Resumen durante la vida cotidiana nos encontramos en contacto con distinto tipo de bacterias




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títuloResumen durante la vida cotidiana nos encontramos en contacto con distinto tipo de bacterias
fecha de publicación21.01.2016
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Pseudomonas aeruginosa: una bacteria fascinante y temible
Gloria Soberón Chávez
Departamento de Biología Molecular y Biotecnología, Instituto de Investigaciones Biomédicas, Universidad Nacional Autónoma de México, Apdo. Postal 70228, México D. F. 04510. México

RESUMEN

Durante la vida cotidiana nos encontramos en contacto con distinto tipo de bacterias. Pseudomonas aeruginosa es una bacteria que se encuentra ampliamente distribuida en la naturaleza, se puede aislar de muestras de suelo, aguas pristinas y contaminadas, así como de plantas, animales y hasta de personas sanas. Todos estamos cotidianamente en contacto con ella, como con otras bacterias. Sin embargo al ser un patógeno oportunista infecta a personas con bajas defensas como quemados, pacientes en terapia intensiva o con SIDA. En muchos de estos casos la infección es mortal pues tiene una alta resistencia natural a diversos antibióticos. Por otra parte, P. aeruginosa infecta con gran frecuencia los pulmones de pacientes con fibrosis quística, un padecimiento genético, y tiene una alta tasa de mortalidad en estos casos. Todas estas características conllevan a que las infecciones por P. aeruginosa representen un problema de salud importante. Por otra parte esta bacteria es capaz de utilizar una enorme variedad de compuestos orgánicos como sustrato para crecer, incluyendo detergentes recalcitrantes, y produce algunos compuestos que la hace útil en el tratamiento de la contaminación. El estudio de esta bacteria es pues de importancia tanto clínica como biotecnológica. En mi laboratorio hemos trabajado con P. aeruginosa usando distintos enfoques. Aislamos una cepa de la selva de Chiapas que producía gran cantidad de una enzima con uso potencial en detergentes para degradar grasas. A partir de una planta de tratamiento de aguas residuales en Cuernavaca aislamos otra cepa que puede degradar un detergente recalcitrante y actualmente estudiamos la producción de un surfactante que además de ser útil en la limpieza de suelos contaminados con hidrocarburos o metales pesados, participa en la virulencia de esta bacteria.
LAS BACTERIAS

Generalmente consideramos a las bacterias como microorganismos causantes de distintos padecimientos y pensamos que si seguimos las reglas de higiene recomendadas no entraremos en contacto con ellas. Esta idea es incorrecta pues nuestro contacto con las bacterias es continuo. De hecho gran parte de nuestra masa corporal está formada por bacterias y la interacción con estos microorganismos nos permite vivir saludablemente. Es por esto que frecuentemente después de un tratamiento con antibiótico nos sentimos mal y decimos que se debe a que se murió la flora intestinal, esta flora está constituida por bacterias en su mayoría.

Pero, ¿qué son las bacterias y cómo se distinguen de otros microorganismos? Hasta hace pocos años las bacterias se definían como organismos unicelulares microscópicos que carecían de núcleo y otros organelos subcelulares (procariotes). Fue hasta el final de la década de los 70’s que se reconoció que dentro de los procariotes había dos grupos tan diversos entre sí como pueden serlo los procariotes y los eucariotes (los organismos que tienen células nucleadas, entre los que se encuentran las plantas y los animales), Estos dos tipos de procariotes se denominan arqueas y bacterias. Las arqueas generalmente viven en condiciones extremas de temperatura o salinidad, por ejemplo, y no se conoce ningún patógeno humano perteneciente a estos procariotes, mientras que las bacterias establecen relaciones frecuentemente con los eucariotes.

