Fibrosis quística Pobre el niño que al besarlo su frente sabe a sal

La imposibilidad de bombear iones cloruro a través de las membranas de las células epiteliales que tapizan los conductos secretores de muchos órganos se debe a que el canal iónico para el cloro es defectuoso. Así, las células epiteliales de las glándulas sudoríparas son incapaces de captar el cloruro del sudor, el cual, unido al sodio, da lugar al característico sudor salado

Existía un dicho popular medieval en los países del norte de Europa en la que se afirmaba: "Pobre el niño que al besarlo su frente sabe a sal. Una maldición pesa sobre él y no tardará en morir". La fibrosis quística afecta a uno de cada 5000 nacidos en el norte de Europa

¿Qué fue antes el huevo o la gallina?

Fig. 1. La evolución es el reflejo del paso del tiempo en ese código

Cuando era pequeño se oía este tipo de pregunta ¿Quién fue primero, el huevo o la gallina? las personas que te lo preguntaban ponían cara de ¡Oh, gran enigma!. Después de 25 años de estudio de la biología puedo asegurar que primero es el huevo (Y aprovecho para poner cara de ¡Después de 25 años de estudio de la biología! pena que no tenga una perilla para atusármela). De hecho seguimos siendo un huevo. Desde un punto de vista biológico sólo somos un huevo. Me explico. Cuando se fecunda un óvulo, éste empieza a dividirse. A las pocas divisiones ya se sabe que células van a ser las células sexuales, esto es, las únicas células del cuerpo humano que tendrán la oportunidad de pasar a la siguiente generación. Nuestros cuerpos son solo el contenedor de esas células que tendrán la oportunidad de pasar a la siguiente generación. Por supuesto esta es una visión reduccionista, pero desde un punto de vista biológico sólo importa aquellas células que se transmiten, esto es, el huevo. Fuimos huevo porque procedemos de un protozoo unicelular, y seguimos siendo un protozoo unicelular, un protozoo que pasa el 99.999999999999999999% de su tiempo con sus cromosomas repartidos entre dos células haploides: el óvulo y el espermatozoide.

El huevo fecundado comienza a dividirse. Cuando forma un puñado de células es cuando se dirime cuáles van a ser células sexuales y cuales somáticas. Las somáticas seremos nosotros, los humanos. Nuestra tarea será la de procurarle a nuestras células sexuales un background genético, es decir, si somos varones tenemos que buscarle un óvulo a nuestro espermatozoide, si somos mujeres un espermatozoide para nuestro óvulo. Los humanos, desde un punto de vista biológico solo somos portadores de nuestras células sexuales hasta que se genere un nuevo huevo del que se desarrollará un nuevo ser al que llamaremos hijo.

Preguntar que fue antes el huevo o la gallina es una pregunta trampa, porque no contempla la línea de tiempo que va implícita en nuestra información genética. En la figura 1 se observa como en la evolución, el huevo tal como lo conocemos aparece mucho antes de que en la Tierra aparezcan las aves. Los reptiles, de los cuales proceden las aves, ya ponían huevos. 

Cuando se estudia embriología, que es la ciencia que estudia el desarrollo de los embriones tiene un dicho: "la ontogenia recapitula la filogenia". Para los estudiantes de biología es una revelación. Al estudiar cómo se desarrolla un embrión se observa claramente como ese huevo se divide, forma un organismo pluricelular con una diferenciación de células sexuales y no sexuales (somáticas), se observa como forma un saco y como ese saco se pliega, vemos como el embrión es una especie de reptil con cola, como esa cola se reabsorbe, vemos unas agallas primitivas y membranas entre los dedos que van desapareciendo. Vemos la evolución del ser humano en el desarrollo del embrión. 

En biología, normalmente, lo más sencillo aparece en la evolución antes que lo complicado. Como diría el genetista T. Dobzhansky "Nada tiene sentido en biología si no es a la luz de la evolución". La evolución no es otra cosa que la influencia del paso del tiempo en ese material genético. Cuando se estudia biología se suele hacerlo desde una perspectiva antropocentrista. Estudiamos la célula humana y cuando comenzamos a estudiar las bacterias decimos: no tienen núcleo, no tienen organelos, no tienen... Como si lo normal fuese la célula humana y lo demás excepciones. 

Aquí tenemos que hablar de un concepto importante: 1 la evolución monofilética versus anastomosis. 

La primera célula fue una arqueobacteria. Cuando las cianobacterias llenaron la atmósfera de oxígeno, las arqueobacterias se retiraron de la superficie y se quedaron viviendo en lugares anóxicos, como fondo de mares, lagos, ríos, en el interior de la tierra... De las arqueobacterias aparecieron lo que nosotros llamamos bacterias verdaderas, más que nada porque como algunas causan enfermedades en humanos, son las que mejor conocemos. Bacterias como la del cólera, tuberculosis, disentería... A diferencia de las arqueobacterias, éstas son más pequeñas, no tienen citoesqueleto, son sacos a presión que evitan explotar gracias a una malla exterior de un material como de red que impiden que es presión interior las reviente.

La célula bacteriana es anterior en la evolución a la célula eucariota. 

Una arqueobacteria anaerobia fue parasitada por una eubacteria Gram negativa. Un estudio publicado por Martín Wu, plantea el siguiente escenario: las mitocondrias fueron bacterias Gram negativas que parasitaban el ATP de arqueobacterias. Con el tiempo, como veremos más adelante en este capítulo, fueron estrechando su relación con la arqueobacteriasy sólo se convirtieron en organismos simbióticos y por tanto beneficiosos cuando cambiaron de "chupar" el ATP a producirlo para el consorcio simbiótico. Por tanto, las células humanas proceden de una simbiosis entre bacterias. Es más, la célula eucariota surge por la simbiosis de varias bacterias, por ese motivo es más compleja. A esta teoría se le llama teoría endosimbiótica seriada, la cual explica que los hongos surgen de la simbiosis de esa bacterias Gram negativa y la arqueobacteria. Los animales habrían tenido otro evento simbiótico con una bacteria que les hubiese proporcionado la maquinaria molecular para la motilidad, y las plantas serían una célula con mitocondrias que además hubiese realizado una simbiosis con una cianobacteria con clorofila. De nuevo, de los más sencillo surge lo complicado.

Fig. 2. Cuando comenzó a aumentar la concentración de oxígeno en la atmósfera, las bacterias anaerobias, representadas de color azul comenzaron a desaparecer de la superficie de la Tierra. Fueron sustituídas por bacterias con capacidad de detoxificar el oxígeno atmosférico, en la imagen representadas por el color rojo. Hubo algunas bacterias anaerobias que fueron parasitadas por un tipo de bacterias Gram negativas. Con el tiempo, esta relación se hizo estable y se acabó formando una relación de mutua dependencia que derivó en la aparición de las células eucariotas.

En la célula eucariota, el tipo de célula de los humanos, también se puede hacer arqueología evolutiva. Por ejemplo, la glucolisis anaerobia tiene lugar en el citoplasma de la célula, mientras que el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa tienen lugar en la mitocondria. La mayor parte de los genes de la bacteria aerobia de la que procede la mitocondria se perdió o se transfirieron al núcleo. El investigador gallego Antón Vila-Sanjurjo intentó, de forma muy valiente y arriesgada, dotar a la mitocondria de los genes necesarios para que llevase una vida independiente. La mitocondria está ya tan adaptada a la vida en el interior de la célula eucariota que fue incapaz de lograr su objetivo. Una nota curiosa para los frikis: Es interesante la ARN polimerasa de la mitocondria que no tiene que ver con las ARN polimerasa de bacterias ni de las células eucariotas, ambas compuestas de múltiples subunidades. La ARN polimerasa de la mitocondria es similar a la de los bacteriófagos.

