El lipopolisacárido (LPS)

(El texto NO es de mi propiedad)

El lipopolisacárido (LPS) o endotoxina es el mayor componente de la membrana externa de las bacterias Gram negativas, desempeñan una importante función en la activación del sistema inmune al constituir el antígeno superficial más importante de este tipo de bacterias. El LPS está compuesto por una región lípidica y una glicosídica con funciones separadas y/o sinérgicas lo que hace de esta molécula uno de los factores de virulencia más complejos de comprender. 

La aparición de una molécula capaz de inducir fiebre y enfermedad como consecuencia de una pobre higiene llamó la atención en el siglo XVIII, nombrada en ese entonces como material pirógeno o toxina, cobraría gran importancia en 1872 cuando un bacteriólogo alemán atribuiría la gran mayoría de las muertes en las guerras no a los ataques de tropas contrarias sino a una partícula proveniente de microorganismos a la que llamó Microsporon septicum. En 1874 el patólogo danés Panum, quien extraía sustancias de materia orgánica en descomposición, reportó una sustancia resistente al calor, no volátil, soluble en agua y capaz de inducir fiebre; años más tarde Robert Koch con el desarrollo de las primeras técnicas de cultivo bacteriano, demostró que las bacterias que crecían en éstos, eran capaces de generar sepsis en animales a los que se les inoculaba dichas bacterias; en 1892 Richard Pfeiffer trabajando en el laboratorio de Koch, identificó una molécula resistente al calor proveniente de lisados de Vibrio cholerae causante deshock tóxico en animales, este hecho llamó su atención pues la aparición del shock no se relacionaba con la presencia de bacterias vivas, desde entonces los productos tóxicos secretadas por bacterias vivas se conocieron como toxinas y sus materiales tóxicos constitutivos como endotoxina, (Rietschel & Cavaillon, 2002). Entre 1930 y 1940, gracias al avance en técnicas bacteriológicas, fue posible discernir las primeras características químicas de la molécula, lográndose identificar una porción lipídica y una glicosídica, motivo por el cual recibe el nombre de Lipopolisacárido (LPS). Años más tarde se establecería que el LPS hace parte de la segunda membrana de las bacterias Gram negativas y que no se encuentra en Gram positivas (Rietschel et ál., 1999).

(Rev. Med. Vet.  no.19 Bogotá Jan./June 2010   Lipopolysaccharide  Stefany Romero Hurtado  / Carlos Arturo Iregui )

Estructura química

El LPS es considerado el antígeno de superficie más importante de las bacterias Gram negativas, se estima que una bacteria posee unas 3,5 * 10⁶ moléculas de LPS que ocupan un área de 4,9 µm², si la superficie aproximada de una bacteria oscila entre 6-9 µm² el LPS correspondería a las ¾ partes de la superficie bacteriana, siendo así el mayor componente de la membrana externa en este tipo de microorganismos (Mayeux, 1997; Raetz & Whitfield, 2002).

La molécula se compone de dos regiones un glucolípido llamado lípido A y un heteropolisacárido conocido como núcleo o core unidos entre sí por el azúcar (KDO). El lípido A  es la fracción activa y está anclado a la bacteria.

El core se subdivide en core externo y en core interno. En algunos microorganismos el LPS presenta una región sacárida adicional conocida como antígeno O el cual es un polímero de unidades repetidas altamente variable entre especias bacterianas (Mandrell & Apicella, 1993). Dada esta variabilidad se designa a un LPS como lipopolisacárido (LPS) cuando presenta las fracciones lipídicas, core y antígeno O, y como lipooligosacárido (LOS) cuando presenta únicamente las fracciones lipídicas y core, al LPS además se le conoce con el nombre de LPS liso porque al sembrar en agar gel bacterias con este tipo de LPS sus colonias crecen con bordes lisos y al LOS con el nombre de LPS rugoso porque sus colonias crecen con bordes irregulares de apariencia rugosa (Mandrell & Apicella, 1993; Rietschel et ál, 1994.

Propiedades biológicas

Potente acción endotóxica 

Principales responsable del shock inducido por bacterias Gram negativas

Mantenimiento y organización de la membrana externa

Mimetismo molecular, inhibición de anticuerpos, variaciones antigénicas. 

Activador del sistema inmune y mediación en la adherencia a las células y tejidos.