Durante siglos se aislaron bacterias relacionadas tanto con el desarrollo de enfermedades en el hombre como en la industria de los alimentos, entre otras, y se les clasificó según algunas propiedades morfológicas (bacilos, cocos o espiroquetas), de tinción (tinción de Gram, entre otras) y sus propiedades bioquímicas (utilización de fuentes de carbono, por ejemplo). Esta clasificación no permitía, sin embargo, establecer relaciones taxonómicas entre estos organismos, ni su relación evolutiva con los organismos eucariotes uni o pluricelulares. Es decir no se sabía qué bacteria estaba más relacionada evolutivamente con otra, ni cuál de ellas se parecía más a los eucariotes. Se decía que las bacterias eran seres inferiores, menos evolucionados que los organismos macroscópicos.

Esta concepción cambió y se pudo establecer un árbol filogenético de todos los seres vivos cuando se usaron las secuencias de algunas moléculas presentes en todas las células como relojes moleculares. La molécula usada como reloj molecular de la que hay más información disponible en bases de datos de acceso público es el RNA de la subunidad pequeña de los ribosomas (srRNA). Mediante la medición de la tasa de cambio de esta molécula entre distintos organismos se pude construir un verdadero árbol de la vida en la que se distinguen tres grandes reinos, las bacterias, las arqueas y los eucariotes (Fig.).

Por otra parte, el aislamiento de los genes que codifican para estos RNAs a partir de muestras ambientales ha permitido establecer que existen una gran cantidad de microorganismos que no habían sido detectados antes y muchos de ellos hasta la fecha no han podido ser cultivados. Se calcula que más del 90% de los microorganismos que están presentes en el suelo, por ejemplo, no se han cultivado, y por tanto se desconoce cuáles son sus propiedades. Esto es, sabemos que existen muchos tipos de bacterias, pero desconocemos las características de la inmensa mayoría de ellos.
DIVERSIDAD GENÉTICA DE LAS BACTERIAS

El estudio de la tasa de cambio de los srRNA no sólo nos ha permitido determinar las relaciones filógenéticas entre todos los organismos vivos, sino que nos ha permitido medir qué tan distintos son genéticamente. El resultado de estas determinaciones es realmente asombroso, pues la diversidad genética de las bacterias es enorme. Por ejemplo la diversidad genética que hay entre el maíz y el hombre es mucho más pequeña que la que hay entre dos bacterias, como pueden ser Escherichia coli y Bacillus subtilis (Fig.), y casi despreciable si se compara con la de una bacteria y una arquea (Fig.). Esta gran diversidad contrasta con la idea que teníamos hasta hace pocos años acerca de que todos los procariotes eran muy similares. Otro punto que nos permite valorar la gran diversidad genética de las bacterias proviene de la comparación de srRNA de la misma especie bacteriana, si comparamos la secuencia de esta molécula de distintas cepas pertenecientes a la misma especie podemos ver que la variabilidad entre ellas es más grande que la presentan todos los primates, incluido el hombre, por citar un ejemplo.

En el año 1995 se reportó por primera vez la secuencia completa del genoma de un organismo, se trató de la bacteria Haemophilus influenzae. Actualmente contamos con cientos de genomas bacterianos secuenciados y en algunos casos con varias cepas de la misma especie. Esta nueva era genómica nos ha permitido percatarnos que los eventos de transferencia horizontal de genes (el intercambio genético entre organismos que no están emparentados) entre bacterias son muy frecuentes, mucho más que entre los eucariotes, Así pues, podemos considerar que los genoma bacterianos son en realidad “mosaicos” genéticos, en los que distintos genes tienen historias evolutivas diferentes. A la información que es compartida por todos los miembros de una misma especie bacteriana y que por tanto determina sus características esenciales se le llama “core” del genoma. En el caso de Escherichia coli el “core” es sólo de alrededor del 30% del genoma de un aislado. La estructura de mosaico de los genomas bacterianos y su gran variabilidad genética han llevado a cuestionar si la manera en que las bacterias evolucionan es la misma en que lo han hecho los organismos macroscópicos.