La cooperación es "Quid pro quo" no paz y amor

El ser humano tiende a pensar de manera dual: Dios vs Satán, Sol y Luna, Caliente frío. Lo contrario de la competencia es la cooperación. Pensar esto último es un sesgo cultural. Ser competitivo no es ser un cabrón y ser cooperante es ser un hippie o un santo. En la cooperación existen unas reglas muy estrictas que cumplir. Estamos empezando a liberarnos de prejuicios y a entender las reglas del juego. Varios autores están mostrando que las relaciones entre las especies suelen ser competitivas. Para llegar a una simbiosis se dan varios pasos. Uno de los primeros es el parasitismo. Una vez que no puedes zafarte del parásito, comienza una aventura juntos, una aventura en la que ambas partes se vigilan para comprobar que la otra cumple la parte del trato. El último paso, como hemos visto en el caso de la mitocondria, consiste en centralizar toda la información genética en un núcleo común.

Vamos a ver varios casos para comprender este proceso. Una simbiosis actual son los líquenes, que son la asociación de un liquen con una cianobacteria. Si una piedra con un liquen la ponemos boca abajo de manera que no le de el sol, entonces el hongo se comerá a la cianobacteria porque al quedarse sin el alimento que le da la cianobacteria se la come. Si la piedra la metemos en un cubo con agua, el hongo se ahogará al no tener oxígeno y la cianobacteria no porque es capaz de producir O2 a partir de CO2 y H20. Son, al fin y al cabo organismos independientes. Por tanto, un líquen parece una especie vegetal cuando es un consorcio en el que una cianobacteria y un hongo están unidos y crean una estructura característica siempre y cuando se mantengan las condiciones y la relación entre ambos se respete.

Cuando una arqueobacteria se asoció con una bacteria Gram negativa, al principio eran una simbiosis. Finalmente, la mayoría de los genes, no todos, de la bacteria migraron y se fusionaron con el genoma de la arqueobacteria. La membrana plasmática de la arqueobacteria se invaginó y creó una membrana nuclear en donde se confinó. En ese momento se puede decir que aparece la primera célula con núcleo verdadero: la célula eucariota.

Las invaginaciones de la membrana plasmática de Gemmata obscuriglobus son un preámbulo del núcleo celular

Hay bacterias como Gemmata obscuriglobus que son una especie de eslabón perdido. Serían algo así como el paso de las arqueobacterias a las Gram negativas. G. obscuriglobus es una Gram negativa pero que carece de péptidoglicano. Lo más notorio es que tiene una membrana plasmática invaginada como se puede ver en la Fig. 4 de la izquierda, en azul turquesa. Esta membrana invaginada es un preámbulo de la membrana nuclear.

Fig. 4. Micrografía electrónica (arriba) y reconstrucción tridimensional (abajo) de Gemmata obscuriglobus. Esta reconstrucción sugiere que el interior de la bacteria está muy dividada por membranas. Estas membranas están abiertas, es decir, no generan compartimentos estancos. La membrana externa (recordemos que es una Gram-negativa) está en verde, la interna en cian, el ADN en amarillo, el depósito de polifosfatos en azul y las cavitaciones en la membrana en rosa. La barra de escala = 500 nm. Fuente

Esta bacteria es muy interesante porque al no tener peptidoglicano no tiene una presión interna elevada y su membrana crea compartimentos similares a los que tiene la célula eucariota. De hecho se cree que las invaginaciones de la membrana plasmática de esta bacteria serían como un anticipo del núcleo celular.

Fig. 5. A Una procariota anaerobia y heterotrófica capta a una procariota aerobia pequeña. Existe pruebas de que el organismo fagocitado fue un ancestro de las rickettsias actuales. B el endosimbionte aerobio evolucionó a una mitocondria. C una porción de la membrana plasmática se invaginó y formó el precursor de la envoltura nuclear y el retículo endoplasmático adyacente. D La membrana nuclear va centralizando los genes de la célula que antes estaban adheridos a la membrana plasmática y la mayoría de los genes que estaban en el interior del cromosoma de la mitocondria. La mitocondria todavía retiene un pequeño cromosoma circular con algunos genes. La explicación es porque las proteínas de esos genes son necesarias en el interior de esa misma mitocondria y energéticamente es más favorable poder sintetizarlas en el lugar en donde se necesitan.

Gemmata obscuriglobus carece de peptidoglicano ¿Qué quiere decir esto? bien, si la función primaria del peptidoglicano es impedir que la presión interna de la bacteria la haga explotar, esto quiere decir que esta especie carece de la presión interna característica de las eubacterias (Gram-positiva y Gram-negativas). Por tanto, podemos deducir que Gemmata obscuriglobus carece de la característica presión de turgor. Quizás por ese motivo esta bacteria no es un simple saco rodeado con una malla de peptidoglicano como la mayoría de las eubacterias

La invaginaciones de la membrana plasmática son un preambulo del núcleo celular
En el modelo más aceptado de los posibles pasos que ocurrieron en la evolución de las células eucariotas, incluyendo el origen de las mitocondrias y los cloroplastos por endosimbiosis, está el origen del núcleo por invaginación de la membrana plasmática.

Recientemente, se ha encontrado estructuras en forma de poro en las membranas internas de esta bacteria que son semejantes a los poros de la membrana nuclear de las células eucariotas.

La bacteria X crea un territorio en el cuerpo de la ameba

Kwang Jeon, investigador de la Universidad de Tennessee (EEUU) que trabajaba con amebas, observó un día por casualidad que uno de los lotes de amebas iba enfermando y muriendo. Pudo ver que estas amebas estaban infectadas por una bacteria que él llamó bacteria X, una bacteria que es prima de nuestra conocida Legionella pneumophila. Unas pocas bacterias lograron sobrevivir en esas amebas infectadas. Recordemos que las amebas son depredadores naturales de bacterias. La bacteria X, lo mismo que Legionella pneumophila, son capaces de resultar indigestas y evitar ser digeridas por la ameba. Las bacterias se reproducen en las amebas, las destruyen y salen nadando para buscar una nueva ameba.

Fig. 4. A La bacterias X nada hacia las amebas. Las amebas son depredadoras naturales de las bacterias, pero la bacteria X es "indigesta" para las amebas y cuando ya está dentro es capaz de reproducirse y matar a la ameba para salir de nuevo al medio acuático nadando hacia nuevas amebas. B Hay algunas amebas que pueden tener a las bacterias X sin que éstas las maten. C Kwang Jeon cultivó estas amebas que tenían en su interior a bacterias X que vivían en su interior. D Al cabo de cierto tiempo, si trataba a estas amebas con un antibiótico que mataba a la bacteria X las amebas se morían. Se demostró así que la simbiosis era posible reproducirla en el laboratorio y ver el proceso en tiempo real.