Acción endotóxica

El LPS liberado entra en contacto con varias proteínas del hospedador, destaca la proteína de unión al LPS (LBP) y los receptores CD14, TLR4 y MD-2 (Brandtzaeg, 1996; Rietschel et ál., 1996; Backhed et ál., 2003; Lu et ál., 2008). La proteína LBP es la encargada de capturar al LPS y formar el complejo LPS-LBP facilitando, de esta manera, la asociación del LPS con el receptor CD14, el CD14 es un glicoproteina que se encuentra en forma soluble o anclada a la superficie celular de monocitos, macrófagos, polimorfonucleares y células endoteliales que no posee dominio intracitoplasmático y que tiene como función principal transferir el LPS al complejo encargado de su reconocimiento (TLR4/MD-2) (Heumann et ál., 1998; Malhotra et ál.,1998). La MD-2 es una proteína soluble que se asocia con el receptor TLR4 (receptor toll o receptor de proteína transmembrana) para llevar a cabo la transducción del LPS (Haziot,et ál., 1988; O'Neill L, 2000; Akira, 2000; Backhed et ál., 2003).

Debido a la utilización de las proteínas con dominios TIR y sus productos finales (citoquinas proinflamatorias o interferones tipo I), la señal de transducción del LPS a través del TLR4 ha sido dividida en dos rutas, la vía dependiente de la proteína MyD88 y la vía dependiente de la proteína TRIF, cada una genera reacciones diferentes, en condiciones normales (ausencia del LPS) este factor se encuentra en forma inactiva en el citoplasma unido al inhibidor del factor KB (INF-kB), pero tras la señal enviada por las proteínas MyD88 o TRIF se activan quinasas del INF-kB que lo separan del NF-kB y lo activan, una vez activo se transloca al núcleo donde se une a la región promotora de los genes de respuesta inflamatoria generando como respuesta final la trascripción de interferones tipo I  si fue activado por la vía del TRIF y de citoquinas proinflamatorias (IL-1, IL6 y TNF ∞) si ocurrió por la vía de la proteína MyD88 (Cannon et ál., 1990; Pinsky et ál., 1993; Pedreira et ál., 2006; Lu et ál., 2008) 

La estimulación del receptor TLR4, la producción de interferones tipo 1 y de citoquinas proinflamatorias inducen varios tipos de respuestas en el organismo tales como, aumento en la permeabilidad vascular, aumento en la expresión de moléculas de adhesión en leucocitos y células endoteliales (Cohen, 2002), estimulación de la producción de nuevas citocinas y quimiocinas, extravasación de neutrófilos para que migren a través del endotelio a los epitelios, activación del factor XII de la coagulación, la fibrinólisis y la vía clásica del complemento. Por ende deben existir vías de inhibición de la señal de transducción del LPS que tiene como fin proteger al hospedador del daño inducido por el LPS (Kobayashi et ál., 2002).

El bloqueo de la señal emitida por el TLR4 puede ocurrir a través de proteínas de superficie celular o por proteínas a nivel citoplasmático; a nivel citoplasmático se encuentran las proteínas TIRAF1 - TIRAF4 (factor 1/4 asociado al receptor de TNF) e IRAK-M (Kinasa 4 asociada al receptor de IL-1) que inhiben al NF-kB y a la proteína MyD88 respectivamente; las proteínas RP105 (radioprotector 105), ST2L (análogo del receptor de IL-1) y la SIGIRR (molécula relacionada con la inmunoglobulina 1) se expresan en la superficie de las células e inhiben directamente al receptor TLR4, a la proteína MyD88 y al TIRAP respectivamente (Liew et ál., 2005). Cuando los mecanismos inhibitorios se agotan y prevalecen las respuestas inducidas por el LPS, los eventos mencionados pueden terminar en shock-endotóxico, fallo multiorgánica y muerte del hospedador.

Cien mil Myxococcus xanthus VS 10 millones de Escherichia coli, un genocidio bacteriano.

No es la primera vez que hablamos en el blog sobre M. xanthus, pero aún así este vídeo bien merece una nueva entrada.  M. xanthus es capaz de organizarse de una forma alucinante, tanto que se la compara con una manada de lobos... mirad el vídeo:

Como podéis ver M. xanthus va avanzando en todas direcciones hasta dar con la enorme colonia de E. coli, una vez la 've' el comportamiento cambia totalmente generando un nuevo tipo de movimiento en oleadas, cada oleada es un ataque coordinado y certero contra el que poco puede hacer el microorganismo presa.

Si te interesan los microoganismos depredadores, puedes leer también esta entrada que escribí para Naukas.

Si tienes curiosidad por el tipo de movimiento de las bacterias, te recomiendo esta otra.

Un breve repaso a la historia, la taxonomía y el proceso de nodulación en Rhizobacterias.

En este blog ya hemos hablado sobre PGPRs, también sobre formas de buscarlos, e incluso hemos tratado de verlos en vídeo.

Nódulos de soja cargaditos de Rhizobios. JJ Gallego Departamento de Microbiología, Universidad de Sevilla.

