscium de sus tripas...

Carsonella ruddii tiene el genoma mínimo más pequeño conocido. Esta bacteria ha perdido la mayoría de sus genes y por eso ha perdido su capacidad para vivir independiente y tiene que vivir dentro de las células de insectos hospedadores que le proporcionan a esta bacteria la información genética adicional para vivir.

Myxococcus y la aparición de los primeros cadáveres

Los genomas de algunas bacterias, Myxococcus xantus, Escherichia coli ejemplifican cómo la evolución ocurre por mecanismos independientes de la selección natural. La selección natural es obvia cuando se trata de organismos que dejan cadaver. Tienes una camada de perros. Al haber presión selectiva no pueden sobrevivir los 10 cachorros, por lo tanto, por probabilidad, habrá el que haga bien más tareas y que por tanto tenga la posibilidad de llegar a adulto, competir con otros adultos y ser capaz de mantener a su progenie. En el mundo bacteriano vemos ejemplos que podrían expandir esta idea de la evolución: existencia de individuos altruístas/egoístas; individuos que hacer un esfuerzo por aquellos que son como ellos (kin selection). Surge la idea de que lo que se selecciona ya no es el individuo sino el genoma. En los organismos con sexo existe cadaver. Cuando nos apareamos cada gameto baraja los genes, ocurren las recombinaciones, en la descendencia podemos ver esa variabilidad: los hermanos se parecen pero son diferentes, nacen en distinto momento según los padres sean más o menos jóvenes, con más o menos fuerza y capacidad. Sobre esa variabilidad opera la selección natural.

En el mundo de los genomas bacterianos, donde la compartimentalización genómica no está clara por la transmisión horizontal de los genes (conjugación, transformación, vesículas, transducción) ¿Cómo mantienes la independencia y la identidad de una combinación de genes exitosa? Necesitas un tag, un “identity signal”, una unidad de egoísmo.

En el mundo bacteriano se ensaya la aparición del cadaver. Si partimos de una sóla bacteria de Myxococcus xantus y la dejamos tener, teóricamente toda la descendencia va a ser clónica ya que no existen las ventajas del sexo. ¿Podría haber mucha variabilidad intraespecífica al cabo de unas cuantas generaciones? ¿digamos un día?. Los experimentos de Lenski sugieren que puede haber mucha variabilidad intraespecífica a partir de un solo clon si se le deja tener las suficientes generaciones. Probablemente para llegar a niveles en que la variabilidad intraespecífica llegue a ser notoria hagan falta más de un día. Si a la descendencia de 24 horas de crecimiento de Myxo se la pone en una placa con escasez de nutrientes entonces la bacteria comienza a formar un cuerpo fructífero. De ser una babosa (una colonia móvil de bacterias, una especie de manada de lobos) en busca de nutrientes pasa a ser una especie de seta. La mayor parte de las células del tallo son consideradas altruistas ya que forman el tallo para que las células egoístas se coloquen en la parte superior de la estructura para poder dispersarse lejos de la zona en la que las bacterias han detectado una falta de recursos. Las células egoístas tienen mayor probabilidad de llegar a un medio favorable. Serán favorecidas por la selección natural. Lo curioso es que estas células egoístas si las dejas crecer a su vez durante 24 h volverán a formar un cuerpo fructífero con células altruistas y células egoístas. 

Las células egoístas son un remedo de las células reproductivas, espermatozoides y óvulos, mientras que las células altruístas seríamos nosotros sin gónadas: un carrier que sólo trata de pasar las células egoístas a la siguiente generación buscando un background genético apropiado para mezclar genes y darle mayores oportunidades de tener éxito en su vida.