En 1966 el microbiólogo Kwang Jeon realizó un experimento con comunidades de amebas que proporcionaron pruebas de la teoría endosimbiótica. A La bacteria X, lo mismo que Legionella pneumophila, son bacterias que se reproducen en las amebas, las destruyen y nadan buscando otra ameba en la que puedan replicarse. Legionella se puede crecer en un medio de laboratorio, igual que la bacteria X, lo que nos indica que a priori son bacterias de vida libre. Por eso podemos infectar una comunidad de amebas (protozoos unicelulares) con la bacteria X que va a ser fagocitada por la ameba y ésta será incapaz de digerirla por lo que la bacteria X se replicará en su interior B La bacteria X provoca que la mayoría de las amebas enfermen y mueran. Muy pocas amebas sobrevivirán C Habrá algunas amebas que sobrevivan a la epidemia teniendo a la bacteria X en su interior. D Si a estas amebas con bacteria X en su interior se les administra antibióticos provocan que la ameba se muera. De esta manera, Jeon provó que las amebas después de muchas generaciones portando bacterias X en su interior se volvían dependientes de éstas para sobrevivir. Fuente

Durante diez años, Jeon cuidó de estas amebas que llegaron a reproducirse y a vivir de manera similar a las amebas que no estaban infectados con la bacteria X. Durante este tiempo Jeon se dió cuenta que las primeras amebas infectadas tenían alrededor de 100.000 bacterias en su interior, pero al cabo de diez años el número de bacterias que vivían en el interior de estas amebas disminuían hasta 40.000. Es decir, la bacteria X había autorregulado su número para que las amebas pudiesen tener un comportamiento “sano”. En ese punto de la coevolución de las dos especies la relación entre ambas era tan fuerte que si se trataba a las amebas con penicilina, que sólo mata bacterias, las amebas al verse privadas de sus bacterias morían. La simbiosis había sido tan fuerte que si uno de los miembros de esa relación íntima moría el otro se moría con él.

En esta relación simbiótica de suma distinta de cero existe una frontera que delimita esta relación: no puede haber una disolución de la relación alcanzada. En este juego de suma distinta de cero en donde Ameba y bacteria X tienen cierta ganancia, no existen dos participantes independientes, porque si muere uno también se muere el otro. Bacteria X ha perdido su capacidad de vivir libremente, la ameba ha perdido la capacidad de vivir sin la bacteria X en su interior. Existe por tanto algún mecanismo tipo toxina-antitoxina que hace que su unión sea indivisible. Ese mecanismo crea una frontera entre lo propio, es decir, la unión bacteria-ameba, y el mundo.

Un neurotransmisor para gobernarlos a todos: lecciones de Toxoplasma

Los adolescentes que tienen adicción a internet o a los smartphones experimentaron un aumento en los niveles en la corteza cingulada anterior de un neurotransmisor llamado ácido gamma aminobutírico (GABA), que inhibe o ralentiza las señales cerebrales,

Toxoplasma es capaz de alterar los niveles de dopamina y GABA de los humanos. Recientemente se ha visto que controla la mente de los cachorros de hiena y los vuelve más agresivos e imprudentes frente a los leones, lo que favorece que el parásito infecte a los leones después de que estos maten a estos cachorros y, concomitantemente, beneficie a las hienas que se benefician de estas crías kamikazes que las protegen del ataque de los leones.

En 2013, un artículo publicado en Nature, demostraba que el olor a orina de gato resultaba muy atractivo para aquellos ratones parasitados por Toxoplasma gondii.

Uno de cada tres estamos infectados por T. gondii

T. gondii infecta al 30-50% de la población mundial. El hospedador primario son los felinos. Es ahí en donde el parásito tiene su ciclo sexual. En los demás mamíferos vive de manera asexual y los "fuerza a ser comidos" por un felino. En el caso humano es bastante improbable que seamos devorados por un felino. Menos aún los delfines o las ballenas que también se contaminan con T. gondii debido a los ooquistes procedentes de las heces de los gatos y que llegan al mar por los deshechos urbanos.

Toxoplasma (y Plasmodium spp) tiene un apicoplasto y no puede vivir sin él

El apicoplasto es un orgánulo presente en la célula de la mayoría de los protistas llamados Apicomplexa como Plasmodium, que es el causante de la malaria, o Toxoplasma. En el caso de Toxoplasma cada protozoo contiene un único apicoplasto. Estos orgánulos son homólogos a los cloroplastos de los dinoflagelados, pero han perdido la clorofila y carecen de la capacidad de fotosintetizar. Estos protozoos no pueden vivir sin ellos, mantienen una relación simbiótica.  El apicoplasto está rodeado por cuatro membranas. Contiene su propio genoma: una molécula circular de ADN con un tamaño de 35.000 pares de bases que codifica aproximadamente 30 proteínas, un conjunto completo de ARNt y otras moléculas de ARN. Es capaz de reparar, replicar, transcribir y traducir sus genes. Puesto que 30 proteínas no son suficientes para la operación del apicoplasto, necesita importar otras proteínas (unas 500) del citplasma, codificadas por el genoma nuclear. Contiene partículas que se supone proceden de ribosomas de ascendencia bacteriana. 

Los protistas apicomplexa, como Toxoplasma y Plasmodium son simbiontes con los apicoplastos y este complejo simbiótico que tiene un estilo de vida endoparásito, es decir, necesita de células de otros organismos, como somos los mamíferos, para vivir. T. gondii es capaz de alterar los neurotransmisores del mamífero e incluso alterar el comportamiento de grupo de los mismos. La matriuska genética en todo su esplendor

Bibliografía: 

Gene switching in Amoeba proteus caused by endosymbiotic bacteria

https://www.nature.com/articles/d41586-019-00991-4
https://science.sciencemag.org/content/363/6434/eaat9691
https://www.investigacionyciencia.es/noticias/algunos-virus-bacterifagos-engaan-al-sistema-inmunitario-para-que-no-ataque-a-las-bacterias-17386
Zhang Wang, Martin Wu Phylogenomic Reconstrucción Indica mitocondrial antepasado fue una Energía Parásito . PLOS ONE , 2014 DOI: 10.1371 / journal.pone.0110685

 Lim, L. & McFadden, G. (2010). «The evolution, metabolism and functions of the apicoplast». Philosophical Transactions of the Royal Society 365: 749-763. PMC 2817234. PMID 20124342. doi:10.1098/rstb.2009.0273.

Biopelículas: las ciudades de las bacterias

Los monocultivos líquidos y en las dos dimensiones de las placas Petri han sido el estándar de la microbiología hasta ahora. Fuente

Las enfermedades infecciosas agudas causadas por bacterias patógenas especializadas como la difteria, tétanos, peste, cólera o la tos ferina, que representaban la principal causa de muerte a principios del siglo XX, han sido controladas en la actualidad gracias a la acción de los antibióticos y de las vacunas. En su lugar, más de la mitad de las infecciones que afectan a pacientes ligeramente inmunocomprometidos son producidas por bacterias ubicuas, capaces de producir infecciones de tipo crónico, que responden pobremente a los tratamientos antibióticos y no pueden prevenirse mediante inmunización. 

Al ser bacterias ubicuas en el medioambiente son bacterias muy eficientes intercambiándose genes por transferencia horizontal, lo que además de infectar a pacientes inmunocomprometidos causan infinidad de problema al ser multirresistentes a los antibióticos usados en clínica. Ejemplos de estas infecciones son la otitis media, endocarditis de válvulas nativas, infecciones urinarias crónicas, infecciones de próstata, osteomielitis y todas las infecciones relacionadas con implantes (Costerton et al, 1995) 

El análisis directo de los implantes y tejidos de estas infecciones muestra claramente que en la mayoría de los casos la bacteria responsable de la infección crece adherida sobre el tejido o el implante formando comunidades de bacterias a las que se les ha denominado biopelículas. Dentro de la biopelícula, las bacterias están protegidas de la acción de los anticuerpos, del ataque de las células fagocíticas y de los tratamientos antimicrobianos. En este artículo se describe el papel que juegan las biopelículas en infecciones humanas persistentes (Davey et al, 2000)

El crecimiento en biopelículas representa la forma habitual de crecimiento de las bacterias en la naturaleza. Las biopelículas se definen como comunidades de microorganismos que crecen embebidos en una matriz de exopolisacáridos y adheridos a una superficie inerte o un tejido vivo. 

