Escribo para mí, para recordar algunas ideas que me interesan. Con el tiempo he descubierto que existe más o menos un nexo común en esas ideas. Aviso: Este blog no es un consultorio de salud.
En todo el mundo, al menos 2 000 millones de personas utilizan una fuente de agua potable contaminada con heces, y se prevé que en 2025 la mitad de la población mundial vivirá en zonas con escasez de agua. La disponibilidad de agua potable para todos es una de las metas de las Naciones Unidas dentro de sus Objetivos de Desarrollo Sostenible para lograr un futuro mejor y más sostenible: Objetivo 6: garantizar el acceso al agua y al saneamiento para todos.
El número de bacterias en el agua, como las bacterias coliformes y Escherichia coli, no son indicadores adecuados para evaluar la calidad virológica del agua potable. En su lugar, es más apropiado utilizar colifagos (US-EPA 2015, OMS 2017). Estos son, además, más representativos del conjunto de virus humanos que cualquier patógeno vírico.
Los colifagos son bacteriófagos que infectan bacterias fecales. Cuando abandonan los intestinos humanos por los sistemas de alcantarillado, a no ser que se encuentren con bacterias coliformes, similares a las que son capaces de infectar, no se replican. Por este motivo, son indicadores excelentes de contaminación fecal en el agua. Sobre todo para niveles bajos de contaminación, sobre todo en las aguas tratadas con cloro. Los colifagos presentan una resistencia al cloro superior a la de los enterovirus humanos.
Se están incluyendo en normativas como la nueva directiva de la UE sobre agua potable, el reglamento de la UE sobre requisitos mínimos para la reutilización del agua y el agua regenerada para el riego agrícola o también en la valoración de procesos de higienización de lodos de depuradora de aguas en las normativas nacionales francesas (orden 20/04/2021 TREL2111671A).
El método EPA 1601, desarrollado por la Environmental Protection Agency de los EEUU, es un método cualitativo de presencia o ausencia de fago. Lo interesante de este método es que implica exponer los fagos a dos tipos de bacterias entéricas para amplificarlos, es decir, que infecten esas bacterias y aumenten su número. Tras un periodo de incubación del agua en presencia de las bacterias indicadoras, las muestras deben cultivarse en placas petri, por el método clásico de doble capa, y determinar las calvas de lisis. Este método se considera el más sensible para excluir la presencia de colifagos en una muestra de aguas. El método EPA 1602 utiliza un ensayo en una sola etapa y permite cuantificar la cantidad de colifagos presentes.
En España disponemos de la UNE-EN ISO 10705-1:2002 Detección y recuento de bacteriófagos. Parte 1: Recuento de bacteriófagos ARN F específicos. (ISO 10705-1:1995) y la UNE-EN ISO 10705-2:2002 Detección y recuento de bacteriófagos. Parte 2: Recuento de colífagos somáticos.
La colibactina es un metabolito genotóxico producido por Escherichia coli y otras bacterias entéricas, es decir, que viven en el intestino humano. Las colibactinas causan mutaciones que conducen al cáncer colorrectal y la progresión del cáncer colorrectal. La colibactina es un péptido poliquétido que puede formar enlaces cruzados entre hebras en el ADN.
La colibactina solo es producida por cepas bacterianas que contienen una isla genómica de policétido sintasa (pks) o un grupo de genes biosintéticos clb. Alrededor del 20 % de los humanos están colonizados con E. coli que alberga la isla pks.
Fig. 2 E. coli (pks+) genera aductos de DNA potencialmente mutagénicos implicados en la
carcinogénesis, (Adaptado de Garrett 2019)
La colibactina forma enlaces cruzados entre cadenas de ADN mediante la alquilación de fracciones de adenina en cadenas de ADN opuestas. Induce el desarrollo lítico en ciertas bacterias que contienen profagos.
Un trabajo publicado recientemente respalda el papel cancerígeno de Escherichia coli que lleva la isla de patogenicidad de policétido sintasa (pks) que codifica enzimas para la biosíntesis de colibactina. La asociación de la dieta de estilo occidental (rica en carne roja y procesada) con la incidencia de cáncer colorrectal podría ser más fuerte para los tumores que contienen cantidades más altas de pks + E. coli.
Fig. 3. Maridaje entre cáncer de colon y la tabla de embutidos.
La OMS considera carne procesada cualquier tipo de carne que ha sido transformada con salazón, curado, fermentación, ahumado u otros procesos para mejorar el sabor y preservar el alimento. Esto incluiría beicon, salchichas, hamburguesas y también embutidos. Aunque la mayoría de ellos son de carne de vaca o cerdo, este grupo también incluye embutidos hechos con sangre, carne picada de ave o vísceras.
Bibliografía
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En el capítulo 2 hemos visto como, cuando apareció la primera célula, una arqueobacteria, uno de los primeros efectos que se observaron en el planeta fue la desaparición de la sopa biológica libre. Ahora, todos esos nutrientes, ricos en energía, iban a estar en el interior de membranas celulares, que no son otra cosa que un saco de avaricia. En ese momento, imaginemos como los mares, lagos y ríos del planeta iban poco a poco volviéndose más claros y transparentes. Muchas de esas arqueobacterias vivían en biopelículas. Había tantas que se producían acúmulos de ellas. Son lo que llamamos hoy en día estromatolitos. En la actualidad se los encuentra en ambientes extremos, como en Shark Bay en Australia, en el parque Yellowstone de Estados Unidos, o en la Puna Argentina.
Esto creó un conflicto entre los protovirus y las nuevas células arqueobacterianas. Como hemos visto en el capítulo 2, los protovirus perdieron por mutación los genes que codificaban para su propio ribosoma y ello no tuvo ningún impacto en sus vidas. Al replicarse esos protovirus, que habían perdido la capacidad de sintetizar su propio ribosoma, en el interior de las arqueobacterias podían utilizar el ribosoma de las arqueobacterias. Este ribosoma funcionaba igual que el de los protovirus, al fin y al cabo, el código genético es igual para todos los organismos porque todos procedemos de un único ancestro, el ribozima primordial, al que llamamos LUCA. Ahora, sin ribosoma, los protovirus se llaman virus y siguen entre nosotros.
La avaricia, el afán de acaparar y la preocupación por que no te arrebaten lo que has acumulado surge en las arqueobacterias cuando desarrollan sus membranas. Cuando hay avaricia, hay acumulación, hay ganadores y perdedores... hay drama. Y donde hay drama hay entretenimiento. De todo este drama surge el individuo, el protagonista de la historia. Aquel que tiene que luchar contra todo y todos para prevalecer... ¿Lo que nos ocurre a nosotros verdad? por eso nos identificamos con los protagonistas de las historias. ¡Vamos allá!
Membrana celular: ¡Dónde hay una frontera hay un territorio!
