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 2007, Elena Lysenko descubrió que era la competición que se establecía entre S. pneumoniae y Haemophilus influenza lo que determinaba que S. pneumoniae decidiese crear una cápsula de azucares para protegerse de los macrófagos que eran azuzados en su contra por H. influenza.
Cuando Lysenko incubaba las dos especies de microbios en ratones pudo comprobar que normalmente S. pneumoniae era desplazada del tracto respiratorio mientras que H. influenzae permanecia.
La coraza gruesa que protege a S. pneumoniae de los macrófagos cuesta mucha energía producirla, por eso se ve rebasada en número por bacterias que son más ligeras y que tienen cubiertas menos costosas energéticamente hablando.
pero cuando H. influenzae pone al sistema inmune en alarma una cubierta "jabonosa" es muy interesante, además le permiten a la bacteria colonizar partes más bajas del sistema respiratorio causando neumonía a los humanos. Lo que era una defensa frente a los macrófagos originada por su activación por una bacteria competidora resulta en enfermedad para su hospedador humano. Daños colaterales.
A S. pneumoniae colonizar zonas profundas del tracto respiratorio no le interesa demasiado. Pensemos que es una bacteria que se transmite en los fomites, gotitas de moco que expulsamos en los estornudos y toses. Irse a un lugar donde no puede dispersarse no es buen negocio. Si somos capaces de entender que las bacterias no son villanos cuyo "disfrute" es causarnos enfermedad quizás podamos llegar a soluciones de compromiso, "win-win situations" como dicen los americanos, situaciones en las que ganamos todos.
Cuando desarrollan vacunas para eliminar una especie se debería tener en cuenta que el nicho ecológico que ocupaba esa especie bacteriana está ahora libre para que sea colonizado por otra especie. Si la otra especie no es un patógeno habremos acertado, pero no se puede descartar que la especie que ocupe ese nicho sea quizás peor que la primera que se ha eliminado.
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
Wang Z, Wu M (2014) Phylogenomic Reconstruction Indicates Mitochondrial Ancestor Was an Energy Parasite. PLoS ONE 9(10): e110685. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0110685
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Cinchona pubescens, o árbol de la quina de corteza roja, es el que tiene la corteza más rica en quinina, el principio activo que aliviaba las fiebres de la malaria.
Desde que Pedro Leiva, cacique de Malacatos, Ecuador, descubrió que la corteza de un árbol calmaba las fiebres de la malaria, se ha recorrido un camino largo y fructífero hasta los miles de compuestos derivados del principio activo de este árbol milagroso. Ese árbol llamado de la quina, fue catalogado por Linneo como Cinchona officinalis. Posteriormente, Humboldt se dio cuenta que el árbol de la quina de corteza roja era el más activo contra la malaria y finalmente el botánico José Celestino Mutis la describió en el Papel Periódico de Santa Fe 111: 465, en el año 1793 como Cinchona pubescens. Este dato académico y aparentemente sin interés nos muestra como desde el descubrimiento de este árbol y su molécula activa hubo interés por discriminar cuál de ellos tenía la molécula más interesante por sus propiedades medicinales.
El árbol de la quina casi se extingue por su explotación desmedida. La malaria diezmaba a los europeos que se habían lanzado a la conquista del mundo, sobre todo en áreas tropicales y la corteza de la quina era el único remedio con el que contaba la medicina entonces. Hasta que se pudo sintetizar la molécula
¿Podemos relacionar la estructura de las distintas partes de la molécula con su actividad biológica?