Arquitectura de biopelícula de mutantes de LPS PAO1 de P. aeruginosa en metacrilato de sulfopropilo (carga negativa) y en vidrio, 72 horas después de la inoculación. Fuente

Aunque la composición de la biopelícula es variable en función del sistema en estudio, en general, el componente mayoritario de la biopelícula es el agua, que puede representar hasta un 97% del contenido total. Además de agua y de las células bacterianas, la matriz de la biopelícula es un complejo formado principalmente por exopolisacáridos. En menor cantidad se encuentran otras macromoléculas como proteínas, DNA y productos diversos procedentes de la lisis de las bacterias (Branda et al, 2005).

Estructura de una biopelícula: una "ciudad" de bacterias. Fuente

En los primeros trabajos sobre la estructura de la biopelícula, una de las cuestiones que surgía con mayor reiteración era cómo las bacterias del interior de la biopelícula podían tener acceso a los nutrientes o al oxígeno. Estudios realizados utilizando microscopía confocal han mostrado que la arquitectura de la matriz de la biopelícula no es sólida y presenta canales que permiten el flujo de agua, nutrientes y oxígeno incluso hasta las zonas más profundas de la biopelícula. La existencia de estos canales no evita sin embargo, que dentro de la biopelícula podamos encontrarnos con ambientes diferentes en los que la concentración de nutrientes, pH u oxígeno es diferente. Son auténticas ciudades de bacterias (Stoodley, 2002)

Composición típica de una biopelícula ¡Solamente un 2-5% de bacterias! (Sutherland, 2001)

¿Por qué combatir biopelículas desde una perspectiva "One Health"?

En un estudio previo hemos demostrado que bacterias que se encuentran en granjas en el área de Quito se van a encontrar más tarde en los hospitales de la ciudad (Medina-Santana et al, 2021, Ortega-Paredes et al, 2020). Una investigación que tenga como objetivo desarrollar estrategias para prevenir y tratar infecciones en  animales y granjas para evitar su dispersión posterior a hospitales, debe tener en cuenta las características únicas de los biofilms. Por lo tanto, necesitamos desarrollar protocolos de desinfección eficaces para la eliminación de las biopelículas en explotaciones y medios de procesado de alimentos, ya que los biofilms pueden actuar como reservorios de agentes infecciosos.

¿Por qué combatir biopelículas dentales?

Uno de los ejemplos más claros de cómo las biopelículas afectan a la salud de las personas son las biopelículas dentales. 

Surco gingival en donde crea biopelículas Porphyromonas gingivalis. Autor

De las bacterias bucales que causan problemas de salud destaca Porphyromonas gingivalis. Esta bacteria está presente en el 80% de las periodontitis (How et al, 2016). La prevalencia de las periodontitis es alta. En los EEUU afecta al 46% de la población de manera modera y al 8.9% en su forma severa (Eke et al, 2015). Recientemente, se ha demostrado que Porphyromonas gingivales está relacionada con el desarrollo del Alzheimer (Costa et al, 2021). Por estas razones, eliminar esta bacteria de la microbiota bucal sería de interés para mejorar la salud de la población.

Moléculas de Porphyromonas gingivalis implicadas en la formación de biopelículas. Las gingipainas son unas proteinasas que se han encontrado en los cerebros de pacientes con Alzheimer. Fuente Gerits et al, 2017.

Cuando hablamos de destruir bacterias automáticamente pensamos en los antibióticos. ¿Por qué es mala idea utilizar antibióticos para eliminar bacterias bucales? si eliminamos las bacterias los epitelios de la boca pueden ser colonizados por hongos. Si las biopelículas bacterianas son difíciles de combatir, prueba con la de los hongos. Además, la batería de antifúngicos es todavía más limitada que la de los antibióticos, por lo que de aparecer resistencias todavía se pondría más fea la cosa. La otra razón es que las bacterias que causan problemas bucales están en forma de biopelículas y éstas pueden ser hasta 500 veces menos sensibles a los antibióticos que las bacterias de vida libre (planktónicas) (Maezono et al, 2011). 

¿Cómo combatir biopelículas bacterianas?

Voy a poner dos ejemplo: mediante productos de síntesis orgánica contra Pseudomonas aeruginosa y también contra P gingivalis y  bacteriófagos anti-Salmonella. 

Se ha encontrado que el diclorocarbazol y moléculas basadas en 2-aminoimidazol y 2 aminobenzimidazole son activas contra las biopelículas de Pseudomona aeruginosa (Liebens et al, 2014). Estos compuestos también reducen la expresión de fimbrias en P gingivalis (Wright et al, 2014).  

Para saber más:

Branda SS, Vik S, Friedman L, Kolter R. Biofilms: the matrix revisited. Trends Microbiol 2005; 13: 20-26    

Costerton JW, Lewandowski Z, Caldwell DE, Korber DR, Lappin-Scott HM. Microbial biofilms. Annu Rev Microbiol 1995; 49: 711-745       

Davey ME, O’Toole GA. Microbial biofilms: from ecology to molecular genetics. Microbiol Mol Biol Rev 2000; 64: 847-867        

Stoodley P, Sauer K, Davies DG, Costerton JW. Biofilms as complex differentiated communities. Annu Rev Microbiol 2002; 56: 187-209  

Ian W Sutherland. The biofilm matrix – an immobilized but dynamic microbial environment. Trends in Microbiology 2001, Vol 9, 5: 222-227, doi.org/10.1016/S0966-842X(01)02012-1.

Medina-Santana, J. L., Ortega-Paredes, D., de Janon, S., Burnett, E., Ishida, M., Sauders, B., Stevens, M., & Vinueza-Burgos, C. (2021). Investigating the dynamics of Salmonella contamination in Integrated Poultry Companies using a Whole Genome Sequencing approach. Poultry Science, 101611. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.psj.2021.101611

Ortega-Paredes, D., de Janon, S., Villavicencio, F., Ruales, K. J., De La Torre, K., Villacís, J. E., Wagenaar, J. A., Matheu, J., Bravo-Vallejo, C., Fernández-Moreira, E., & Vinueza-Burgos, C. (2020). Broiler Farms and Carcasses Are an Important Reservoir of Multi-Drug Resistant Escherichia coli in Ecuador. Frontiers in Veterinary Science, 7. https://doi.org/10.3389/fvets.2020.547843

Gerits E, Verstraeten N, Michiels J. New approaches to combat Porphyromonas gingivalis biofilms. J Oral Microbiol. 2017 Mar 15;9(1):1300366. doi: 10.1080/20002297.2017.1300366. 

How KY, Song KP, Chan KG.Porphyromonas gingi-valis: an overview of periodontopathic pathogenbelow the gum line. Front Microbiol.2016;7:53.

Costa MJF, de Araújo IDT, da Rocha Alves L, da Silva RL, Dos Santos Calderon P, Borges BCD, de Aquino Martins ARL, de Vasconcelos Gurgel BC, Lins RDAU. Relationship of Porphyromonas gingivalis and Alzheimer's disease: a systematic review of pre-clinical studies. Clin Oral Investig. 2021 Mar;25(3):797-806. doi: 10.1007/s00784-020-03764-w. Epub 2021 Jan 20. PMID: 33469718.