Los protovirus entraron en las arqueobacterias que previamente les habían arrebatado los nutrientes que se encontraban libres en la sopa biológica. Las arqueobacterias, de repente, se las tuvieron que ver con unos agentes que entraban en su interior, se replicaban a sus expensas, o incluso acababan con ellas. Si, cuando las arqueobacterias desarrollan la membrana celular, éstas ganaron muchísimo espacio extra, precisamente ese espacio había que defenderlo de agentes biológicos extraños. Una membrana celular es un territorio. Como territorio hay que defenderlo, poner barreras... También implica una relación entre nosotros y ellos. Veamos:
Fig. 1. El territorio representado por el círculo es el equivalente al interior que define la membrana celular. En el primer caso, competición, se supone que tu territorio debería ser azul, es decir, tu territorio. Si tu territorio está ocupado por él entonces es que te han comido o te han eliminado de tu territorio. En la simbiosis, ambos prevalecen en el mismo territorio. En el caso del parasitismo, el parásito es aquel que ocupa parte de tu territorio.
Hay un conflicto entre el yo y el él. ¿Cómo me protejo de él? desarrollando sistemas inmunes. ¿Cómo él se protege de mi? pues manipulándome, haciéndome creer que yo soy él, que lo que me interesa es lo que él me propone. Es algo a lo que volveremos más adelante.
El desarrollo de sistemas inmunes en bacterias: enzimas de restricción y sistemas CRISPR-Cas sirven para eliminar a los virus, parásitos o depredadores. Es una consecuencia de tener un territorio, el tener que protegerlo de agentes externos. Cuando estos sistemas funcionan podemos deshacernos de los depredadores y parásitos. De esa manera, conquistamos con el color azul que nos identifica. Nuestro territorio nos pertenece.
Fig. 2. Para reconquistar su territorio celular, las arqueobacterias desarrollaron dos sistemas inmunes, uno innato como son los sistemas de enzimas de restricción y otro adaptativo como el sistema CRISPR-Cas.
Cuando el parásito es capaz de sortear a nuestros sistemas inmunes no nos queda más remedio que pactar y llegar a una simbiosis. Se ha propuesto que las mitocondrias fueron parásitos energéticos antes de convertirse en orgánulos de la célula eucariota (Wang & Wu, 2014).
La membrana permitió tener espacio extra
Las células están separadas del medio que las rodea por una delgada lámina denominada membrana plasmática, que define los límites de las mismas. Sin esta barrera protectora, las células estarían expuestas a los rigores del mundo externo, no podrían regular su medio interno y, en consecuencia, no serían viables. La membrana plasmática no aísla a la célula completamente sino que constituye una barrera altamente selectiva, que tiene la propiedad de regular el intercambio de materiales entre la célula y el medio que la rodea.
La membrana es una estructura muy delgada: sólo tiene un espesor de 5 a 10 nm (1nm=10-9m). Por lo tanto, se necesitarían mil membranas plasmáticas apiladas, una sobre otra, para igualar el espesor de esta hoja de papel. Precisamente debido a su delgadez, cuando se examina una célula al microscopio óptico convencional, puede observarse sin dificultad el interior de la misma; en el mejor de los casos podrá apreciarse el contorno de la membrana, pero nunca podrá distinguirse su ultraestructura. Con el al microscopio electrónico se puede ver la ultraestructura de las membranas celulares y ¿Adivina qué? es para todos los seres vivos la misma estructura. Esta estructura se denominó unidad de membrana y la misma no sólo es válida para la membrana plasmática, sino para casi todas las membranas celulares, desde una bacteria, a una planta, un humano o una ballena. Todos tenemos membranas celulares similares.
La membrana permitió el desarrollo del dogma de la biología molecular
El aumento de espacio que generó la membrana celular permitió la expansión del discurso genético. Me explico, tener organismos que guardan toda su información exclusivamente en cadenas de ARN es complicado. La razón, es que la ARN polimerasa, la enzima que polimeriza el ARN es poco eficiente a la hora de copiar con exactitud la información. El ADN presenta una serie de ventajas como soporte de información. Vamos a ver: el ADN es una molécula menos oxigenada que el ARN porque su azúcar es la desoxiribosa (desoxi- sin un oxígeno). Por lo tanto, el tener menos oxígeno hace a la desoxiribosa del ADN ser más estable químicamente. El ADN tiene más rigidez que el ARN porque la timina, la base nitrogenada equivalente al uracilo del ARN es más voluminosa al tener un metilo más en su estructura a comparación del uracilo, que es exactamente igual pero sin este grupo funcional. Esto favorece que el ADN forme doble cadenas. Además, tener la información en un formato en doble cadena permite detectar las mutaciones de manera eficiente, lo cual es un ventaja cuando la información que vas acumulando es valiosa. Al tener la información en un soporte de doble cadena, si aparece un cambio, una mutación, siempre tienes la otra cadena como molde para poder corregirlo. Es un mecanismo que permite conservar la integridad del mensaje que quieres pasar a la siguiente generación.
Fig. 3. Los seres vivos seguimos lo que se ha venido a llamar el dogma de la biología molecular, esto es, que la información genética está en el ADN se pasa a ARN mediante la ARN polimerasa (5) y de ahí a proteínas por el ribosoma (2). El ADN sería el disco duro y se autorreplicaría por la ADN polimerasa (4). La información que se guarda ahí es permanente. Según se necesite, esa información se lee a ARN y este ARN es temporal y de ahí se traduce a proteínas. En el dogma genético actualizado sabemos que hay organismos que solo tienen ARN como material genético (los virus ARN) y para autorreplicarse utilizan la ARN replicasa (1). Hay virus que son capaces de pasar su información en ARN a ADN, como los retrovirus, a esa enzima se le llama retrotranscriptasa (3).
En 1957, Crick, el codescubridor de la estructura del ADN expuso el "dogma central de la biología molecular", que explicaba que el flujo de información iba del ADN al ARN y finalmente a las proteínas (Fig. 3). Tal y como fue enunciado consideraba que la información genética codificada en el ADN se copia mediante la transcripción y pasa al ARN mediante la ARN polimerasa (5), sirviendo posteriormente para sintetizar un polipéptido, proceso denominado traducción mediante el ribosoma (2). Se creía que la única biomolécula capaz de replicarse era el ADN (4). Este dogma fue modificado en 1970 por Howard Tenin y David Baltimore con el descubrimiento de la enzima retrotranscriptasa.
Una excepción al dogma la constituyen los retrovirus, que contienen ARN y una enzima especial, llamada transcriptasa inversa o retrotranscriptasa, capaz de sintetizar una cadena de ADN complementaria del ARN vírico, proceso denominado transcripción inversa o retrotranscripción (3). Esta retrotranscriptasa apareció cuando los organismos ARN empezaron a utilizar el ADN como un soporte seguro para su información, mucho más protegido de las mutaciones. Lo que es valioso hay que conservarlo bien, y la información que la evolución y el tiempo van modelando es necesario que no se malogre con mutaciones al azar que corrompan su significado. Otra excepción se debe a la replicación del ARN (5), proceso antidogmático que se descubrió al observar que algunos virus eran capaces de replicar su genoma de ARN, proceso que cataliza la enzima ARN replicasa. Esta replicasa era la única molécula autorreplicativa cuando no existía el ADN, es, a diferencia de la ARN polimerasa, una ARN polimerasa dependiente de ARN.
