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martes, 27 de mayo de 2008

Caparazones y Cólera

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Se considera que la quitina es el segundo biopolímero más abundante del planeta (el primer puesto lo ostenta la celulosa). Este polisacárido está compuesto por N-acetilglucosamina unida por enlaces β-1,4 (GlcNAc para abreviar) y es el componente principal de los caparazones de crustáceos e insectos. Se calcula que los seres vivos producen 100.000.000.000 toneladas al año de este compuesto, la mayor parte de ellos en ambientes acuáticos.






Uno de los fenómenos más curiosos es la asociación existente entre la bacteria Vibrio cholerae y la quitina. Puede sorprender que una bacteria patógena presente tan estrecha relación. Pero si lo pensamos un momento dicha asociación no es tan extraña. V. cholerae es una bacteria acuática y la quitina es el polímero más abundante en dichos ambientes. Esta asociación dota al microorganismo de una serie de ventajas: - disponibilidad de comida, adaptación a gradientes nutricionales, tolerancia al stress y protección frente a depredadores -. Pero la relación va más allá influyendo en la forma de vida de la bacteria tanto dentro como fuera de su hospedador. Se han descrito una serie de propiedades debidas a esta interacción entre la bacteria y su sustrato. Estas propiedades ligadas unas a otras de manera jerárquica, pueden ser detectadas en múltiples niveles desde el celular al medioambiental. Entre ellas se cuentan las respuestas fisiológicas a nivel celular: - quimiotaxis, metabolismo de la quitina, multiplicación celular -, formación de biofilms, ciclos del nitrógeno y del carbono en los ecosistemas acuáticos.




V. cholerae es capaz de colonizar la superficie de los caparazones de los crustáceos y para ello necesita disponer de un tipo de pili que le permita unirse al polisacárido de la quitina. Lo curioso es que este tipo de pili es un factor de virulencia en muchas cepas patógenas de V. cholerae pues también le permite unirse a la manosa presente en el glucocalix de las células del epitelio intestinal de los mamíferos. Se ha observado que V. cholerae presenta quimiotaxia positiva hacia la quitina y que esta molécula induce la producción de las proteínas que forman dicho pili.





Una vez unida a la quitina, V. cholerae la utiliza como fuente de carbono y nitrógeno, es decir, se la come. Pero no lo hace en tal extensión que cause un perjuicio al hospedador. Más bien come lo poco que le sobra al crustáceo. Y aquí viene otra curiosidad. Se ha observado que V. cholerae unido a la quitina entra en estado de competencia. Es decir, es capaz de integrar más facilmente material genético foráneo. Y ahí no acaba la cosa, V. choleare forma un biofilm sobre el caparazón, por lo que sus posibilidades de supervivencia aumentan al ser menos susceptible al ataque de depredadores. Y en esa supervivencia está implicado el hospedador. Un experimento demostró que la viabilidad era mayor en los biofilms de V. cholerae sobre caparazones de copépodos vivos, un miembro del zooplacton, que sobre aquellos que permanecían en copépodos muertos. Finalmente, el hecho de que V. cholerae se coma la quitina evita que este polisacárido se acumule en los fondos oceánicos y tanto su carbono como el nitrógeno que lo componen se incorporen a los ciclos biogeoquímicos.



Copépodo

La siguiente pregunta que uno se plantearía es ¿Qué ventaja obtiene el crustáceo? Aún no está muy clara pero se especula con que la presencia de biofilms de V. cholerae en dichos animales les permite una mejor osmoregulación. Muchos de los crustáceos que mantienen biofilms viven en estuarios o en aguas en las cuales hay cambios de salinidad. Al parecer V. cholerae produciría una serie de proteínas que permitirían aguantar dichos cambios a las células del crustáceo. Sin embargo algunas de dichas proteínas son las famosas enterotoxinas que acaban con las células del epitelio intestinal.


Vibrio cholerae en el epitelio intestinal

¿Y en cuánto a la enfermedad? Por lo dicho arriba está claro que cualquier artrópodo acuático es un posible reservorio de uno de los patógenos humanos más temibles. Y si la distribución geográfica de un copépodo es mundial eso significa que el V. cholerae que va con él también lo es. Se ha calculado que puede haber unas 10.000 V. cholerae por copépodo y bastan 1.000 para producir una infección. Adicionalmente, el hecho de que dichas bacterias estén formando un biofilm las hace mucho más resistentes a la acción de los ácidos estomacales cuando se ingiere agua conteniendo dicho zooplacton.