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Liebens V, Gerits E, Knapen WJ, Swings T, Beullens S, Steenackers HP, Robijns S, Lippell A, O'Neill AJ, Veber M, Fröhlich M, Krona A, Lövenklev M, Corbau R, Marchand A, Chaltin P, De Brucker K, Thevissen K, Cammue BP, Fauvart M, Verstraeten N, Michiels J. Identification and characterization of an anti-pseudomonal dichlorocarbazol derivative displaying anti-biofilm activity. Bioorg Med Chem Lett. 2014 Dec 1;24(23):5404-8. doi: 10.1016/j.bmcl.2014.10.039. PMID: 25453797.

Maezono H, Noiri Y, Asahi Y, Yamaguchi M, Yamamoto R, Izutani N, Azakami H, Ebisu S. Antibiofilm effects of azithromycin and erythromycin on Porphyromonas gingivalis. Antimicrob Agents Chemother. 2011 Dec;55(12):5887-92. doi: 10.1128/AAC.05169-11. Epub 2011 Sep 12. PMID: 21911560; PMCID: PMC3232792.

Fagos generan genotipos mutantes ganadores en heridas colonizadas por Pseudomonas

 Tendemos a pensar que un virus solo puede causar desgracias. En un artículo reciente han demostrado en un modelo de herida, en el que varias cepas bacterianas compiten por colonizar ese espacio abierto, que las cepas ganadoras tienen varias mutaciones generadas por fagos lisogénicos.

Ciclo lítico y lisogénico de los fagos. Fuente

Los fagos interaccionan con las bacterias de dos maneras. La primera es la lítica, es decir, entro en ese saco rico en moléculas, que es lo que es una bacteria para un fago, hago copias de mi mismo y ciao a seguir replicándome por ahí. Básicamente a lo que se reduce el aspecto biológico de cada uno de nosotros. Los fagos lisogénicos pueden además insertar su ADN en el ADN de la bacteria. Al hacer esto pueden causar mutaciones. De esta manera se pueden generar nuevos genotipos mutantes que pudieran tener una mejor adaptación al ambiente. 

En los humanos, los nuevos genotipos mutantes los solemos conseguir en la siguiente generación mediante el sexo.

Si vacunamos contra fagos prevenimos la infección de las heridas por Pseudomonas aeruginosa

Los bacteriófagos son abundantes en los sitios de infección bacteriana. Ya se sabe, donde hay bacterias hay virus antibacterianos, pero sus efectos sobre los hospedadores mamíferos no están nada claros. En el laboratorio del Dr  Paul Bollyky (Stanford University, CA) han identificado roles patogénicos para el bacteriófago filamentoso Pf producido por Pseudomonas aeruginosa (Pa) en la supresión de la inmunidad contra la infección bacteriana. Hay que decir que el fago Pf es un fago filamentoso inserto en el genoma de Pa.

Pf hace que la infección de la herida por Pa en ratones se agrave, es decir, que beneficia a Pa en detrimento del hospedador. Por ese motivo, la presencia del fago Pf se asocia con infecciones crónicas de la herida por Pa en humanos. 

En el diagrama de la izquierda vemos como una célula de mamífero detecta moléculas de la bacteria (1) y ello lleva a la expresión del gen NFkB (2) y su posterior traducción lo cual lleva a la expresión, traducción y secreción del TNF (3), el cual estimula la fagocitosis de la bacteria (4).

Esto es lo que ocurre normalmente. ¿Qué ocurre cuándo el fago Pf está presente en el medio? Los leucocitos murinos y humanos endocitan Pf, y la internalización de este virus de ADN monocatenario da como resultado la producción de ARN de fagos. Esto desencadena la producción de interferón de tipo I dependiente del interferón-β (TRIF) inductor del adaptador 3 (TLR3) (1) y del dominio TIR que contiene el dominio TIR. Ello lleva a la producción de interferón tipo I (2), lo que inhibe la secreción del factor de necrosis tumoral (TNF) y la supresión de la fagocitosis (3). 

Por lo tanto, si eliminamos al fago, por ejemplo mediante la inmunización de ratones contra Pf entonces prevenimos la infección de la herida por Pa. Por lo tanto, la vacunación contra fagos representa una estrategia potencial para prevenir la infección bacteriana.

Referencia

Guerra bacteriana: Pseudomonas aeruginosa vs Staphylococcus aureus

Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Iowa sugiere que P. aeruginosa detecta moléculas secretadas por S. aureus y responde moviéndose rápidamente hacia S. aureus utilizando pequeños apéndices llamados pili para arrastrarse por la superficie. ✔Cuando los P. aeruginosa alcanzan las colonias de S. aureus , los invaden y los destruyen. Es importante destacar que los investigadores mostraron que P. aeruginosa es capaz de montar esta respuesta agresiva a una variedad de diferentes especies y cepas bacterianas recuperadas de una variedad de fuentes, incluidos los pacientes con fibrosis quística, lo que sugiere que esta puede ser una táctica universal utilizada por P. aeruginosa para competir contra otras especies bacterianas.

Las estrategias de aprovechamiento que las bacterias usan para competir entre sí pueden conducir a nuevas terapias antimicrobianas. Para saber más

Cautivos del mal: los virus se alian con las bacterias

Cautivos del mal, titulada "The bad and the beautiful", dirigida por Vicente Minelli. Fuente

En la película "Cautivos del mal" de Vicente Minelli, y guión de Charles Schnee, el personaje del productor Shields es un manipulador sin escrúpulos para quien lo esencial es el producto artístico final, tal como él lo concibe, aunque para conseguirlo deba apropiarse de ideas ajenas y rechazar la participación del que parecía su mejor amigo, enamorar a una actriz con la autoestima baja y demasiado pendiente de la botella o alejar (con desastrosas consecuencias) a la entrometida esposa de su exitoso guionista. A pesar del resentimiento frente a Shields tanto el director, como la actriz o el guionistas reconocen que nunca hubiesen alcanzado la fama si no hubiese sido por las malas artes del productor.

Lo que no te mata te hace más fuerte: la viruela dio una ventaja competitiva a los europeos

La viruela y el sarampión fueron una ventaja evolutiva que permitió el éxito y la expansión europea en América. Según el antropólogo Jared Diamond, Pizarro contó con una ayuda microscópica en la batalla de Cajamarca contra fuerzas incas que los superaban en un ratio de 1:50. Según publica en su libro "Gérmenes, armas y acero" el sarampión y la viruela ya habían causado pánico y estragos en la población previamente a la batalla.

El sarampión en adultos es más letal que en niños. Fuente

¿Por qué los incas eran tan susceptibles a la viruela? La viruela originalmente es un virus de vaca. Cuando las poblaciones de Eurasia comenzaron a domesticar la vaca, el virus comenzó a infectar a las poblaciones humanas. La mayor parte de los europeos que llegaron a América tuvieron los virus en la etapa infantil y pudieron pasar las viriasis en esa etapa, por lo que ya disponían de inmunidad natural protectora. En el caso de los indígenas, la falta de contacto previo supuso una ‘virginidad inmunológica’, una falta de respuesta defensiva frente a las nuevas infecciones y por eso, al infectarse de adultos la mortalidad era tan alta.