El organismo que desarrolló la primera membrana plasmática fue un organismo con ADN como material de soporte de información hereditaria. Un organismo que, como los computadores, tiene un disco duro, el ADN, esta información se pasa a la memoria RAM, que es una memoria temporal, lo que vendría a ser el ARN y de ahí se traduciría en los ribosomas a proteínas. En las computadoras el disco duro almacena permanentemente. Cuando se necesita trabajar con esa información, se pasa a una memoria temporal que es la memoria RAM.
Las membranas, a diferencia de las cápsides proteicas de los virus que tienen que desarmarse para que el material genético se replique, mantienen al material genético dentro de sus límites. De esa manera evitan el problema que tienen los virus cuando están en presencia de otros virus: que aparezcan recombinaciones no deseadas. Esto es lo que ha ocurrido con el SARS-CoV-2, que un coronavirus humano se replicaba en una célula en donde por casualidad había entrado un coronavirus de murciélago y ambos ARN se mezclaron, resultado un nuevo virus que originó una pandemia. Por tanto, para un organismo, tener a su material genético confinado detrás de una membrana es una garantía de que no va a haber recombinaciones con ADN de otros organismos... al menos en teoría, como veremos más adelante.
Definen la extensión de la célula y establecen sus límites
Las membranas celulares constituyen barreras selectivamente permeables, dado que impiden el intercambio indiscriminado de sustancias entre el citoplasma y el medio extracelular. La membrana celular, gracias a sus propiedades fisicoquímicas, está capacitada para transportar de un lado a otro de la misma determinados solutos, macromoléculas y complejos macromoleculares. Estas propiedades le permiten a la célula interaccionar con el medio extracelular (tanto con la matriz extracelular como con otras células vecinas). Permite a las células reconocerse, adherirse entre sí cuando sea necesario e intercambiar materiales e información.
La membrana posee receptores, que son moléculas o conjuntos de moléculas, capaces de reconocer y responder a señales provenientes del medio extracelular portando información específica. Cuando dichas señales llegan hasta la membrana plasmática, se desencadenan señales internas en la célula, tanto activadoras como inhibitorias de distintos procesos celulares.
Singer y Nicholson propusieron en 1972 un modelo estructural para las membranas al cual denominaron modelo del mosaico fluido. De acuerdo al mismo las membranas son “disoluciones bidimensionales de lípidos y proteínas”. Según este modelo, la estructura de la membrana sería una delgada lámina formada por dos capas superpuestas de lípidos (también llamadas hemimembranas), con la fluidez propia de los aceites, en la cual se encuentran insertadas proteínas. Esto le confiere el aspecto de un “mosaico”.
Las membranas no son estructuras estáticas ni rígidas. Están formadas por un conjunto de moléculas hidrofóbicas e hidrofílicas que se mantienen unidas por enlaces, en general, no covalentes. Una de las principales características de las membranas biológicas es su alto grado de fluidez. Esto implica que sus lípidos y proteínas pueden desplazarse libremente en todas las direcciones, pero siempre sobre el plano de la membrana. De allí entonces la denominación de “mosaico fluido”; a esta propiedad también se la conoce como difusión lateral.
Se generan diferencias químicas cuando hay una frontera
Como ya se ha mencionado la membrana plasmática es una barrera con permeabilidad selectiva que regula el intercambio de sustancias entre el citoplasma y el medio extracelular. Sus propiedades aseguran que las sustancias esenciales, como la glucosa, los aminoácidos y los lípidos entren a la célula fácilmente, que los intermediarios metabólicos permanezcan en la célula y que los productos de desecho, como la urea, abandonen la misma.
Todo esto permite a la célula mantener el medio interno relativamente constante. La membrana, debido a sus características hidrofóbicas, es impermeable a la mayor parte de las moléculas hidrosolubles, como la glucosa, los aminoácidos y los iones en general, de esa manera, a pesar de ser una estructura muy fina es altamente eficiente a la hora de guardar moléculas orgánicas.
La membrana celular puede ser atravesada fácilmente por las moléculas no polares y pequeñas como el O2, CO2, N2 e incluso el CO (tóxico), compuestos liposolubles como los ácidos grasos y esteroides y, además, a pesar de ser moléculas polares, el glicerol, la urea y el agua. El resto de las moléculas se transfiere de un lado a otro de la membrana gracias a proteínas integrales que actúan como transportadores; sin estos transportadores dichas moléculas no pueden difundir a través de las membranas. Estos transportadores se van a abrir o a cerrar de una manera regulada que favorezca a la célula. De esa manera, la célula puede conquistar nuevos ambientes, nuevos territorios.
El interior de la célula tiene memoria
Como se puede observar en la figura 4, las bacterias son capaces de heredar a sus hijas el nivel de activación o de inactivación de genes. Esto no quiere decir que las bacterias hijas heredan genes distintos a sus progenitores. Heredan exactamente el mismo cromosoma que tienen sus progenitores, lo único distinto es que pueden encender o apagar genes distintos, según los estímulos recibidos y hacer que su descendencia herede el patrón de apagado o encendido.
Fig. 4. El citoplasma bacteriano tiene la capacidad de modificar el ADN de la bacteria, y las bacterias hijas heredarán lo que se haya modificado en la generación anterior. Esta propiedad se llama epigenética. Una célula A se divide y da lugar a dos células hijas iguales: B y C. B y C reciben estímulos externos distintos, en la imagen representados por las flechas amarilla y azul. Esto hace que expresen factores de transcripción adecuados a las nuevas condiciones externas. Estos factores de transcripción van a modificar los genes de las bacterias B y C. Los genes modificados van a quedar activos, representados por la carita feliz o inactivos, representados por la señal de prohibición. Las células hijas de B y C, a pesar de que no han tenido los estímulos externos de sus progenitoras, conservan el patrón de encendido y apagado de la generación anterior. Fuente: Actuaciencia
Vamos a ver un ejemplo: el sistema MDR (por sus siglas en inglés "Multidrug Resistance System"). Si exponemos bacterias a concentraciones subinhibitorias, es decir, que no las matan, de antibióticos, las bacterias encenderán los genes que van a generar bombas de eflujo que les ayuden a bombear fuera de la célula al antibiótico. Una manera de preservar la identidad física de lo que está en el interior de su membrana. ¿Cómo se encienden o apagan genes? mediante la metilación del ADN, las modificaciones de proteínas que sirven para empaquetar el ADN y los ARN no codificantes. Mediante estas tres estrategias las bacterias pueden hacer que su ADN produzca lo que necesita para protegerlas bajo las nuevas condiciones ambientales. De este modo, aunque existan cantidades elevadas de antibióticos, las bacterias pueden resistir ese veneno. Es importante mencionar que este mecanismo dura unas cuantas generaciones incluso en ausencia de antibiótico. Al paso del tiempo, si no hay antibiótico en el medio, las bacterias destruyen sus bombas de eflujo volviendo a su estado original en la que no están especialmente preparadas para resistir al antibiótico.