Resumiendo, pedir la Cangre-Burguer muy hecha la próxima vez que alguien vaya al Krusty Krab.




Audio en "El podcast del microbio"

viernes, 23 de mayo de 2008

Número especial de la revista Science dedicado a la Ecología Microbiana





El ejemplar del 23 de mayo de la revista Science contiene una serie de artículos relacionados con la Ecología Microbiana. La revista es de pago, pero es posible acceder a ella desde los ordenadores de la biblioteca de la UMH (y probablemente también desde otras instituciones educativas o científicas). Aquí dejo una pequeña guía de los mismos.

  • Relaciones confusas. El entendimiento de la evolución y la ecología microbiana se basa principalmente en un buen sistema de clasificación de los microorganismos, pero es difícil llegar a uno cuando no podemos dar una respuesta simple a la pregunta ¿Qué es una especie microbiana?.

  • Los motores microbianos que impulsan los ciclos biogeoquímicos terrestres. Virtualmente todas las transferencias de electrones que se dan en la Tierra se dan gracias a un conjunto de nanomáquinas biológicas que conocemos por proteínas y grupos prostéticos. Esas nanomaquinas evolucionaron exclusivamente dentro de los microbios en una etapa muy temprana de la historia de este planeta y los genes que las codifican se han mantenido muy conservados. Cuanto mayor sea nuestro conocimiento de su evolución, funcionamiento y control mejor entenderemos su papel a escala planetaria.

  • Biogeografía Microbiana. De la taxonomía a los caracteres. La variación biogeográfica de los seres vivos se ha estudiado tradicionalmente usando la taxonomía. Pero esto está cambiando en el campo de la microbiología. Las pautas de variación de determinados caracteres -tamaño del genoma, número de ribosomas, tamaño celular- está comenzando a dar respuestas a las preguntas de porqué un ser vivo vive en un determinado lugar y cómo responde a un cambio ambiental.

  • Ecología Microbiana de la Biogeoquímica Oceánica. La perspectiva de la comunidad. La diversidad microbiana de los océanos es enorme. Diferentes grupos funcionales compuestos de bacterias, arqueas y protistas dominan diversos hábitats e impulsan ciclos biogeoquímicos. Las comunidades planctónicas cambian continuamente debido a la mortalidad, relaciones simbióticas y otros procesos por lo que hay una gran presión de selección sobre los distintos microorganismos.


También aparecen unos artículos publicados exclusivamente en internet que serán accesibles a partir del 27 de mayo.

  • Un nicho a la medida. Dedicado al estudio de los mecanismos de señalización entre los microorganismos -benignos o patógenos- y sus hospedadores.

Un artículo en español sobre el mismo tema: "Metagenómica, genómica y ecología molecular: la nueva ecología en el bicentenario de Darwin".

miércoles, 21 de mayo de 2008

Biocombustibles: The Next Generation



A estas alturas más de uno se ha caído del guindo y ha visto que los "biocombustibles" no son la panacea universal para los males energéticos del mundo. Hace unos años había más de un reportaje o artículo alabando la producción de los mismos como un modo de independizar a las economías nacionales de los derivados del petróleo. Sin embargo se ha comenzado a ver el otro lado de la moneda. Cuando se habla de Biocombustibles generalmente nos estamos refiriendo a etanol producido a partir de la fermentación por levaduras (bioetanol). Y las levaduras crecen maravillosamente bien en fuentes de carbono ricas en hidratos de carbono como los cereales o la caña de azúcar. Es decir, un vegetal que puede ser usado para alimentar también puede ser usado para producir etanol.


Esquema simple del proceso de producción de bioetanol.


Y aquí entra en juego la Ley de la Oferta y la Demanda. Si uno es agricultor y una industria de biocombustibles le ofrece más por su cosecha que una industria alimentaria, lo más seguro es que se la venda a la primera. Eso hace disminuir la oferta en alimentos y por tanto encarece el precio de los mismos. Dejando aparte otras consideraciones que influyen en el precio final de los alimentos lo que cada vez parece más claro es que no es una buena idea transformarlos en biocombustibles.

Por eso hay grupos que están investigando nuevas alternativas. Es lo que se conoce como Biocombustibles de segunda generación. Fundamentalmente consiste en producirlos pero a partir de otras fuentes de carbono biológicas distintas de los alimentos. Y en ese campo uno de los microorganismos que está siendo estudiado es el hongo Trichoderma reesei, cuyo genoma ha sido recientemente secuenciado.