Sin embargo apenas si hemos hablado de Rhizobium... Las Rhizobios son seguramente el grupo de bacterias, con interés agrónomo positivo, más famosas y estudiadas de la historia. Es importante aclarar que la mayoría de ellas son PGPRs, pues fomenta el crecimiento de las plantas, mediante la fijación de nitrógeno atmosférico aportando una fuente de proteínas.  Sin embargo no todas las PGPRs son rhizobios, ya que no todas tienen una relación tan estrecha y personal con la planta.

Un poco de historia.

La cosa empieza en 1888 donde un genio llamado Beijerinck obtuvo por primera vez un cultivo bacteriano puro de un nódulo de raíz de leguminosa. La bacteria obtenida recibió  el nombre de Bacillus radicicola. Este nombre sería posteriormente cambiado por Frank a "Rhizobium"

Es importante añadir que  Beijerinck fue el primero en usar cultivos enriquecidos, también descubrió la reducción de azufre anaeróbica, y es considerado _un_ padre de la virología.  Pero nos interesa su papel con la fijación de nitrógeno y Rhizobium.

El señor Beijerinck, enfado por no llegar a portada

Para 1929 ya se hablaba de seis especies:  R. leguminosarum, R. trifolii, R.phaseoli, R. meliloti, R. japonicum y R. Lupini La razón para esta clasificación era que se obtenían distintos aislados bacterianos dependiendo de la planta huésped. Siempre se hablaba de especificidad entre bacteria y planta... 

Pero en 1944 Wilson reportó un gran número de nodulaciones que cruzaban las fronteras de las diferentes especies, lo que llevó a, el gran e incomprendido, Graham en 1964 sugerir entre otras cosas, la modificación en la forma de clasificar a estas bacterias, pero al ser en aquellos días un chico joven no se le escuchó demasiado. Dos años después Moffett y Colwell comenzaron a publicar basándose en los resultados de la taxonomía numérica que empezó a cambiar el paradigma "una bacteria-una planta".

Con el tiempo los datos eran ya demasiado aplastantes para mantener la existencia de especies separadas en función de las plantas que nodulaban. Así que durante el año 1974 gracias a Jordan y Allen se llevó a cabo la idea que Graham había sugerido años antes, y se dividió a las seis especies en 2 géneros: Bradyrhizobium y Rhizobium .

Un poco de taxonomía.

Bradyrhizobium incluye las cepas de crecimiento lento, que tienen colonias menores de 1 mm, tras 7 días de crecimiento en placas de YMA. Al género se le asoció una sola especie, B. japonicum. Además R. lupini se incluyó también dentro de ella tras pruebas de hibridación ADN-ADN.

En el género Rhizobium se enmarcaron tres especies. R. leguminosarum, R. meliloti y R. loti. R. leguminosarum incluye tres biovars: bv. viciae que antes era la especie R. leguminosarum; bv. Phaseoli que anteriormente era R. phaseoli; y bv. trifolii que fue la anterior R. trifolii. Las tres biovars constituyen el mismo grupo en taxonomía numérica y en hibridación ADN-ADN, pero corresponden a diferentes grupos de nodulación cruzada. Actualmente la taxonomía de los rizobios se desarrolla rápidamente y durante los últimos 20 años se han descrito muchas especies y géneros nuevos. La aplicación de los métodos de biología molecular en la taxonomía ha ayudado a definir muchos nuevos rizobios. Sin embargo aún hoy día se trata de clasificar siguiendo la tendencia "una bacteria-una planta", pero la facilidad con la que las distintas cepas intercambian sus plásmidos simbióticos dificulta esto.

Hasta la fecha, se han escrito más de 40 especies en 9 géneros para las bacterias que forman nódulos con leguminosas. Todas ellas son bacilos aeróbicos Gram-negativos incluidos en el phylum BXII, Proteobacteria. 

A continuación os pongo una selección de alguno de los géneros y especies, pero hay muchas más, aquí podéis leer sobre ellos en español. He usado la clasificación que Graham recomendó, la que separa por velocidad de crecimiento "brady-meso-rhizo" como lentas-medias-rápidas. Y luego he añadido algunos grupos más.

Bradyrhizobium:

• B. japonicum. Nodula soja
• B. elkanii. Nodula soja
• B. liaoningense. Nodula soja

Mesorhizobium.

• M. loti. Nodula el  Lotus japonicus
• M. huakuii. Nodula a Astragulus.
• M. ciceri. Nodula Cicer arietium
• M. mediterraneum. Nodula Cicer arietum
• M. tianshanense.  Amplio rango de nodulación

Rhizobium.