Esta capacidad que tiene el citoplasma de modificar el ADN de la bacteria ha sido utilizado por bacterias que viven en el interior de células eucariotas, como por ejemplo las famosas: Mycobacterium tuberculosis, causante de la tuberculosis,Helicobacter pylori, causante de la úlcera de estómago, Escherichia coli, causante de cistitis, Listeria monocytogenes, Pseudomonas aeruginosa, y Legionella pneumophila... Pero ya hablaremos más adelante de todo esto.
Acumular material de reserva: crecimiento exponencial versus postexponencial
La membrana permitió acumular material de reserva. El hecho de que esas arqueobacterias acaparasen todas las moléculas orgánicas que flotaban libres en la sopa biológica primordial ya indicaba que la membrana es un saco para la avaricia. Esto ha hecho que las arqueobacterias iniciales empezasen a almacenar las moléculas sobrantes en polímeros como polisacáridos, lípidos, polifosfatos o azufre líquido en forma de esferas que se observan como puntos refringentes de luz al microscopio. ¿Por qué las guardan como polímeros? porque si guardan esas moléculas como monómeros aumentaría la presión osmótica en el interior de la célula. Las moléculas individuales atrapan más agua que si están empaquetadas en moléculas más grandes. Pequeños trucos bioquímicos de una membrana que siempre tiene que estar en un ambiente húmedo. Cuando es necesario, vuelven a ser monómeros y sirven como fuente de carbono y energía, prolongando la vida bacteriana en ausencia de alimento.
Las hifas son un ensayo de pluricelularidad: el caso de Thiomargarita
La bacteria Thiomargarita magnifica, es una bacteria con una longitud celular promedio mayor a 9,000 µm, es decir, 9 mm. Una bacteria que es visible a simple vista. Ya no hablamos de microbios sino de macrobios. Esta bacteria posee una biología única como es tener una poliploidía sin precedentes de más de medio millón de copias de un genoma muy grande. Asimismo tienen un ciclo de vida dimórfico con segregación asimétrica de cromosomas en células hijas. Estas características, junto con la compartimentación del material genómico y la síntesis de proteínas en orgánulos unidos a la membrana, indican una ganancia de complejidad en el linaje Thiomargarita y desafían los conceptos tradicionales de las células bacterianas. Es muy interesante observar que todo su ADN se encuentra dentro de una bolsa membranosa, unida a la pared celular. Esto ayuda a que su núcleo se mantenga protegido de cualquier agente externo. Algo de lo que carecen sus parientes bacterias y arqueas, cuyo material genético flota libremente dentro de sus células. Además, también lleva una segunda bolsa llena de agua, que ocupa más del 70% del volumen total de su cuerpo según comentan los científicos. Esta bolsa llena de agua aplasta todo el contenido de la célula contra las paredes de la bacteria, lo que le ayuda a eliminar toxinas con facilidad.Esta nueva Thiomargarita desbanca a otra Thiomargarita, la Thiomargarita namibiensis, como la bacteria más grande descubierta por la ciencia. Si la longitud de Escherichia coli es de 3 um y T. magnifica tiene 9000 um, esto quiere decir que es 3000 veces más grande
Una ballena azul adulta pesa 150 toneladas, 150.000 kg. Si lo comparamos con un humano de 75 kg sería 2000 veces más pesada. Thiomargarita magnifica es 3000 veces más larga que E. coli.Los segmentos al final del filamento son células hijas en ciernes. Los cientos de miles de copias del genoma de estas células gigantes están contenidas en pequeñas estructuras unidas a la membrana a lo largo de toda la célula.
¿Cómo mantener el volumen? Tres tipos de membrana bacteriana
Una membrana define un volumen. Ese volumen va a estar expuesto a presiones externas que lo deformen. Un volumen, como estructura de tres dimensiones tiene que evitar ser aplastado. Las primeras bacterias en aparecer, las arqueobacterias, parece que han tenido que lidiar con este problema. Las arqueobacterias son difíciles de estudiar por que crecen en ambientes extremos en calor, presión, acidez... Por ejemplo, Pyrococcus furiosus, una arquea que solo crece a temperaturas mayores de 100ºC. En 2015 se descubrieron unas arqueobacterias que se han venido a llamar Lokibacterias en un sistema de ventilación hidrotermal está entre Groenlandia y Noruega a una profundidad de 2.352 metros. Estas bacterias se dividen cada 10 años. Poseen 5 genes distintos de una proteína similar a la actina, la proteína del citoesqueleto de las células eucariotas (Spang et al, 2015). Parece que usan un citoesqueleto igual que nuestras células. Esto entusiasmó a los biólogos por que serviría para sostener la hipótesis de que la membrana de nuestras células provendría de un antepasado común con estas Lokibacterias.
Las membranas de las arqueobacterias son diversas, por ejemplo, hay bacterias dentro de este grupo que tienen membranas de una monocapa de bifitanilos, otros grupos de bacterias tienen membran bicapa de fitanilos. La mayoría parece que tienen además de la membrana una pared celular. Las Lokibacterias parece que tienen esqueleto. Una diversidad de membranas apabullante. Si no se sabe más es por la dificultad que tiene trabajar con estos microorganismos, además, no se conoce ninguna arqueobacteria que cause enfermedad en humanos. Por eso no hay dinero para estudiarlas: ¡No nos causan problemas!.
Las eubacterias como las Gram positivas y negativas tienen dos tipos de membranas muy características. Son bacterias que tienen una alta concentración de sales en su interior y por ese motivo tienen una elevada presión osmótica. Aproximadamente las Gram positivas tienen 25 atm de presión interna y las Gram negativas entre 1 y 5 atm. Para evitar que esta presión haga explotar su membrana plasmática, ésta está rodeada de una capa de peptidoglicano. Por tanto, las Gram positivas tienen así como 5 veces más peptidoglicano que las Gram negativas. La manera en la que mantienen su volumen sin deformar es a base de tener una gran presión interna contenida por esa malla externa de peptidoglicano.
Una interfaz dinámica para relacionarte con un mundo cambiante (Huella dactilar)
La membrana, además de ser un saco que le permite a la célula acaparar un espacio, también es su carta de presentación al mundo. La composición y los distintos elementos que la rodean le dan un aspecto que le permiten protegerse, atacar, pasar desapercibida, reconocer a sus amigas etc. Por ejemplo, Neisseria gonorrhoea, para sus fines delictivos en el organismo humano, varía su aspecto ente amenazante y de camuflaje, Streptococcus pneumoniae desarrolla una cápsula para protegerse, desarrolla esta cápsula cuando está asustada. E. coli tiene unos parches de lípidos misteriosos en su membrana... todavía no sabemos para que sirven.