La técnica SAR (Structure activity relationship, en sus siglas en inglés) viene a ser a nivel química orgánica lo que hacían esos naturalistas del siglo XVIII que trataban de identificar qué tipo de árbol de la quina era más efectivo contra la malaria. Con la molécula todo es más fácil. Cambiamos un grupo funcional y vemos qué tipo de actividad tiene contra bacterias, parásitos, células cancerígenas... De esta manera el corazón de la molécula de la quina sirvió como molde para la creación de manera sintética, es decir, por síntesis orgánica, no procedente de microorganismos, como en el caso de la penicilina, de uno de los grupos más importantes de antibióticos: las quinolonas
Fig. 1 Esquema de la relación entre la estructura y la actividad de las quinolonas (SAR). Gracias a esta técnica podemos ver que hay partes de la molécula que son más importantes que otras en su interacción biológica, en el caso de las quinolonas, con las topoisomerasas de las bacterias. Moléculas que controlan el superenrrollamiento del ADN circular bacteriano y que no están presentes en humanos, por eso son un blanco tan bueno para matar bacterias y que no nos hagan daño a nuestras células

Cuando a este doble anillo se le adicionó en la posición 6 un átomo de fluor su potencia antimicrobiana aumentó, aparecieron las fluoroquinolonas. Las primeras moléculas que aparecieron fueron la ciprofloxacina, norfloxacina y ofloxacina. A estas moléculas se le fueron modificando sus grupos activos y finalmente se consiguieron nuevas fluoroquinolonas como delafloxacina, gemifloxacina, levofloxacina y moxifloxacina.
Muchas fluoroquinolonas se han retirado debido a su toxicidad: trovafloxacina (debido a la toxicidad hepática grave), gatifloxacina (debido a hipoglucemia e hiperglucemia), grepafloxacina (debido a la toxicidad cardiaca), temafloxacina (a causa de insuficiencia renal aguda, hepatotoxicidad, anemia hemolítica, coagulopatía e hipoglucemia), y lomefloxacina, esparfloxacina y enoxacina.
Aunque una molécula sea eficaz matando bacterias, también tenemos que comprobar que sea lo más inocua posible para las células del ser humano. Es lo que caracteriza a un buen antibiótico: que mata bacterias sin matar las células humanas.
En 1996 comencé mi tesis "Caracterización bioquímica de las DNA toposiomerasas de tipo II de Streptococcus pneumoniae". Para ello tuve que probar la actividad inhibitoria de varias fluoroquinolonas sobre estas enzimas que controlan la topología del ADN. Nota graciosa: tuve que escribir la tesis en menos de un mes porque me encontraba trabajando en EEUU como postdoc y no había escrito la tesis aún. Volví en abril, la escribí y la presenté a principios de mayo... Lo último que escribí fue el título e introduje un error del que nadie se dio cuenta: escribí toposiomerasas en vez de topoisomerasas...
A veces, cuando comenzamos una investigación no somos conscientes del camino que va desde Malacatos a cientos de laboratorios repartidos por todo el mundo. Uno de ellos, en donde hice mi tesis doctoral
El tracto respiratorio se extiende desde las fosas nasales hasta los alvéolos pulmonares, está
habitado por diversas comunidades bacterianas.
El aparato respiratorio comprende dos regiones: Tracto superior: cavidad nasal, faringe, laringe. El tracto inferior lo constituyen tráquea, bronquios y los pulmones.El microbioma respiratorio es dinámico y está influenciado por factores ambientales y del huésped.
El tracto respiratorio superior está colonizado por comunidades bacterianas, virus y hongos que en conjunto forman una barrera para evitar la colonización de agentes patógenos y ayudar al entrenamiento del sistema inmune. Muchas partes se encuentran cubiertos por cilios y moco que funciona como filtro. Allí donde hay moco, como en la cavidad nasal, las enfermedades (rinitis) están asociadas a virus y no a bacterias. Las bacterias suelen colonizar lugares sin tanta segregación de moco como la faringe.
El tracto inferior carece de flora residente y es muy susceptible a enfermedades e infecciones. Los dos pulmones de un humano adulto cuentan con más de 500 millones de alvéolos, si se estirasen completamente ocuparían una superficie de 80 metros cuadrados. Los microorganismos que se pudieran encontrar son microbios “de paso” y el escalador mucociliario se encarga de expulsarlos. Hasta hace bien poco se consideraba que no deben existir microorganismos en los pulmones sanos. Gracias a los estudios de microbioma sabemos que existen bacterias en los pulmones. Las funciones de los pulmones no permitieron desarrollar barreras físicas que se presentan en otro sistemas. El intercambio de gases, calentamiento y humectación de los gases que ingresan y salen de nuestro cuerpo requieren de una capa delgada en contacto con el sistema circulatorio.