• R. leguminosarum Nodula Phaseolus
• R. elti Nodula Phaseolus
• R. tropici Nodula Phaseolus
• R. galegae Nodula Phaseolus
• R. giardini Nodula Phaseolus
• R. mongolense
• R. gallicum Nodula Phaseolus
• R. xinjangensie Nodula soja 
• R. sp estirpe NGR234  (Rhizobium con más rango conocido de nodulación en leguminosas y parasponia)

Phyllobacterium.

Fijan nitrógeno formando nódulos en las hojas de dos familias tropicales no leguminosas. Mirshinaceae y Rubiaceae

• P. myrsinacearum.
• P. rubiacearum.

Azorhizobium caulinodans nodula tallos de Sesbania  entrado por grietas. Además es capaz de fijar nitrógeno en vida libre.

Sinorhizobium.

Son importantes ya que son capaces de crecer a gran velocidad en fermentadores lo que supone un importante efecto para su comercialización. 

• S. meliloti: Nodula a Melilotis, Medicago y Trigonella
• S. fredii: Nodula a soja
• S. medicae Nodula alfalfa
• S. saheli Nodula sesbania
• S. taranga Nodula sesbania

Como curiosidad añadir que a las Sinorhizobacterias habría que llamarlas "Ensifer", sin embargo los investigadores como buenos anarquistas se han negado tradicionalmente a ello.

El proceso de nodulación.

Ya hemos hablado de la historia y de como clasificar a estas bacterias pero, ¿cómo se produce esta unión planta-bacteria? ¿Cómo sucede el proceso de nondulación?  Podemos ver rápidamente resumido en el siguiente vídeo:

Para tratarlo con más detalles, y siguiendo las enseñanzas del profesor que me lo explicó, lo dividiré por etapas.

Primera etapa: Reconocimiento.

Anatomía de un nódulo

Nos encontramos en la rizosfera, donde la concentración de microorganismos es muy superior a la que se puede encontrar en otras zonas del suelo. La razón de esta mayor concentración son los exudados producidos por la raíz, estos son una fuente de nutrientes para las bacterias en especial los flavonoides, los cuales por quimiotaxis atraen a los rhizobios.
Existen dos moléculas fundamentales en esta etapa las lectinas y la ricadhesinas. Las lectinas son producidas por la planta y tienen la capacidad de unirse a hidratos de carbono, pudiendo llegar las de carácter bivalentes a generar redes al agregar varias moléculas. Tienen varias funciones entre ellas la de almacenar nutrientes, por eso las semillas son ricas en lectinas. Como curiosidad hay que decir que consumir semillas sin cocinar puede llegar a producir anemia al aglutinar estas a los hematíes.
Los receptores para lectinas en la membrana bacteriana son de carácter transitorio, requieren de la presencia de flavonoides para comenzar a expresarse. Según los trabajos de Frank Dazzo en lectinas de tréboles, la unión de la bacteria al pelo radical está mediada por las lectinas ya que tanto la superficie de la raíz como la bacteria tienen antígenos de reacción cruzada.
Las lectinas y las ricadhesinas actúan pues como mediadores de reconocimiento. La diferencia parece estar en el pH del rizoplano, si las condiciones son de acidez la ricadhersinas se suelta de la bacteria y parece ser que son las lectinas las que actúan, en caso de de pH alto son las lectinas las que se sueltan de la raíz ocurriendo lo contrario.


Segunda etapa: Curvatura del pelo radical.
Cuando tenemos a la bacteria unida al pelo radical, este se va curvando. La culpa de esta curvatura es el desplazamiento del núcleo a una zona más basal, al ir bajando este tira por medio de la actina F y de los microtúbulos del ápice deformando el pelo. Además se produce una inhibición lateral en la zona que está pegada la bacteria lo que hace que esta quede atrapada en el giro de la curvatura. Gracias al giro se forma un "bolsillo de infección" donde las señales emitidas por bacteria y planta se concentran amplificando su potencia.

Nódulos.
The EMBO Journal (2007) 26,
3923–3935,
 doi:10.1038/sj.emboj.7601826

Tercera etapa: Penetración.

Aún no está muy claro como ocurre la penetración de la pared vegetal, se piensa que podría ser por ataque enzimático. La poligalacturonasa es un enzima de la planta que degrada pared vegetal, se sabe que al llegar rizhobium se incrementa la presencia de dicha enzima, pero en el ME las fracturas aparecen como cortes limpios, fracturas totales, algo que no se esperaría de ataques enzimáticos.

En cualquier caso al romperse, se da una invaginación de la membrana vegetal que nunca llega a romperse, pero va estirándose hacía el interior de la raíz llevando dentro a los rhizobios y formando el cordón o tubo de infección. Las células que entran en contacto con este cordón, activan su actividad mitótica. comenzando a diferenciar la forma del nódulo que puede ser: indeterminado  (cilíndrico), en el cual las células que se dividen son células de capas profundas. O determinado (esférico), que vienen de células del cortex.