Engolosinados con el ADN y las proteínas, los científicos hemos dejado a los azúcares de lado, debido a que los azúcares son la última frontera en biología. Lo que se conoce de azúcares está a años luz de lo que sabemos del ADN o de las proteínas. Es relativamente fácil trabajar con las proteínas o el ADN. Las técnicas están bien establecidas. Ayuda mucho el hecho que las proteínas son aminoácidos traducidos a partir de los tripletes de ADN. Así, si modificamos el ADN podemos producir cambios en las proteínas y eso nos ayuda a entender su función. No sucede lo mismo con los azúcares. Es difícil producir cambios en su estructura. En ciencia nos hemos limitado a inactivar las enzimas encargadas de que un azúcar se incorpore a una estructura mayor. Digamos que los biólogos moleculares han estado engolosinados trabajando con ADN y proteínas y han dejado los azúcares de lado.
Lo hermoso del glicocalix es que además de las funciones obvias de lubricación, de permitir un espacio para mantener la estructura de la célula o los órganos o para organizar el agua y los nutrientes es que se trata de un código de información ¿Alguien ha dicho código? Cuando hablamos de códigos atraemos a personas muy inteligentes a los que les gustan los retos. De repente lo aburrido se vuelve atractivo. Hoy en día, biólogos moleculares, de sistemas y computacionales están estudiando los códigos de azúcares, lo que se ha venido llamando el glucidoma, para comprender un nuevo lenguaje.
Y como siempre, el origen está en la membrana de las bacterias. En las bacterias más primitivas, las arqueobacterias, además de la membrana plasmática, en el exterior tienen una pared celular constituídas de capas S de glucoproteínas, pseudopeptidoglicano o polisacáridos. En las eubacterias, la pared celular se compone de peptidoglicano que actúa como una malla que evita que la presión osmótica interna de la bacteria descomponga la membrana plasmática. Estas paredes celulares son estructuras organizadas, con límites definidos. Además, pueden tener un glicocalix que no tiene límites definidos y se deforma con facilidad. Además, pueden exudar materiales poliméricos para crear biopelículas.
Fig. 5. Material exudado polimérico extracelular compuesto por proteínas y carbohidratos producidos por las bacterias en 1 la pared celular, 2 el glicocalix o 3 la biopelícula (biofilm) son un material exudado polimérico extracelular. Este material también está producido por células eucariotas las epiteliales de las superficies mucosas. Fuente
Las propiedades del glicocalix, que se estudian en las células y tejidos humanos, se exhiben, por tanto, en bacterias y en comunidades de bacterias como las biopelículas. El glicocalix es ese espacio de glucoproteínas y glucolípidos que sirve para mantener hidratadas a las células, que canaliza los nutrientes, que sirve como una especie de columna vertebral mucosa para el soporte de las membranas, contribuye al reconocimiento, comunicación y adhesión entre células. Los distintos tipos de glicocalix sirven también para identificar a una comunidad de células y así diferenciar lo propio de lo ajeno.
Las bacterias surgen hace 4000 millones de años y los seres pluricelulares, como nosotros, aparecen hace solo 1000 millones de años. Las tres cuartas partes del tiempo de evolución del glicocalix se dio exclusivamente en bacterias protozoos. Ese mecanismo de adhesión y reconocimiento entre células, con todo lo que ello implica: memoria, comportamiento social, diferenciar lo propio de lo ajeno, estaba ya listo antes de la aparición de organismos pluricelulares. En este momento, el glicocalix sirvió para guiar el movimiento de las células que empezaban a dividirse en linajes para que se agrupasen en tejidos.
Hoy en día, la medicina está comprobando que incorporar al glicocalix en nuestro mapa conceptual del cuerpo humano es imprescindible para entender múltiples procesos: la inmunidad de la infección, como defendernos del cancer, las enfermedades cardiovasculares, la compatibilidad de los transplantes o los defectos en el desarrollo embrionario.
Guerras en el interior de la frontera
El interior de la membrana, en el espacio llamado citoplasma, se comienza a librar una batalla por el territorio. Virus queriendo replicarse en lo que era su antigua sopa biológica. La nueva entidad, la arqueobacteria, tratando de defenderse de los intrusos. Como en todo conflicto, surgen armas, defensas y estrategias de lucha.
El hecho de que los virus depredan o parasitan a la célula motivó una presión selectiva que hizo que las células desarrollasen sus sistemas de defensa. Las bacterias se defienden, básicamente, con dos sistemas inmunológicos, al igual que los humanos, un sistema inmunológico inespecífico, que comprende cápsulas mucosas, bombas de eflujo y las enzimas de restricción que destruyen el ADN de los virus que tratan de entrar en su interior y un sistema inmunológico adaptativo, esto es, que tiene memoria de infecciones pasadas. Se trata de los sistemas tipo CRISPR-Cas9 de los que hablaremos más adelante.
Los virus básicamente hacen dos cosas: o entran en el interior y aprovechan para hacer copias de si mismos y escapar de esa célula agotada para infectar a otras células, o integran su ADN en el de la bacteria hospedadora. Para permanecer en el interior de ese espacio que no es suyo los virus desarrollaron el egoismo. El sistema en el que se basa su egoismo se le llama "Sistema toxina-antitoxina".
O mía o de nadie: el egoísmo hecho sistema biológico
Los virus rechazados por los sistemas inmunes de las arqueobacterias desarrollaron estrategias para controlar a aquellas ingratas que nos se dejaban dominar. Hay sistemas sociales que tienen semejanzas con este tipo de sistemas toxina-antitoxina. Por ejemplo la pertenencia a: mafia, determinadas sectas, partidos de extrema derecha o extrema izquierda, grupos terroristas... Todos lo hemos visto en las películas: una vez que entras en la mafia no puedes salir, lo mismo con los grupos terroristas. Una vez estás dentro la única salida del grupo es la muerte.
Los virus que se integraban en el genoma del virus o que permanecían en el interior de la célula como un minigenoma circular, los llamados plásmidos, tenían dos genes, uno al lado de otro. El primero codificaba para un veneno para la célula, el otro codificaba para una antitoxina. Esta antitoxina podía ser de dos tipos, o bien un ARN que impedía que el veneno se formase o bien podía codificar para otra proteína que al unirse al veneno lo inactivase. El truco reside en la vida media del veneno y de la antitoxina. El veneno, como molécula, tiene una vida larga. Se produce tarde bastante tiempo en degradarse. En cambio la antitoxina, como molécula, tiene una vida corta. Hay que estar produciendo nuevo antitoxina todo el tiempo. Pero para producirlo, la célula tiene que tener los dos genes del virus: el de la toxina (veneno) y el de la antitoxina. En en video 3 se observa el caso en el que una célula al dividirse una de las células hijas lleva el plásmido y la otra carece de él. Lo que ocurrirá es que la célula en la que no va el plásmido acabará muriendo al no tener gen que produzca la antitoxina, cuando esta se acabe, no habrá molécula capaz de inactivar al veneno que ahora matará a la célula libre del virus parásito.