Trichoderma reesei

La historia del hongo es bastante curiosa. Fue aislado durante la Segunda Guerra Mundial en el teatro del Pacífico y su nombre es en honor del Dr. Elwyn T. Reese que fue uno de los que lo aisló. Resulta que los norteamericanos se encontraron con que una gran parte del material fabricado con fibras de algodón: -ropa, cuerdas, tiendas de campaña -, sufría una rápida descomposición. Ni cortos ni perezosos, el ejército norteamericano montó el Tropical Deterioration Research Laboratory para estudiar dicha descomposición y poner remedio. Reese y su equipo encontraron diversos microorganismos celulolíticos y uno de ellos se trataba de este hongo.

Se considera que T. reesei es el microorganismo más eficiente en la producción de celulasas. Estas enzimas son capaces de descomponer la celulosa, uno de los polímeros más resistentes que hay en la naturaleza, en sus monosacáridos constituyentes. Es decir, con T. reesei se podría transformar restos vegetales en azúcares simples que podrían a su vez ser fermentados por las levaduras para producir bioetanol. Simplificando mucho, en un proceso de producción de biocombustibles de primera generación se utiliza el grano de maíz para producir bioetanol y el resto de la planta se desecha. En un proceso de segunda generación utilizaríamos la planta de maíz para producir el bioetanol y los granos para la alimentación.


Si tenemos en cuenta que el hongo fue aislado en 1943, ¿Por qué no se ha puesto a punto este proceso después de 60 años? Por una razón de economía. En el proceso de producción de bioetanol a partir de un cereal como el maíz, uno de los pasos es transformar el almidón del grano en glucosa. Esa despolimerización se consigue gracias a la adición de amilasas. Y esa enzima es mucho más barata que las celulasas, hemicelulasas y pectinasas que descomponen los restos vegetales. Una forma de bajar el precio de las celulasas es precisamente producir más de esas enzimas. Y ahí es donde está la importancia del trabajo de secuenciación del genoma de T. reesei. El objetivo es intentar manipular los genes que intervienen en la síntesis de estas enzimas para conseguir llegar a una producción de 50 g/l del cóctel de enzimas.








Figura realizada en base a las imágenes de esta página

Lo que se han encontrado los grupos que han llevado a cabo la secuenciación es que T. reesei tiene muy pocos genes que codifiquen para dichas enzimas. Eso ha sido una sorpresa, pues se esperaba que su gran capacidad degradativa podría explicarse en base a una gran diversidad enzimática. Al parecer, el hongo produce mucho pero con poca variedad. Los siguientes pasos van ir en dos direcciones. Por un lado identificar las señales que regulan la expresión de dichos genes para así intentar aumentar dicha expresión. Por otro, manipularlos o incluso sustituirlos por genes de otras celulasas mucho más eficientes que las que se encuentran en T. reesei.

No es la solución, pero es un paso más.

Enlaces relacionados:

Ecocarburantes Españoles

Audio en "El podcast del microbio"

lunes, 19 de mayo de 2008

Mareas rojas y pie de atleta.

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Marea roja en la playa californiana de La Jolla. El muelle Scripps tiene unos 300 metros de largo.


Si a día de hoy a un ciudadano medio le pregunáramos su opinión sobre la "marea roja" es probable que respondiese algo relacionado con la selección de fútbol seguido de algún comentario sobre su incapacidad manifiesta de hacer un buen papel. Pero sin embargo el término "marea roja" hace referencia a un fenómeno biológico en el que un determinado tipo de algas microscópicas, comienzan a proliferar sin control tiñendo las aguas marinas de un color rojizo. Lo malo es que estas algas rojas suelen estar cargadas de toxinas y dichas explosiones poblacionales suelen producir graves daños en las piscifactorías, en diversas especies marinas e incluso pueden provocar la clausura de playas con el consiguiente daño económico.


Hay varios grupos que las estudian para intentar prevenirlas o controlarlas y evitar dichos efectos perjudiciales. Uno de esos grupos es el del Dr. Takuji Nakashima del Instituto Nacional de Tecnología y Evaluación en la ciudad de Chiba. Este grupo ha investigado el efecto de compuestos antifúngicos en dos especies de microalgas muy comunes en esas mareas rojas: Chattonella marina (Raphidophyceae) y Heterocapsa circularisquama (Dinoflagellata).