Cuarta etapa: Liberación.

En el cordón de infección empieza a darse una diferencia entre el crecimiento de la pared y de membrana, ya que la pared no puede seguir la elongación de la membrana, y poco a poco va quedando más cantidad de membrana desnuda, hasta que las bacterias queda en una zona donde no hay pared. La membrana citoplasmática comienza a cerrarse sobre si misma y se suelta finalmente, así rhizobium queda dentro de la célula cubierto por membrana de la planta que se irá diferenciando como membrana peribacteroide.

Las células que van internando paquetes de bacterias dejan de dividirse, contrariamente a las que han tenido contacto únicamente con el cordón de infección que se dividen rápidamente. Dentro las bacterias no paran de dividirse hasta ocupar prácticamente todo el espacio dentro de la célula vegetal. En muchos casos las células infectadas llegan a ser poliploides (hasta 16 núcleos) pero nunca llegan a dividir su citoplasma. 

Este proceso de divisiones no es eterno, llegado un punto tanto los núcleos de la célula vegetal como las bacterias dentro de los orgánulos rodeados de peribacteroide cesan sus divisiones. En ese momento las bacterias empiezan a transformarse en bacteroides su forma simbiótica. Es en esta forma en la que fijan nitrógeno atmosférico.

Cuando Rhizobium se convierte en bacteroide llega a incrementar su volumen hasta 40 veces, pierde la capacidad de división y otras muchas estructuras. La planta alimenta al bacteroide con ácido dicarboxílico como si estuviese engordando ganado. Por si fuese poco la planta también hace circular por el nódulo leghemoglobina, una globina que permite que los bacteroides respiren, pero reduce el oxígeno libre presente, que podría inutilizar la maquinaria de fijación de nitrógeno (muy sensible al oxígeno).

Nódulo de soja partido por la mitad

JJ Gallego Departamento de Microbiología, Universidad de Sevilla.

La ventaja para los rhizobios no está clara. Mientras que la planta obtiene una fuente de proteínas, ellos una vez convertidos en bacteroides, tienen muchísima dificultad para volver a formar colonias, en muchos casos no hay vuelta atrás. Podríamos pensar que el nódulo es una trampa para bacterias fijadoras, una jaula dorada... O quizás la ventaja esté en las bacterias que se quedaron en el tubo de infección, allí viven de forma saprófita, no fijan, no tienen depredadores ni competidores, y cuando la planta muere salen libres.

En cualquier caso aún hay muchas cosas por descubrir en este proceso de nodulación y en la relación tan íntima entre dos especies tan lejanas que tan importantes son para nuestra vida.  Pero de eso, de su importancia habrá que hablar otro día.

Este post participa en la XX edición del Carnaval de Biología, que hospeda Multivac42 en su blog Forestalia"

Este post participa en la XXI Edición del Carnaval de Química que se aloja en  Pero es otra historia y debe ser contada en otra ocasión que hospeda  ununcuadio.

Pseudomonas, Rohirrim, leucocitos y olifantes

Hace bastante tiempo hablamos sobre Pseudomonas, hoy vuelvo a hacerlo debido a una increíble imagen que he visto en Cell.

El genoma suele incrementarse, aunque no siempre, con la complejidad.

Sacado de aquí.

Como veis, el tamaño de los genomas está entre los 600 y los 4.000.000pb. Parece ser que el incremento de tamaño se relaciona con una mayor capacidad metabólica y adaptativa... Decían algunos que el tamaño del genoma era algo así como la inteligencia del organismo. No estoy conforme con tal afirmación, al menos, no en un mundo que no esté dominado por lagartos y flores...Pero parece una aproximación aceptable.

Si nos ceñimos a esa idea, y os digo que el tamaño del genoma de Pseudomonas supera los 6.000.000pb... ya os podéis imaginar la de capacidades que tiene esta bacteria. Su diversidad de hábitats, su capacidad de interacción con todo tipo de organismos, su terrible potencia como bacteria social, y su elasticidad metabólica la convierten en mi bacteria favorita.


Bueno, volviendo al tema..."La foto" en cuestión de la que os hablo es la siguiente: 

Taking out the defender by Maria Alhede and Thomas Bjarnsholt, University of Copenhagen By Cell

En ella vemos como un ejercito de Rohirrims corre bajo varios Olifantes, esquivando sus ataques, saltando sobre ellos y dándoles caza... Esto... vemos como un biofilm formado por Pseudomonas aeruginosa sobre una protesis de silicona se enfrenta a un grupo de leucocitos polimorfonucleares. La imagen es sencillamente brutal.