Este sistema toxina-antitoxina no solo es un mecanismo de egoismo muy elegante, sino que además, ese sistema permite el siguiente paso de la evolución: el de la multicelularidad, en donde unas células se aprovechan de las otras. No me canso de recordar, los humanos no somos más que protozoos que se aprovechan de un cuerpo multicelular... nosotros, nuestro cuerpo es un cadaver, la única parte viva de nosotros son aquellos protozoos unicelulares que llamamos espermatozoides u óvulos que encuentran a su complementario para formar el nuevo individuo. Me explico, yo, como individuo cuando tenga alrededor de 90 años me estaré muriendo si no me he muerto antes. Las únicas células mías que pervivirán en el tiempo han sido dos de mis espermatozoides que encontraron un óvulo y a partir de ahí ese nueva célula con dotación cromosómica 50% proveniente de mi espermatozoide y 50% proveniente de ese óvulo seguirán con vida hasta que su célula sexual pueda encontrar otra célula sexual y generar la tercera generación, lo que llamamos niet@.
El sistema toxina-antitoxina MazEF, por ejemplo, se encuentra en E. coli y otras bacterias (Mochizuki et al. 2006). Cuando en el medio hay escasez de alimento, en concreto escasez de aminoácidos, este sistema conduce a la bacteria a la muerte. En una población de bacterias E. coli habrá un número de ellas que se suiciden y liberen al medio los contenidos del interior de esa membrana que los acaparaba, para ser absorbidos por células de E. coli vecinas. Este es un mecanismo de altruismo en el que la muerte de algunas evita la muerte de todas. En el fondo, es lo que resume la vida de los humanos. Desde un punto de vista exclusivamente biológico vivimos exclusivamente para dejar a esos dos protozoos que nos van a sobrevivir en condiciones de tener éxito en la vida.
BIBLIOGRAFÍA
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Crimi, E., Benincasa, G., Cirri, S., Mutesi, R., Faenza, M., & Napoli, C. (2020). Clinical epigenetics and multidrug-resistant bacterial infections: host remodelling in critical illness. Epigenetics, 15(10), 1021–1034. https://doi.org/10.1080/15592294.2020.1748918
A centimeter-long bacterium with DNA compartmentalized in membrane-bound organelles. Volland et al. bioRxiv 2022.02.16.480423; doi: https://doi.org/10.1101/2022.02.16.480423
Spang, A., Saw, J., Jørgensen, S. et al. Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and eukaryotes. Nature 521, 173–179 (2015). https://doi.org/10.1038/nature14447
Mruk I, Kobayashi I. To be or not to be: Regulation of restriction-modification systems and other toxin-antitoxin systems. Nucleic Acids Res. 2014;42(1):70-86.
Wen Y, Behiels E, Devreese B. Toxin-Antitoxin systems: Their role in persistence, biofilm formation, and pathogenicity. Pathog Dis. 2014;70(3):240-9.
Mochizuki A, Yahara K, Kobayashi I, Iwasa Y (2006). Genetic Addiction: Selfish Gene's Strategy for Symbiosis in the Genome». Genetics 172 (2): 1309-23. PMC 1456228. PMID 16299387. doi:10.1534/genetics.105.042895.
Imagen de microscopía de una Escherichia coli viva. Se observa unos parches de naturaleza lipídica en medio de una malla de proteínas densamente empaquetadas. Fuente: Benn et al. UCL.
El experimento de Richard Lenski creciendo Escherichia coli día tras día ha sido un importante escuela para los microbiólogos interesados en evolución. Ahora el canal Veritasium nos lo presenta como documental en castellano:
La reproducción es central en la biología porque permite garantizar la permanencia en el tiempo. Si no te reproduces al cabo de tu vida biológica desapareces. Puedes desaparecer por el efecto sobre el planeta de la colisión de un meteorito, como los dinosaurios, o puedes desaparecer porque no has podido o no has querido reproducirte. Esta es la base de la selección natural. Hay quienes se reproducen, bien porque están mejor adaptados al ambiente, o porqué resisten mejor a las enfermedades infecciosas.
La reproducción no solo es central en biología. El éxito de las religiones derivadas del judaísmo ha sido una prohibición sobre el sexo. Esto tiene dos grandes ventajas: es muy difícil resistirse al sexo por lo cual es fácil incumplir y por lo tanto sentirte culpable. Los sacerdotes gestionaban esta culpa. Hoy en día, muchas empresas utilizan este mecanismo: generan tantos compromisos en el trabajador que es imposible cumplirlos todos, por lo tanto estás en déficit y eso hace que seas sumiso ya que no estás cumpliendo con los objetivos. La segunda gran ventaja es que al prohibir el sexo lo regulas. Las familias no son otra cosa que una unidad reproductiva, y el que regula el sexo regula a la familia. Establece ritos, mandamientos, ordena bajo sus principios a la sociedad. Los sumerios, por ejemplo, no regulaban excesivamente el sexo más allá de la prohibición del incesto. Su religión desapareció de la historia, mientras que las religiones derivadas del judaísmo tienen hoy en día 4300 millones de fieles.
Las bacterias son muy eficientes reproduciéndose. Lo hacen de manera binaria: de una surgen dos, de esas dos tendremos 4, de esas cuatro al dividirse tendremos 8. Una bacteria Escherichia coli se divide cada 20 minutos. Se calculó que una simple E. coli si tuviese espacio y comida ilimitados en 48 hr podría tener una población tan grande como la masa del planeta Tierra. Si tienen esa capacidad tan grande de reproducción ¿Por qué no estamos completamente invadidos e infestados de bacterias?
La razón está en los fagos, unos virus especializados en las bacterias que se encargan de eliminarlos. Los fagos son muy eficaces cuando hay grandes poblaciones de bacterias, todas muy apiñadas entre si. El fago inyecta su material genético en una simple bacteria y se reproduce. Por cada fago que inyecta su material genético saldrán aproximadamente 200 nuevos fagos que estarán prestos para infectar a las bacterias colindantes. Esto hace que las poblaciones de bacterias no crezcan exponencialmente.
El grupo de Jason Chin en el Consejo de Investigación Médica de Reino Unido ha creado una E. coli con un nuevo código genético. ¿Qué implicaciones tiene que una bacteria tenga un codigo genético diferente al resto de los organismos en el mundo? bien, que es invulnerable a cualquier virus. En el planeta Tierra TODOS los seres vivos compartimos el mismo código genético. Si utilizásemos una analogía con el mundo de los computadores diríamos que nuestro sistema operativo estaría basado en Windows. ¿Qué pasa cuando en vez de utilizar un sistema operativo mayoritario como Windows utilizásemos un sistema operativo minoritario como Ubuntu? pues que si usas Ubuntu no tienes virus y si utilizas Windows si.
¿Para qué sirve construir una E. coli con un código genético nuevo?
Para tener cultivos en grandes digestores que no sean atacados por fagos. Esto será de utilidad en el campo de la biotecnología, que utiliza grandes digestores en los que cultiva E. coli necesarias para la producción de vacunas.
¿Hay posibilidad de que estas bacterias escapen y se reproduzcan en el medio ambiente?