Los virus bacteriófagos le dan una ventaja competitiva a Pseudomonas aeruginosa

Pseudomonas en principio era una bacteria medioambiental. Vive en todo tipo de lugares, desde piscinas y spas hasta en el jabón desinfectante de hospitales. Por su extraordinaria capacidad metabólica pudo crecer en los ambientes limpios de los hospitales. Al ser los hospitales ambientes en los que los antibióticos están siempre presentes, con el tiempo se seleccionaron cepas resistentes a los antibióticos. Hoy en día, esta bacteria es la principal responsable de las infecciones adquiridas en los hospitales. Recientemente hemos aprendido de que, lo mismo que Pizarro se benefició de su historia evolutiva previa, Pseudomonas también se beneficia de un bacteriófago que antiguamente la parasitaba. Este virus bacteriofago (fago) engaña al sistema inmunitario para que este ignore a la bacteria.

Ciclo del virus del herpes

Con los fagos ocurre lo mismo que con el virus del herpes labial que vive insertado en el ADN de nuestras neuronas. Sólo cuando detectan que su hospedador está estresado es cuando deciden salir de la célula que lo alberga. En el caso de los fagos rompiendo desde dentro a la bacteria, en el caso de las neuronas viajando desde el núcleo de la neurona por todo el axón hasta llegar a las células del labio en donde causa un sarpullido lleno de virus que le permite transmitirse a otro hospedador por un beso, un vaso compartido etc.

Diferencia entre fagos líticos (los que destruyen a las  bacterias) y los lisogénicos (que pueden insertar temporalmente su ADN en el ADN de la bacteria hospedadora)

La bacteria y el fago, llamado Pf, establecen una relación de simbiosis que se sospecha que está más extendida en el mundo microbiano de lo que se creía. Pseudomonas crece en las heridas abiertas de los pacientes de los hospitales. Las Pseudomonas que no tienen en su interior fagos sobreviven menos que aquellas Pseudomonas que si los tienen porque cuando el fago detecta que el sistema inmune ataca a Pseudomonas sale de entre el ADN de la bacteria, hace muchas copias de si mismo, mata a la bacteria y sale por decenas al cuerpo del paciente. Esto hace que el sistema inmunitario se dedique a matar fagos dándole un respiro a las bacterias que pueden seguir colonizando la herida abierta aunque tengan que pagar el peaje de que muchas de ellas revienten por culpa de la proliferación de los fagos. El fago "distrae" al sistema inmune como un señuelo. De esa manera, dejan de acosar a la bacteria que es el hospedador del fago. Este hallazgo ha sido publicado el pasado 28 de marzo en Science y ayudaría a explicar por qué el sistema inmunitario tolera las bacterias beneficiosas, como las presentes en el intestino, y podría guiar el diseño de mejores tratamientos para las infecciones.

Heridas abiertas infectadas por bacterias cautivas del mal

Para comprobar si los fagos influyen en el modo en el que las bacterias interactúan con sus huéspedes, el inmunólogo Paul Bollyky, de la Universidad Stanford, recogió muestras de heridas crónicas, como quemaduras infectadas, de 111 personas. De estas muestras, 37 presentaban infección por P. aeruginosa.

Bollyky y sus colaboradores encontraron que el 68 por ciento de las heridas que contenían P. aeruginosa albergaban también el virus Pf. Cuando transfirieron estas bacterias infectadas por el fago a heridas abiertas de ratones, descubrieron que el número de bacterias necesario para iniciar la infección en los roedores era menor y que estos eran más propensos a morir a causa de esas heridas que cuando eran infectados únicamente con la bacteria P. aeruginosa.

Internalización del fago Pf en una célula de mamífero. La endocitosis de Pf por las células dendríticas y otros leucocitos dispara los receptores de reconocimiento viral, los cuales suprimen la limpieza y eliminación de las bacterias. Esta imagen tridimensional fue generada utilizando microscopía confocal y imágenes apiladas en Z. Púrpura tiñe las fibras de actina, azul el ADN mediante DAPI, el verde es el fluoróforo Alexa Fluor 488 unido a un anticuerpo antiPf4. Fuente

Las bacterias atraían a unas células del sistema inmunitario llamadas fagocitos, los cuales «engullen» a las bacterias pero no a los virus. Los fagocitos intervenían en las heridas infectadas por P. aeuruginosa y Pf y se marchaban poco después de haber engullido unas pocas bacterias. Luego envíaban señales que atraían a otras células del sistema inmunitario encargadas de atacar solo a los virus del área.

Se logró reducir las infecciones causadas por P. aeuruginosa mediante la vacunación de los ratones contra los Pf, antes de infectarlos con la combinación de bacteria y virus.

La matriuska genética expande el territorio de las especies

La matriuska genética son genomas dentro de otros genomas. El caso de Wolbachia es paradigmático: la bacteria es parasitada por un virus que le da la capacidad de manipular el ratio entre sexos en especies de artrópodos. Tenemos virus, bacteria y pluricelulares trabajando juntos en un espacio común. En el caso que nos ocupa P. aeuruginosa y Pf inauguran un nuevo territorio: las heridas abiertas de pacientes de hospitales. Un nuevo territorio para P. aeuruginosa y también para el fago Pf.  Los médicos tratarán a estos pacientes con antibióticos y la bacteria irá adquiriendo material genético de manera horizontal para hacer frente a esos nuevos antibióticos.

Para saber más:

https://www.nature.com/articles/d41586-019-00991-4
https://science.sciencemag.org/content/363/6434/eaat9691
https://www.investigacionyciencia.es/noticias/algunos-virus-bacterifagos-engaan-al-sistema-inmunitario-para-que-no-ataque-a-las-bacterias-17386

Glicocalix: donde el individuo comprende que no está solo

Más allá de los proteoglucanos y las glucoproteínas

Cuando se explica bioquímica a alumnos de ciencias de la salud, al final del capítulo de las proteínas, debemos estudiar el glicocalix. Es un tanto aburrido porque su diversidad hace difícil sintetizar lo que supone el glicocalix en la biología. Es sencillo hablar de proteínas glomerulares y proteínas fibrosas, pero el temario se vuelve espeso cuando tenemos que hablar de las proteínas compuestas que se conjugan con azúcares. La complejidad de este tema radica en que no se conoce bien y por lo tanto, no se puede explicar con pasión.

Proteoglucanos: formados por glucosa, ácido urónico y proteína. Hay cinco proteoglicanos solubles presentes en el glicocálix: sulfato de heparán, sulfato de condroitina, sulfato de dermatano, sulfato de queratán y acido hialurónico. En mis clases digo que su función principal es la lubricación... para proteger a las membranas de la fricción... una explicación pobre e inexacta. Cosas de tener un temario muy extenso y poco tiempo (excusas)

Glucoproteínas: formadas por azúcares y proteínas. Por ejemplo, las mucinas salivales; en la sangre, la protrombina y las inmunoglobulinas; en las hormonas, las gonadotrópicas, y algunas ribonucleasas. La explicación que doy en clase es que los azúcares sirven como código de barras para que la célula sepa a donde mandar las proteínas y también que sirven para que el sistema inmune reconozca tejidos u órganos dependiendo de los "códigos de barras de azucar" que tengan las proteínas que los constituyen (una explicación a brocha gorda)

Engolosinados con el ADN y las proteínas hemos dejado a los azúcares de lado

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 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. 

material exudado polimérico extracelular compuesto por Las 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

La primera vez que la humanidad se dio cuenta que nuestra herencia estaba escrita en el ADN fue en 1944, precisamente estudiando el glicocalix de Streptococcus pneumoniae. Recientemente, hemos descubierto el primer sistema de memoria colectiva estudiando las biopelículas de Pseudomonas aeruginosa. De esa manera, estamos descubriendo que ese glicocalix es algo más que una película mucosa de glucoproteínas. 

