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