Normalmente, cuando se trabaja con organismos modificados tan a lo bestia, los investigadores se toman la molestia de prepararlos para que solo puedan vivir bajo las condiciones controladas de un laboratorio. Por ejemplo, se suele generar mutaciones que hacen que no puedan vivir si no es con un suplemento de aminoácidos esenciales que no se encuentran con facilidad en la naturaleza. Es lo que se llama mutantes auxótrofos. En la leyenda del Golem, un monstruo de barro que defendía a los judíos de Praga, su creador le había introducido un papel en la boca con las siglas ROBOT. Si el Golem se volvía incontrolable había que quitarle ese papel, y al hacerlo, el gigante de barro se desmoronaba.
La E. coli con un código genético modificado genera aminoácidos y proteínas únicas en el mundo
Por ese motivo, cuando un fago entra en su interior no sabe lo que hacer y por esa manera no se reproduce. ¿Es una bacteria sin depredadores? así es. Cuando los biólogos hablamos de "sin depredadores" automáticamente nos acordamos de la catástrofe ecológica que supuso introducir conejos en Australia. Al no haber zorros u otros depredadores, los conejos proliferaron hasta convertirse en una plaga.
El gobierno australiano importó en 1950 una enfermedad desde Uruguay para matar a esos conejos: la mixomatosis.
Quizás porque me estoy volviendo mayor, creo que los riesgos de tener organismos con códigos genéticos propios supera a las potenciales ventajas. Los patógenos han sido una suerte de retroalimentación negativa que se encargaba de reducir poblaciones que se habían desbocado. ¿Cuál sería la presión selectiva de estas bacterias que generan proteínas únicas? Un escenario de bacterias con virus conviviendo con bacterias inmunes a estos. Recuerda la historia de las poblaciones americanas sucumbiendo a enfermedades que no afectaban (o al menos de manera más reducida) a los europeos. ¿Cómo se comportarían las proteasas y las DNasas frente a estos nuevos códigos? ¿Podrían digerir las proteínas y el ADN de estas nuevas bacterias?. La buena investigación es aquella que genera dudas, que expande el debate. Solo espero que ninguna de ellas pueda salir de los laboratorios.
"Somos estúpidos y vamos a morir"
Es la frase que Pris le dice, en su desesperación a Roy Batty en la película Blade Runner, cuando se les acaban las opciones para escapar a su muerte programada. Los replicantes, humanos generados por ingeniería genética, son excepcionales, pero lo mismo que el Golem, o las bacterias creadas en el laboratorio de Jason Chin, tienen su vida dependiente de alguien, o de algo, que las limita. Como seres vivos que son quieren vivir, quieren hacerlo sin saber que van a morir algún día. Algo bien humano.
No cabe duda que los robots, o las bacterias con un código genético modificado acabarán encontrando la manera de evitar esa muerte programada. Al fin y al cabo todos lo intentamos de alguna u otra manera. El millonario acumulando millones, el científico papers en las mejores revistas. Intuimos que vamos a morir y nos resistimos a ello de las maneras más diversas e imaginativas. Un código genético, lo mismo que un código informático lleva en si la semilla de vencer. Es un código que cambia y alguno de esos cambios permitirá otro y otro y otro hasta llegar a reproducirse y mantenerse en el tiempo. Es ahí cuando surge la conciencia. La conciencia es una línea de tiempo.
Se sabe que bacterias nutricionalmente deficientes o auxotroficas causan dificultades en su aislamiento, identificación, o antibiograma como resultado de su dependencia de varios factores de crecimiento para lograr una morfología colonial y tasa de crecimiento normales. Estas bacterias incluyen estreptococos dependiente de piridoxal; Staphylococcus aureus dependiente de hemina, tiamina, pentotenato o menaquinona; E. coli, Proteus mirabilis; Salmonella typhimurium, y Streptococcus pneumoniae dependiente de timina. También, microorganismos dependiente de cisteina, tales como E. coli y Klebsiella pneumoniae, se han notificado como patógenos ocasionales del tracto urinario.
Aislamientos de Escherichia coli dependientes de cisteína asociados con la infección del tracto urinario son ahora bien reconocidos. Medios suplementados con cisteína han sido especialmente formulado para detectar estas cepas. Las cepas de la familia Enterobacteriaceae que son auxotroficas para cisteína debido a defectos en la asimilación de los sulfatos representan alrededor del 1,5% de los aislamientos significativos de infecciones de las vías urinarias, y también en ocasiones aisladas desde otros sitios corporales. Ciertos componentes de peptona de los medios bacteriológicos son deficientes en cisteína o de su producto de la oxidación, cistina, y en consecuencia el crecimiento de las cepas que son auxótrofas para estos aminoácidos es subóptima, causando problemas en su aislamiento, identificación, y las pruebas de sensibilidad. Estos microorganismos crecen pobremente en los medios de aislamiento y forman las llamadas "colonias enanas" ("dwarf colonies"). Las cepas de E. coli dependiente de cisteína representan alrededor del 2% de todos los aislamientos de esta especie en las infecciones del tracto urinario y son más frecuentemente recuperados de pacientes ancianos con infecciones crónicas del tracto urinario y/o con anormalidades del tracto urinario. La transformación de Escherichia coli de prototrofos a auxotrofos es engrandecido bajo condiciones de exceso de cisteína y otro componentes de sulfuro que se ve en la orina de pacientes con disminución de función renal, o paciente con prolongado tratamiento con cotrimoxazol (combinación de trimethoprim y sulfametoxazol). Los aislamientos requiriendo cisteína han mostrado la falta de capacidad de asimilar sulfato, como una función de la vía de asimilación de sulfuro resultando en la formación de cisteína.
Los medios de laboratorio comúnmente incorporan peptona en sus composiciones. Estas peptonas no son totalmente caracterizadas en lo que se refiere a su contenido de aminoácidos o a su concentración. La cisteína es normalmente desnaturalizada durante la producción de peptonas, por lo que un medio suplementado con cisteína se ha desarrollado para facilitar el aislamiento de auxótrofos de cisteína, el agar CLED (Cisteina-Lactosa- Deficiente en Electrolitos). Las cantidades de cisteína que permiten el máximo rendimiento de crecimiento de auxotrofos pero sin efectos tóxicos en el crecimiento de las cepas auxotróficas y prototroficas se han determinado en dichos medios. La presencia de E. coli dependiente de cisteína en la orina o sangre frecuentemente es una indicación de una condición renal subyacente y debe motivar la búsqueda de ella asociadas a tales condiciones. Sin embargo, los informes publicados de estos microorganismos son pocos y en Latinoamérica son escasos Bibliografia:
Las civilizaciones más antiguas como los egipcios o los fenicios ya
construían las cisternas de almacenamiento de agua con plata para
reducir las enfermedades causadas por el consumo de aguas contaminadas o
para mantenerla en buenas condiciones durante sus largas travesías en
barco. Los emperadores chinos utilizaban cubiertos de plata, igual que
más tarde lo hicieron las familias acomodadas europeas, como medida
preventiva de las plagas. En el año 1000 el Vaticano decretó el uso de
cálices de plata para la comunión con el propósito de reducir las
frecuentes «indisposiciones» entre sus sacerdotes y feligreses.