Por supuesto no íbamos a ser menos, y desde el blog hemos recreado la retirada de los orcos hacía Mordor vista a 100x y usando un poco de lugol. Enviamos mensajeros a Válinor con muestras de estos orcos (16S) para ponerles nombre lo antes posible. Mientras tanto la guerra continúa.





Y si, lo admito...soy un friki, aunque no el único...

El sexto sentido bacteriano

Scanning electron micrograph depicting a mass of Yersinia pestis bacteria (the cause of bubonic plague) in the foregut of the flea vector

Credit: Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH

 Los seres vivos están inmersos en un universo de cambios constantes: temperatura, pH,  nutrientes, depredadores… Esta situación hace que los organismos tiendan a poseer sistemas que les permitan detectar estímulos ambientales y convertirlos en señales que generen respuestas apropiadas.  Existen muchos ejemplos de respuestas por parte de los seres pluricelulares… sensores acoplados al sistema nervioso, a sistemas hormonales o incluso las fitohormonas de las plantas. Esta  estrategias generan respuestas celulares de todo tipo… pero, ¿qué ocurre con las bacterias?

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Espiando bacterias.

Las bacterias tienen complejos sistemas de comunicación, quizás no tan complejos como los que poseemos los craneatas, aunque yo personalmente más que de complejidad prefiero hablar de "variedad". Estrategias muy distintas para la comunicación entre individuos.

Uno de estos sistemas se llama: quorum sensing.

Existen multitud de manuales, textos divulgativos e información general al respecto de los mecanismos moleculares que están tras el quorum sensing (QS). Por ello no entraré en temas técnicos.

Las bacterias no tienen ojos ( ¡ y no vale la Bacteriorodopsina como excusa ! ) tampoco oídos ni correo electrónico. Viven en apariencia incomunicadas, aisladas del mundo que les rodea... Sin embargo continuamente vemos que son capaces de colonizar todo tipo de medios, de estar en el lugar adecuado y muchas veces dar el golpe de gracia en el momento preciso a organismos mucho más "complejos" que ellas. Y no sólo esto, existen muchos ejemplo de comunidades bacterianas que viven "colaborando" y modificando el medio que les rodea como si se tratase de pequeñas ciudades, iluminando grandes extensiones de océano y colonizando tejidos sin que el sistema inmune se de ni cuenta.

Tanto las pequeñas ciudades bacterianas (Biopelículas) como los fenómenos de luminiscencia, y tantos otros fenómenos "macroscópicos" que pueden realizar las bacterias dependen casi siempre de QS.

¿Qué es el QS en pocas y nada científicas palabras?

Imaginad que estáis en un lugar oscuro, no veis absolutamente nada y queréis saber si estáis solos o no. ¿Qué podrías hacer? , ¿gritar?

- ¿ Hay alguien por aquiiiií ?

Pues eso es básicamente el QS, bacterias que "gritan" esperando respuesta de otras compañeras. Su forma de gritar es sintetizar unas moléculas llamadas AHLs, que se transcriben de forma constitutiva. Cada vez que una bacteria detecta la presencia de AHLs, sabe que hay más individuos cerca. Llegado el momento detectará si los individuos cercanos son los suficientes para que pasar de actuar como un individúo a actuar como una comunidad sea rentable. Básicamente evita trabajar en equipo si sabe que no hay bastantes miembros que aseguren el éxito de la operación.

Biofilm formado por Pseudomona aeruginosa. |Wiki

Como en la foto de arriba, ¿qué sentido tiene malgastar tus recursos en producir sustancias que cementen una ciudad...si estás solo? Las biopelículas formadas por muchas bacterias incluso de distintas especies, necesitan comunicación constante para su formación y mantenimiento.

Para la guerra ocurre algo similar, si las bacterias deciden iniciar un ataque, ya sea contra otras bacterias o contra un organismo al que invaden, deben hacer la batalla todas a la vez y siempre que sean las suficientes como para eludir las defensas del hospedador. Por eso gracias al QS, son capaces de esperar pacientes el momento idóneo, como si de estrategas militares se tratase, esperando ser suficientes unidades para que la batalla sea victoriosa.

El caso de la bioluminiscencia, es sin duda, de los más conocidos y estudiados. Podéis buscar bastante información tan sólo nombrando la bacteria Vibrio fischeri, la cual también hace uso de su luminiscencia por mecanismos de QS. Tiene poco sentido invertir energía en producir luz cuando eres un organismo microscópico y vives en el inmenso océano.... pero la cosa cambia cuando sois innumerables bacterias flotando juntas. Sobre la utilidad de la bioluminiscencia, existen numerosas hipótesis, por mi parte me quedo con una que explican en este vídeo (¡Aunque el vídeo se refiere a dinoflagelados, no a bacterias!)