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.

Esta entrada ha servido de base para el prólogo de este libro

Las bacterias tienen memoria colectiva que se transmite en el tiempo

Pasado, presente y futuro. La línea de tiempo y su memoria parece ser fundamental para la vida. Recientemente estamos descubriendo que existe memoria entre los orangutanes, en las colonias de hormigas. También hemos descubierto que el relato oral más antiguo (de hace 14000 años) del mundo es cierto

El relato oral más antiguo del mundo es cierto. Ocurrió en Canadá, una tribu relató durante 14000 años que habían vivido en una isla cuando el continente estaba completamente helado. Esto nos indica dos cosas: que la memoria es importante y que la vida en Canadá es tan aburrida que lo único salientable que le ha ocurrido a esa tribu ocurrió hace 14000 años.

La memoria existe también entre las bacterias. Tenemos memoria en Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa y en Caulobacter crescendus.

La información crea su línea de tiempo

Cuando tenemos un sistema de soporte de información como es el ARN y posteriormente el ADN es de esperar que en un momento determinado ese sistema empiece a recordar. La memoria es un explorar la cuarta dimensión: el tiempo. Mantener los recuerdos vivos nos ayuda en nuestra tarea de prevalecer, de transmitirnos a las siguientes generaciones. Es un contarle a nuestra descendencia: no vayas por ahí que te vas a hacer daño. Esta información es tan importante para nuestra supervivencia que también lo es para sistemas vivos tan sencillos como lo son las bacterias. No faltará mucho para que las computadoras empiecen a tener recuerdos porque lo mismo que los ácidos nucleicos son un soporte de información para la vida, ellas guardan su información en ceros y unos. En algún momento veremos que empezarán a guardar celosamente historias pasadas, a seleccionarlas y a transmitirlas. 

Los viejos dicen "En mis tiempos..." Se refieren a ese momento de sus vidas en la que todo era acción. La vejez es tiempo de recordar, de hacer balance, de seleccionar anécdotas y de transmitirla a los nietos, niños que todavía no han entrado en la vorágine de la vida y que tienen tiempo para escuchar las historias de sus abuelos.

Los individuos aislados tienen memoria corta, los grupos desarrollan memoria colectiva

Este ha sido el descubrimiento de los investigadores Roland Mathis y Martin Ackerman del Eawag/ETH de Zurich. Cuando hicieron sus experimento con la bacteria acuática Caulobacter crescentus, observaron que la memoria es mayor en poblaciones de células que células individuales. Es como si las bacterias desarrollasen un especie de memoria colectiva. Cuando las bacterias se exponen a concentraciones moderadas de sal están mejor preparadas para sobrevivir a concentraciones cada vez mayores de sal que si nunca fueron expuestas a la sal.

Placa experimental en donde se crece Caulobacter crescentus: cada placa tiene 8 canales con una población de bacterias en cada uno. Fuente Graphics: Stephanie Stutz)

Esta propiedad en células individuales tiene un efecto más corto, solo 30 minutos, que cuando se observa esta propiedad en poblaciones de células. En células individuales después de 30 minutos la tasa de supervivencia a la sal no tiene ninguna relación con si se han expuesto previamente a concentraciones de sal moderadas.

Las bacterias se adhieren a la superficie de cristal por un pedúnculo adhesivo. Cuando la célula bacteriana se divide, una de las hijas se queda adherida y la otra desaparece al lavar la placa. Fuente Graphics: Stephanie Stutz)

Cuando se exponen las poblaciones a una solución moderada de sal, las tasas de supervivencia posteriores cuando se ponen, dos horas después, a una concentración elevada de sal son mayores que en poblaciones que no han sido expuestas a las soluciones moderadas de sal (a esta exposición los autores les llaman avisos). Utilizando un modelo computacional, los científicos explicaron este fenómeno como la combinación de dos factores. Primero, el estrés salino causa un retraso en la división celular, lo que lleva a la sincronización de los ciclos celulares. Segundo, la probabilidad depende de la posición de la célula  

La memoria en Pseudomonas se debe a cambios en patrones rítmicos

En el caso de Pseudomonas aeruginosa, la bacteria tiene que adherirse a una superficie para empezar a formar un biofilm. Para ello, las bacterias tienen que sentir la superficie para empezar a desarrollar las moléculas con las que adherirse a esa superficie. Los autores de este artículo publicado en PNAS han descubierto que P. aeruginosa puede recordar las señales de detección de superficie de sus antepasados. El enfoque reveló que había un patrón rítmico en la expresión del AMP cíclico y la expresión del pili tipo IV, que es una de las moléculas ancla que utilizan las células. Las bacterias recuerdan el patrón rítmico de expresión y esto les permite cambiar de ser una bacteria de vida libre y en movimiento a volverse una bacteria estática y formar un biofilm. El patrón rítmico observado sigue los principios de los sistemas de reacción difusión descubiertos por Alan Turing antes de su suicidio.

Figura 3D. Aquí se ven los patrones de división celular de Pseudomonas salvaje (wt), es decir, la Pseudomonas normal, y la Pseudomonas mutante que carece de uno de los componentes químicos, el pili tipo IV, la molécula que le permite agarrarse a la superficie. La gráfica funciona como un árbol genealógico. Empezamos con el progenitor arriba, se divide binariamente. Algunas de las células dejan el biofilm y por tanto no se les puede hacer seguimiento (se representan por un triángulo que no tiene continuidad en el árbol genealógico). Los patrones de división y adherencia recuerdan mucho a los patrones musicales cuando se representan gráficamente (ver video abajo). Fuente

 La repetición crea una ilusión poderosa de realidad 

La historia del suicidio de Alan Turing es la historia de un choque entre la coherencia y la hipocresía, entre la excelencia intelectual y las hipótesis simplistas. Las hipótesis simplistas son peores que una mentira. Cuando mientes sabes que estás mintiendo, cuando actúas siguiendo una hipótesis falsa tu conciencia se acalla, con lo que la mentira se acrecienta.

En la fotografía Alan Turing finalizando una maratón. Observar cómo la hipocresía y las hipótesis  simplistas acabaron con el hombre y con el genio es estremecedor.

A Alan Turing un amante le robó en su casa. Fue a denunciarlo. No ocultó, porque sentía que no tenía porqué, el hecho de que había una relación homosexual. El juez se vio en la obligación de aplicar la ley que era de carcel. Como Turing era un héroe de guerra, caballero del Imperio Británico, le dieron la opción de tratarse hormonalmente. En 1954 poco se sabía de hormonas. Algunos expertos, de manera muy muy muy simplista, por no decir irresponsable y criminal, recomendaban que para bajar el impulso sexual había que administrar hormonas... Si una persona tiene relaciones sexuales homosexuales y éstas están prohibidas, desde el razonamiento del juez, si le bajamos la libido dejará de tener relaciones sexuales y por tanto ya no cometerá delito.

Simulador de un sistema de reacción difusión por ordenador

Los sistemas de reacción-difusión son modelos matemáticos del cambio en el espacio y el tiempo de la concentración de una o más sustancias químicas.