Chatonella marina

Los ciclos de vida de dichos dinoflagelados son bastante similares a los de los hongos dermatofitos que causan el pie de atleta, así que se decidió estudiar el efecto de los antifúngicos bifonazol y terbinafina en dichas algas. En el laboratorio se establecieron cultivos de dichas algas y se les añadió dichos compuestos. Se encontró que con dosis de 1 miligramo por litro podían acabar con el 50% de dichas microalgas. Dichos compuestos parecen inhibir la síntesis de esteroles esenciales para la integridad de las membranas celulares del alga.

Ahora viene la segunda parte. ¿Servirán estos compuestos para evitar las mareas rojas?. En principio se ha encontrado una forma de controlar dichas poblaciones, pero eso implica liberar grandes cantidades de dichos compuestos antifúngicos en el medio ambiente. Ambos son de la familia de los imidazoles y su permanencia en el medio ambiente es elevada. Luego eso implica que podrían tener algún efecto secundario sobre otros seres vivos. Una forma de solventar este problema es el desarrollo de nuevas moléculas que tengan un efecto similar. Se ha encontrado una diana, ahora hay que mejorar el proyectil.


Otro problema es el de las cantidades a usar. Supongamos una marea roja que ocupe una pequeña bahía. Estaríamos hablando de un volumen de agua de unos 10 kilómetros de largo por 1 kilómetro de ancho y 1 metro de profundidad. Es decir, 10 millones de metros cúbicos o lo que es lo mismo 10.000 millones de litros (ver plano de abajo). Teniendo en cuenta la dosis arriba indicada necesitaríamos 10 toneladas de dichos productos para producir un 50 % de mortalidad en dichas especies de microalgas. Y tengamos en cuenta que otras especies de microalgas pueden no verse afectadas por dichas sustancias.





Finalmente está el problema de como liberar dichos compuestos en el ambiente marino. En la revista Nature hablan de una máquina movida por energía solar y guiada por satélite. Las mareas rojas se pueden seguir muy bien mediante satélites artificiales gracias a los pigmentos fotosintéticos de las algas. Dicha máquina portaría un tanque con el compuesto y lo liberaría en determinadas zonas en las cuales se detectase esas explosiones de microalgas.


De todas formas es un paso más y quizás sea el inicio de una nueva forma de evitar dichas mareas.




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martes, 13 de mayo de 2008

¿Pueden aprender las bacterias?

Un reciente artículo publicado por la revista Science parece demostrar que las poblaciones bacterianas pueden "aprender". La noticia también ha sido recogida por la revista Nature.

A finales del siglo XIX, el fisiólogo ruso Ivan Pavlov llevo a cabo sus famosos experimentos con perros que demostraron la existencia de los reflejos condicionados y que le hicieron merecedor del premio Nóbel de Medicina en 1904. Básicamente el experimento consistía en asociar dos estímulos, el sonido de una campana y la comida. Si se repetía el suficiente número de veces dicha asociación, al final el perro comenzaba a salivar nada más escuchar la campana, aunque no hubiera comida. Eso significaba que el sistema nervioso del perro "aprendía" a prever un acontecimiento del futuro (comer) cuando sucedía una determinada señal (la campana).






Parece ser que las bacterias también presentan dicho comportamiento. Bueno, mejor dicho, las poblaciones bacterianas presentan dicho comportamiento. Es decir, una población de microorganismos es capaz de "aprender" a asociar dos estímulos y responder en consecuencia. Ese comportamiento podría representar una ventaja selectiva para las bacterias si son capaces de responder anticipadamente a un evento del futuro.


El caso es que ejemplos de dicho comportamiento "aprendido" en microorganismos se conocían con antelación pero ha ocurrido algo similar a lo de la manzana de Newton. Todo el mundo sabía que las manzanas caían al suelo, pero Newton fue el primero en preguntarse ¿por qué? En el caso de los microorganismos, hace tiempo que se conoce que algunas poblaciones de bacterias tienen ciclos circadianos. Ilias Tagkopoulos Yir-Chung Liu y Saeed Tavazoie parecen haber encontrado el ¿por qué?






Ritmos circadianos en la cianobacteria Synechococcus elongatus


Estos tres investigadores razonaron lo siguiente. Cuando comemos, los alimentos pasan a la boca donde la temperatura está más caliente que en el entorno. Posteriormente la comida pasa al tubo digestivo donde hay poco oxígeno. La secuencia de estímulos sería la siguiente: Incremento de temperatura, disminución de niveles de oxígeno. Dejando de lado el fenómeno físico de que la solubilidad del oxígeno en agua disminuye con la temperatura (a 20ºC es de 8.87 mg/l y a 35ºC es de 6.99 mg/l. ) los investigadores se preguntaron si una población de la bacteria Escherichia coli podría asociar dichos estímulos y responder en consecuencia preparando su metabolismo para unas condiciones anaeróbicas.