Quizás en el caso de las bacterias el sentido último sea otro totalmente distinto, pero la solución del vídeo me parece tan elegante...

No hay que confundir nunca los fenómenos de luminiscencia con los de fluorescencia, aunque la fluorescencia también depende de densidad celular para ser visible, no siempre depende de QS para producir los distintos pigmentos fluorescentes (que no luminiscentes)

En otras palabras, la producción de sustancias que sean fluorescentes puede ser parte del metabolismo secundario de los microorganismos, y estar activa siempre aunque sólo sea visible cuando la densidad celular es muy elevada. Mientras que la luminiscencia es una propiedad emergente obligada, que requiere de QS para activarse en la mayoría de las bacterias.

Recapitulando, el idioma de las bacterias se llama quorum sensing (QS), en lugar de sonidos y palabras usan unas moléculas llamadas AHLs (no en el caso de muchas gram positivas). Cada especie posee un "idioma" o "dialecto" para hablar entre ellas, y otros que usan, quizás, para comunicarse con bacterias de otras especies y géneros.

¿Como saber si una bacteria produce QS?, pues... ante tanta palabra y tanto grito en idiomas incomprensibles... lo mejor es: ¡ una bacteria chivata !

Chromobacterium violaceum es en este caso la elegida, esta bacteria produce un pigmento llamado violaceina al detectar AHLs (no todos por supuesto). Tomando un característico tomo violeta cuando detecta estas moléculas en una concentración adecuada.

Usando un mutante incapaz de producir sus propias AHLs pero con el resto de mecanismos totalmente funcionales podremos detectar, sin mucho problema AHLs de otras bacterias...

El resultado es este:

Prueba para AHLs usando CV| Raven Microbiología US

Podemos observar como dos de los huecos dan color violeta, (ambos cerca de las letras rojas de LB) C. violaceum crece ocupando toda la superficie, mientras que en los huecos lo que hay es sobrenadante de las bacterias que queremos estudiar. Por eso las C. violaceum que cambian de color cerca de estos son las que han detectado AHLs, y por ello actividad QS.

Esta prueba no es definitiva, puede que las bacterias que estudiamos hablen un idioma que C. violaceum no domine, o puede que hablen muy muy bajito....

Por ello existen otras pruebas más sensibles, usando otras bacterias que tienen por ejemplo actividad beta galactosidasa. Estas bacterias comienzan a mostrar esta actividad cuando detectan las moléculas de AHLs contenidas en los sobrenadantes, generando ese color azul tan conocido en los laboratorios.

Prueba para AHLs usando actividad Bgal en NT1 | Raven Microbiología US

En la foto podemos ver distintos grados de actividad, cuanto más grande el circulo azul, podríamos suponer que la bacteria más "fuerte habla", o "grita", según se mire.

Esta prueba no depende como ya decíamos de C. violaceum, en este caso la bacteria chivata se llama Agrobacterium tumefaciens, y viene equipada con un detector que cuando localiza AHLs inicia la actividad beta galactosidasa lo que produce ese color verdeazulado.

Como podemos ver, las bacterias no son organismos aislados ajenos al exterior y que van vagando de aquí por allá sin rumbo ni objetivo. Todo lo contrario, las bacterias se comunican, se coordinan, trazan planes de conquista, y urbanizan tus dientes haciendo de cada muela que pueden ocupar un auténtico complejo hotelero.

La comunicación y la actitud "social" no son monopolio, como muchas veces nos quieren hacer creer, de los seres "complejos". Hace muchos años que se conoce la existencia de los microorganismos, y sin embargo hasta principios de los 90 no se comenzó a hablar de comunicación entre bacterias. Existen en mi opinión prejuicios ante todo bicho que no tenga un encéfalo, la manía de considerar estúpido todo aquello que no se parezca a nosotros... Pero todos vivimos en la misma "placa de petri" por ello cada vez cobra más importancia conocer las interacciones (microbiómica, metagenómica, interactómica...) que existe entre los componentes de este juego, y me temo aunque a muchos duela, las bacterias son una pieza fundamental.

PD: Agradecimientos a Ramón A. Bellogin, por ayudarme y enseñarme con tanta paciencia a montar los test.

“Esta entrada participa en la XI edición del Carnaval de Biología, y en la XIII edición del Carnaval de Química, organizados por el blog Ciencia y alguna otra cosa” y Curiosidades de un químico soñador .

¡ No puedo creer que no sea.. sangre !