Las referencias a la plata como protectora contra las infecciones son
continuas a lo largo de la historia, aunque no fue hasta 1893 cuando
Karl Wilhelm von Nageli, botánico suizo, hizo pública la primera
investigación demostrando las características antimicrobianas de la
plata. Es el caso de la introducción de monedas de plata en los tanques
de agua o leche para evitar su deterioro, así como su temprana
utilización en la medicina: limaduras de plata para curar heridas,
ungüentos antibióticos y para quemaduras, gotitas en los ojos de los
recién nacidos, amalgama dental. Durante el siglo XIX se desarrollaron
tratamientos con sales de plata por sus propiedades antimicrobianas e
incluso a finales de siglo se comenzó a utilizar el hilo de plata por
los cirujanos para prevenir las posibles infecciones posoperatorias. En el siglo XX la NASA utilizó iones de plata
para proteger el agua durante los viajes espaciales.
Otro ejemplo en este mismo siglo lo tenemos en la colonización del Far West
por el hombre blanco. El desconocimiento de la orografía y de lugares
donde abastecerse de agua daban especial importancia al traslado de
grandes cantidades de esta y, sobre todo, a su conservación. Y el método
de conservación no era otro que echar una moneda de plata al agua.
Pues
en el siglo V a. C., como decía al principio, no sabrían explicar cómo
ni por qué, pero según nos cuenta Heródoto, Ciro II de Persia siempre
llevaba consigo grandes vasijas de plata para transportar el agua en sus
múltiples expediciones de conquista. La plata funciona como antibacteriano cuando está húmeda
Los antimicrobianos son sustancias naturales o sintéticas, orgánicas o
inorgánicas, que inhiben el crecimiento de los microorganismos
(bacterias y hongos y levaduras, virus, protozoos). Su eficacia depende
de parámetros como su concentración, tipo de microorganismo y de
sustrato además de temperatura, pH, humedad y niveles de oxígeno. Para
ser eficaces, los iones de plata deben interaccionar con el
microorganismo y penetrar en él. La plata se introduce en el interior de
la célula a través de unos transportadores de metales presentes en su
membrana compitiendo con ellos por los lugares de captación.
Los iones de plata actúan interfiriendo en la permeabilidad gaseosa de
la membrana (respiración celular) y una vez en el interior de la célula,
alteran su sistema enzimático, inhibiendo su metabolismo y producción
de energía y modificando su material genético. El resultado es que el
microorganismo pierde rápidamente toda capacidad de crecer y
reproducirse. De esta manera se evita el desarrollo de microorganismos
patógenos como Salmonella, Legionella, Escherichia coli y Staphylococcus aureus entre otros.
Bacterias de Escherichia coli previas a un tratamiento con una solución de iones
de plata a 0,2 ppm (a) y su posterior desarrollo (b, c, d)./Foto: /Woo Kyung Jung et al.
Una de las virtudes de la plata es que constituye un antimicrobiano de
amplio espectro. La plata iónica destruye las bacterias, hongos, virus y
protozoos, aunque es menos activa frente a microorganismos más
resistentes, como las esporas. Además, los estudios revelan que es muy
poco probable que los microorganismos desarrollen algún tipo de
resistencia al tratamiento. Son ecológicos, permanentes y no
contaminantes. Los iones de plata quedan atrapados en un sustrato
matriz o film protector desde donde actúan. A diferencia de otros
productos desinfectantes químicos, su actividad es continua y duradera,
no eliminándose a través de la limpieza del producto tratado. Además,
su efecto es limpio e inocuo para otros seres vivos. No tienen efectos
tóxicos en las células humanas 'in vivo'
El cobre, efectivo como la plata pero más barato
Los
antiguos egipcios usaban cobre para esterilizar el agua potable, curar
dolores de cabeza y ayudar con las afecciones de la piel, y los soldados
utilizaban las limaduras de sus espadas de bronce (aleación de bronce
yo estaño) para evitar las infecciones de las heridas. Hipócrates, uno
de los primeros referentes de la medicina, recomendaba el cobre como
tratamiento para diversas enfermedades.
De manera similar, en la India y
el Lejano Oriente, el cobre se usaba para tratar afecciones de la piel y
enfermedades pulmonares. También conocían sus propiedades en la antigua
civilización azteca, donde trataban el dolor de garganta y las
infecciones respiratorias con una especie de infusiones de cobre. En
Roma, los médicos recomendaron el uso de cobre para limpiar el cuerpo de
toxinas, curar úlceras bucales e incluso enfermedades venéreas. Durante
la epidemia de cólera del siglo XIX en París, los médicos se quedaron
perplejos ante la «aparente» inmunidad de los trabajadores del cobre.
También el mundo del vino ha sabido sacar provecho a esta panacea
antimicrobiana, ya que se utiliza el sulfato de cobre para prevenir la
aparición de hongos, una de las grandes amenazas que puede arruinar la
cosecha. En 1882, Pierre Marie Alexis Millardet, un profesor de Botánica
en Burdeos, observó en una viña afectada por mildiu que la mayoría de
las viñas habían perdido sus hojas, excepto las filas más cercanas a la
carretera que se habían impregnado con una pasta de sulfato de cobre y
agua. Millardet comenzó a hacer mezclas con sulfato de cobre, cal y
agua, y en 1885 elaboró el bouillie bordelaise o “caldo bordelés”, uno
de los primeros fungicidas de la historia. Y una prueba más que, con la
información que tenemos en estos momentos todos sabemos, es que la
superficie en la que menos tiempo sobrevive el bicho es sobre nuestro
querido cobre.
En Galicia, en cuanto brotan las hojas de las vides se les aplica sulfato de cobre para evitar los hongos asociados a un clima húmedo como el nuestro. Sulfatar la viña... una práctica que forma parte de mi infancia
El cobre comenzó a ser frecuente desde la Revolución industrial como
materia prima de objetos, accesorios o instalaciones, y aunque hoy en
día sostiene nuestra civilización (la electricidad, el abastecimiento de
agua, los transportes y las telecomunicaciones dependen de este metal
conductor), a lo largo del siglo XX su uso se fue sustituyendo por otros
materiales más elegantes y, sobre todo, más baratos, como el plástico,
el vidrio templado, el aluminio o el acero inoxidable.
Estudios
recientes puestos a prueba en entornos sanitarios han demostrado que,
con la mismo limpieza y hábitos de siempre, con superficies y materiales
de cobre (o aleaciones) se produce una reducción de hasta el 90% de las
bacterias en las superficies, y este mismo trabajo llevado a las
unidades de cuidados intensivos mostró una reducción del 58% de las
infecciones en los pacientes. Así que, se puede concluir que el cobre,
que además con el paso del tiempo no disminuyen sus propiedades, no solo
puede curar varias enfermedades, sino que también ayuda a prevenirlas.
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.