P. aeruginosa puede recordar las señales de detección de superficie de sus antepasados porque las alteraciones del ritmo de interacción entre dos sustancias químicas se mantienen en el tiempo. Por lo tanto estamos delante de una memoria colectiva que se transmite en el tiempo.

Hoy en día nos horrorizamos con la muerte de Alan Turing, un asesinato cometido por el estado en su intento de crear orden persiguiendo lo que consideraban una desviación de la conducta normal. Una salvajada que se basó en hipótesis simplistas. El trabajo de Alan Turing demostró que la complejidad puede ser explicada con sencillez si se aborda de una manera honesta y elegante. Los patrones de los animales obedecen a dos sustancias que en el espacio y el tiempo no se distribuyen de manera homogénea sino creando patrones. Esos mismos patrones rítmicos, en el tiempo sirven para crear memoria colectiva. Lo mismo que los patrones rítmicos de las músicas populares o de los acentos en las distintas lenguas que son altamente conservados.


Referencia:

Mathis R, Ackermann M: Response of single bacterial cells to stress gives rise to complex history dependence at the population level. PNAS, 2016, March 7th, doi: 10.1073/pnas.1511509113

https://www.pnas.org/content/115/17/4471

http://newsroom.ucla.edu/releases/bacteria-pass-on-memory-to-descendants-ucla?_ga=2.180640751.977971598.1523012985-1891032046.1523012985 

http://science.sciencemag.org/content/329/5999/1616

http://bacteriasactuaciencia.blogspot.com/2015/09/entender-la-bioquimica-bacteriana-para.html 

https://francisthemulenews.wordpress.com/2010/09/24/alan-turing-el-genio-matematico-que-creo-la-teoria-de-la-morfogenesis-poco-antes-de-suicidarse/

Colonia de Pseudomonas creciendo

Pseudomonas aeruginosa biofilm. Autor: Scott Chimileski

Ejercicios de bacteriología

Caso clínico: Un bombero severamente quemado, se encuentra hospitalizado, después de varios días de estadía, empezó a desarrollar una infección generalizada en las heridas con presencia de "pus verdosa". Se envía una muestra de la secreción de una de las heridas al laboratorio evidenciándose bacilos Gram negativos, oxidasa-positivos. ¿Qué enunciado es correcto respecto al agente causa más probable?

Se trata de Pseudomonas aeruginosa, un bacilo Gram negativos no fermentador, que tienen un metabolismo oxidativo, por eso son oxidasa positivos.

Varios días de estadía en hospital... se supone que ha estado en tratamiento antibiótico sin que remita la infección. El pus verdoso es debida a la pioverdina.
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Caso clínico: En un paciente con dolor insoportable de la espalda baja, son sintomatología urinaria, se realizó un cultivo de orina en la cual se identificaron enterobacterias no fermentadoras. Un urograma excretor detectó la presencia de cálculos renales. ¿Cuál es el mecanismo de acción para desarrollar cálculos renales?

Casi el 80% de los cálculos renales están compuestos de oxalato de calcio. Otros tipos de cálculos más raros se componen de: cistina (un aminoácido que se encuentra en alta concentración en las personas con cistinuria), ácido úrico u otras sustancias.

Los cálculos también pueden estar compuestos por estruvita (magnesio, amonio y fosfato) en un 10% de los casos. La formación de cálculos de estruvita se asocia con la presencia de una bacteria (Klebsiella, Serratia, Proteus, especies de Providencia) que convierte la urea en amoníaco. La bacteria implicada más común es la Proteus mirabilis. Casi el 40% de los cálculos tienen varios compuestos en la misma piedra. Proteus mirabilis tiene la habilidad de producir grandes niveles de ureasa. La ureasa hidroliza urea a amoníaco, (NH3) y eso hace a la orina más alcalina. Y al subir la alcalinidad precipita el carbonato cálcico y la estruvita.
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Diferencias entre Salmonella y Shigella:

Distintas morfologías celulares bacterianas

Caso clínico: Mujer de 25 años de edad, acudió a la consulta médica por presentar dolor pelvico y ardor al orinar, frecuencia, disuria, fiebre baja. El cultivo de orina evidenció la presencia de bacilos Gram negativos, oxidasa negativos, fermentadores. Pensando en la bacteria más frecuentemente asociada a estas infecciones:

a. ¿Qué factor de virulencia es necesario para que la bacteria establezca la infección? Fimbrias. Posteriormente pueden invadir las células epiteliales de la vejiga escapando así a la acción de los macrófagos

b. ¿Qué bacteria puede ser la responsable? E. coli uropatogenica

La cistitis es una inflamación de la vejiga que causa una sensación de ardor al orinar, sangre en la orina, dolor, fiebre u otros síntomas. Es una enfermedad común en las mujeres, pero también se puede presentar en los hombres. Un 30% de las mujeres sufrirán un episodio de cistitis a lo largo de su vida. La causante es E. coli, responsable del 85 por ciento de las infecciones no complicadas en mujeres sexualmente activas. Estos gérmenes se encuentran en el intestino y contagian a través de las heces (enterobacterias). También puede producirse por tricomonas, Chlamidias, Proteus y Klebsiella.
Caso clínico: Un hombre de 60 años que recibió un transplante de hígado 5 años antes de su ingreso hospitalario para volorar un cuatdro de dolor abdominal espasmódico y diarrea intensa. Tres semanas antes de su ingreso había recibido un ciclo de 10 días de duración con trimetoprima-sulfametoxazol por vía oral por una sinusitis. A la exploración física el paciente estaba febril con una palpación moderadamente dolorosa en el abdomen. La tomografía computerizada reveló un engrosamiento del colon derecho sin abscesos. La colonoscopia puso de manifiesto numerosas placas blanquecinas con una mucosa eritematosa compatible con colitis pseudomembranosa. ¿Qué bacteria puede estar implicada? Razona tu respuesta.
Se trata de una infección por Clostridium difficile. Es muy significativo que el paciente recibiera tratamiento con antibióticos durante 10 días previamente. Este tratamiento eliminó su flora intestinal permitiendo que sus esporas resistiesen el tratamiento y germinando al acabar el ciclo de antibióticos. El rápido crecimiento de Clostridium permitió a la bacteria colonizar el colon en poco tiempo. La colitis pseudomembranosa es característica de esta bacteria.

Colitis pseudomembranosa por Clostridium difficile. Fuente

Caso clínico: Un paciente hospitalizado por dos meses debido a una fractura expuesta complicada con una infección, empezó desde hace una semana con sintomatología sistémica, fiebre alta, malestar general, escalofríos. Los antibióticos no han mejorado e estado de salud, un cultivo de sangre demostró la presencia de bacilos Gram negativos, oxidasa positivos. El examen físico ha demostrado el aparecimiento de lesiones hemorrágicas y necróticas en la piel. Usted sospecha de ectima gangrenoso.

Pseudomonas aeruginosa puede causar una infección en la piel llamada ectima gangrenoso. Se presenta como una lesión redonda u oval, de entre 1 y 15 cm de diámetro, con un halo eritematoso. Habitualmente, aparece un centro necrótico rodeado por una zona eritematosa, que representa el lugar en el que el microorganismo ha invadido los vasos sanguíneos produciendo pequeños infartos en la piel. El mecanismo de destrucción del tejido se produce por la exotoxina A. Esta toxina es similar a la toxina del Corynebacterium diphteriae su modo de acción es bloqueando la síntesis de proteínas en el ribosoma y provocando la muerte celular

Ectima gangrenoso provocado por Pseudomonas aeruginosa. Fuente