En primer lugar lo que hicieron fue realizar un experimento virtual mediante un modelo en ordenador, y allí se encontraron con que dicho comportamiento era posible. Lo segundo fue coger una serie de placas petri inoculadas con E. coli y observar que ocurría con el metabolismo de dichas bacterias cuando se incrementaba la temperatura. Observaron que la expresión de los genes que estaban activados en condiciones de alta concentración de oxígeno eran reprimidos. Finalmente realizaron el siguiente experimento. Tomaron estas bacterias "acondicionadas" y las pusieron a crecer en condiciones en las que al incremento de temperatura le seguía un incremento de oxígeno. Inicialmente las poblaciones respondían al incremento de temperatura de manera "normal" pero errónea para las nuevas condiciones ambientales, reprimiendo los genes para altas concentraciones de oxígeno. Pero al repetir varias veces dichas condiciones (42 ciclos de selección) se han encontrado con que en menos de 100 generaciones se seleccionan cepas de E. coli que muestran el comportamiento opuesto a la cepa parental. Es decir, activan la expresión de sus genes para alta concentración de oxígeno cuando sucede un incremento de temperatura.

Este trabajo podría explicar el comportamiento de algunos microorganismos patógenos que parecen haberse "preadaptado" a las respuestas inmunes del hospedador. Asimismo, anticipar el comportamiento de los microbios podría ayudar a una mejor modelización y diseño de los procesos de microbiología industrial. Incluso se podría llegar a "entrenar" a dichos microorganismos industriales.

miércoles, 7 de mayo de 2008

Biofilms: ni contigo, ni sin ti.

En el ultimo número de la revista digital PLoS Pathogens aparece un artículo sobre la relación entre la capacidad de formar biofilms o biopelículas y su relación con la patogenicidad de la bacteria Staphylococcus aureus.

Un biofilm es una comunidad microbiana de células adheridas a una superficie en la que las células se mantienen unidas gracias a una matriz extracelular. Pueden ser una simple monocapa de bacterias sobre una superficie a un tapete microbiano tan complejo que podríamos considerarlos auténticas "ciudades microbianas".





Un ejemplo típico de biofilm es el sarro dentario, pero hay muchísimos más. Si una bacteria forma parte de un biofilm obtiene una serie de ventajas: disponibilidad de nutrientes por parte de otras bacterias o por concentración de los mismos en el sustrato, protección frente a la depredación por protozoos, creación de consorcios bacterianos. Pero estas ventajas son mucho más aparentes en el caso de las bacterias patógenas como S. aureus. La formación de un biofilm es la causa de muchas infecciones crónicas pues el patógeno puede resistir los ataques del sistema inmunitario y ser mucho menos sensible a la acción de los desinfectantes o los antibióticos (en una entrada anterior vimos este aspecto). También son la causa de focos de infección cuando se forman sobre materiales e instrumental sanitario como catéteres o filtros.


Pero el biofilm también tiene una "desventaja". Si la bacteria siempre estuviera embebida en la matriz extracelular no podría diseminarse y colonizar otros hábitats, o en el caso de un patógeno, no podría infectar nuevos hospedadores. Esta claro que no ocurre así, luego debe de existir un mecanismo que asegure el "desapego" y las "ganas de independizarse" de algunas bacterias cuando forman parte de un biofilm.



Vibrio cholerae y biofilms



Lo que han encontrado los investigadores B.R. Boles y A. R. Horswill es que en S. aureus, la formación o la liberación de las células de un biofilm está regulado por el sistema agr implicado en el mecanismo de quorum sensing, un mecanismo de autoinducción por el cual las bacterias determinan su densidad poblacional a través de una serie de moléculas sensoras. En S. aureus, cuando el sistema agr es reprimido, las células se adhieren a la superficie y forman un biofilm. Pero cuando el sistema agr es reactivado las células se despegan del biofilm. El "despegue" está producido por la producción de proteasas extracelulares que destruyen la matriz extracelular. Al realizar mutaciones sobre el gen que codifica para una de esas proteasas los investigadores han encontrado que las células no son capaces de despegarse y permanecen adheridas al biofilm.




Biofilm de Staphylococcus aureus



Evidentemente tanto esa proteasa como el sistema agr pueden ser objetivos para el diseño de nuevos fármacos antimicrobianos que consiguiesen destruir o alterar estos biofilms.