Y es que nuestra mente tiende a establecer relaciones bastante simples, esto nos ayuda a sobrevivir día tras día, y otras veces nos lleva al autoengaño. Autoengaño que luego termina siendo un día de fiesta.

¿Cuál es la relación lógica de la que hablo? Pues una muy simple, si cortas o pinchas algo... y suelta un liquidillo rojo, ¡ tiene que ser sangre ! ¿Qué iba a ser si no?

Corría el año 1263 y el papa Urbano IV junto a sus más cercanos andaba veraneando en una zona costera al norte de Roma. Se decidió celebrar una eucaristía que casualmente le tocó organizar a un sacerdote que pasaba en aquellos momentos por una profunda crisis de fe.

Nuestro sacerdote preparaba poco convencido la consagración del pan y el vino, cuando a la hora de partir el pan, este comenzó a...¡ gotear sangre manchándole su hábito !

Por supuesto el Papa Urbano IV declaro aquel día como festivo, y lo llamo el día del Corpus Christi, más tarde Rafael inmortalizó tal milagro en el fresco: “El milagro de Bolsena”

El fresco representa la típica misa cristiana: señoras y niños a un lado, señores armados al otro. Un poco más arriba monjes, y monaguillos. Al centro nuestro héroe y el Papa...y coronado la escena dos señores que hacen de espectadores agazapados | Fuente.

Pero por supuesto no era la primera aparición de esta "sangre" que sale del pan.

Ya ayudó a Alejandro Magno con la difícil conquista de la ciudad de Tiro, la cual resistía a meses de asedio, agotando al conquistador, hasta que ocurrió lo siguiente.

"…unos soldados, en el momento de cortar unas rebanadas de pan, vieron brotar unas gotas de sangre; el rey se asustó y Aristandro, el más entendido de los adivinos, declaró que si la sangre hubiera circulado desde fuera hacia adentro hubiera sido un mal presagio, pero puesto que fluía de dentro hacia fuera, era un buen augurio: anunciaba la victoria sobre la ciudad sitiada".

Quinto Curcio Rufo “Historia de Alejandro”:

Durante la historia ocurrieron bastantes más anécdotas protagonizadas por nuestro misterioso pigmento sangriento. Y así fue hasta 1819 cuando Vincenzo Sette y poco después Bartolomeo Bizio miraron al fenómeno de forma científica, entonces decidieron que el color era causado por un hongo al que llamaron: Serratia marcescens (Serratia: de Serafino Serrati un físico que creó una máquina de vapor en 1787 y marcescens del latín “macerado, marchitado”)

Es habitual, supongo, confundir hongos con bacterias, sobretodo cuando se producen pigmentos tan llamativos, pero...¿qué es este pigmento?

Este pigmento se conoce como Prodigiosina, y no empezó a llamar mi atención hasta que por casualidad, (o quizás causalidad) apareció en una de mis placas durante una práctica.

Mi preciosa placa llena de S. marcescens produciendo prodigiosina en los límites de las colonias. Si si..es un aislamiento terrible, ¡ pero no me lo tengáis en cuenta !

La prodigiosina es un producto del metabolismo secundario de muchas bacterias, depende de quorum sensing, y actúa cuando los nutrientes del medio (especialmente el fósforo) escasean.

Prodigiosina | Wikipedia.

Para entendernos, la prodigiosa prodigiosina, es el arma definitiva de Serratia. El pigmento no sólo es antibacteriano, lo que elimina a posibles bacterias competidoras a la hora de usar el alimento y el espacio en el suelo, el pan, la placa de cultivo o una semilla de maíz. Además también es: antihongos, antiprotozoos, (entre ellos el protozoo de la malaria). Es incluso un inmunodepresor con propiedades anticancerígenas.

Lo que en resumen podríamos llamar "antibiótico de espectro total"...

Está claro que la dura vida en el suelo, el pan de las iglesias y nuestros intestinos ha obligado a esta genial bacteria a desarrollar un arma no menos impresionante. Un arma que no sólo ha permitido la conquista de ciudades, la experimentación con armas biológicas, la demostración del contagio por el habla...sino que nos ha regalado nada más y nada menos que: ¡ un día de fiesta !

Así que, en mi opinión, si eres Sevillano, Granadino, o de cualquier otra zona que aún celebre esta fiesta... qué menos que dar las gracias a esta genial bacteria gram negativa de rojos pigmentos y tan interesante historia por tu día de descanso :D

Para saber más sobre datos históricos: Serratia marcescens la bacteria prodigiosa.

Para escuchar: Serratia en el PodCast del Microbio

Este Post participa en la VI edición del Carnaval de Biología, que este mes alberga mi héroe el señor Copépodo en su blog Diario de un Copépodo.