Las especies bacterianas típicas que componen la microbiota de la nasofaringe incluyen Moraxella, Staphylococcus, Corynebacterium, Streptococcus. La orofaringe está colonizado por Streptococcus, Prevotella, Neisseria, Veillonella, Rothia, Leptotrichia entre otros.
La clasificación de los Streptococos se debe a Rebecca Lancefield. Se basa en las reacciones serológicas de los carbohidratos de la pared celular de la bacteria, es decir, en la distinta naturaleza antigénica de
los polisacáridos de la pared
Patrones de hemólisis: La hemólisis alfa se refiere a una lisis parcial de eritrocitos que produce una coloración verde que se observa alrededor de las colonias. Esta lisis es debida a la liberación de una alfa-hemolisina que degrada la hemoglobina dando un color verde alrededor de la colonia cuando desarrolla en agar sangre. La hemólisis beta se refiere a un halo de hemólisis completamente claro debido a Las hemolisinas que son enzimas que lisan los hematíes. Por último, la hemólisis gama se refiere a la ausencia de hemólisis.
Grupo piógeno
En el grupo piogénico, basándonos en el tamaño grande de la colonia, en la reacción hemolítica en
placas de sangre y en la detección de antígeno de grupo de Lancefield, es fácil identificar los e
streptococos betahemolíticos más comunes: S. pyogenes (grupo A) y S. agalactiae (grupo B)
S. pyogenes
S. pyogenes no presenta grandes problemas en su identificación. Se trata de colonias betahemolíticas,
que generalmente son sensibles a la bacitracina. S. pyogenes. Inhalación de partículas de enfermos y
portadores (humanos, perros y otros animales de compañía). Se diseminan por tos, estornudos, comida
y bebida contaminadas. Algunas cepas de S. pyogenes pueden estar infectadas con fagos (producen
toxina speA ) y producir fiebre escarlatina.
S. agalactiae
Existen varios medios de cultivo selectivos para la detección de S. agalactiae, recomendados para el
de interpretación sencilla y tiene una sensibilidad y especificidad elevadas. Se basa en la detección del
pigmento carotenoide que expresa la mayoría de los estreptococos de este grupo. El crecimiento de
colonias de color naranja, tras incubación en anaerobiosis, nos indica la presencia de S. agalactiae. Hay
que tener en cuenta que, aproximadamente, un 5% de los aislamientos suelen ser cepas no hemolíticas y
no pigmentadas, por lo que no serían detectadas con este medio.
Grupo mitis
S. pneumoniae
Las colonias de neumococo son características, producen alfahemólisis (por peróxido de hidrógeno) y,
si se prolonga algo la incubación de las placas, el centro de las colonias aparece ligeramente deprimido
como resultado de la autólisis
.
Se identifican presuntivamente por su sensibilidad a la optoquina, junto a su solubilidad en sales biliares y una reacción catalasa negativa. Su diagnóstico etiológico se recomienda la tinción de Gram y el cultivo de esputo. Cuando se observan menos de 10 células escamosas y aparecen más de 25 polimorfonucleares por campo a 100 aumentos (grados IV y V de Murray y Washington) el esputo es adecuado
Muchas cepas de Streptococcus pneumoniae viven comensales en el tracto respiratorio superior. ¿Por qué de repente se vuelven infecciosos y colonizan los pulmones?S. pneumoniae, cuando detecta virus en su ambiente aumenta el número de su población y desarrolla una capa mucosa que le permite colonizar el pulmón y evitar a los macrófagos. La capa mucosa o cápsula es un factor de virulencia y su presencia o ausencia sirvió para demostrar en 1944 que el ADN era la molécula portadora de la herencia genética.
Objetivo de la práctica
Identificación de Streptococcus pyogenes y Streptococcus pneumoniae por medio de sus características bioquímicas y patrón de sensibilidad antimicrobiana.
Alcance
La práctica cubre desde la obtención de una muestra de calidad (exudado faríngeo y nasal),
transporte, procesamiento hasta el reporte e interpretación de resultados (fases preanalítica,
analítica y post analítica).
Aparatos, equipos e instrumentos: microscopio óptico, mechero Bunsen, incubador 37º e incubador 37º