Pseudomonas aeruginosa

Pseudomonas aeruginosa es una bacteria Gram-negativa perteneciente a la rama  de las proteobacterias, misma a la que pertenece E. coli que es la bacteria más estudiada a nivel molecular. P. aeruginosa se puede aislar de muestras de suelo, aguas pristinas y contaminadas, así como de plantas y animales. Todas las cepas son potencialmente patógenas para el hombre y algunas pueden infectar también a plantas, a algunos invertebrados como Caenorhabditis elegans y a insectos como Drosophila melanogaster. Esta bacteria es capaz de utilizar una enorme variedad de compuestos orgánicos como sustrato para crecer, capacidad que le permite colonizar nichos en los que son escasos los nutrimentos que otros organismos pueden asimilar. Se ha reportado el aislamiento de P. aeruginosa de ambientes tan inhóspitos como son el combustible de avión, soluciones de clorhexidina y el jabón.

P. aeruginosa tiene importancia para el hombre tanto porque le representa problemas, como porque puede ser útil en el tratamiento de la contaminación ambiental. Contrariamente a lo que parece, todos nosotros estamos en contacto diariamente con P. aeruginosa, ya que se encuentra en bajas cantidades en nuestros alimentos y en algunos artículos de limpieza. De hecho, se obtienen aislamientos de esta bacteria a partir de entre el 2 y el 8% de las heces de personas sanas, lo que nos muestra que nuestro contacto con esta bacteria es cotidiano y sólo representa una amenaza para nuestra salud en condiciones especiales, como veremos a continuación.

P. aeruginosa representa un problema importante de salud en centros hospitalarios, especialmente cuando se trata de pacientes con cáncer, quemados o a los internos en terapia intensiva. Una vez que se establece la infección, P. aeruginosa produce una serie de compuestos tóxicos que causan no sólo daño tisular extenso, sino adicionalmente interfieren con el funcionamiento del sistema inmune. Esta situación se ve agravada por la dificultad para tratar las infecciones por P. aeruginosa, ya que esta bacteria presenta una muy alta resistencia natural a distintos antibióticos y a desinfectantes.

Existe un grupo poblacional especialmente vulnerable a las infecciones con P. aeruginosa formado por los enfermos de fibrosis quística, un padecimiento genético. P. aeruginosa coloniza muy eficientemente el tracto respiratorio de estos pacientes, y a medida que progresa la infección se seleccionan derivados mucoides de la bacteria que producen grandes cantidades del exopolisacárido alginato. Una vez que se establece una infección por cepas mucoides de P. aeruginosa en los pulmones de pacientes con fibrosis quística, éstos están en la etapa terminal de la enfermedad. Esto se debe a que estas cepas no pueden ser eliminadas por el sistema inmune y, hasta el momento, no existe un tratamiento efectivo contra cepas mucoides.

Por otra parte, en ambientes acuosos esta bacteria se adhiere a superficies, produciendo una especie de agregado llamado biopelícula. La formación de estos cúmulos de bacterias y material extracelular representa un problema de salud pues contamina dispositivos que se implantan dentro del cuerpo, como por ejemplo dispositivos intrauterinos, catéteres o válvulas cardiacas. Las biopelículas también representan un problema en el proceso de producción de diversas industrias pues provocan taponamiento y corrosión de conexiones y filtros.

Asimismo, P. aeruginosa presenta problemas en la industria alimenticia ya que puede descomponer los alimentos que se mantienen en refrigeración al mantener un metabolismo basal en estas condiciones y producir enzimas hidrolíticas.

Como mencioné antes, a la vez que P. aeruginosa causa al hombre distintos problemas, esta bacteria tiene diversas aplicaciones biotecnológicas, sobre todo en el área ambiental. Así se sabe que es uno de los pocos organismos capaces de degradar compuestos contaminantes como los alcanos de cadena ramificada; que produce biosurfactantes que son útiles para la limpieza de suelos contaminados con hidrocarburos o con metales pesados; y que produce enzimas, como la lipasa, con distintas aplicaciones potenciales.

Desde un enfoque básico P. aeruginosa representa un modelo de gran interés que ha sido estudiada desde múltiples enfoques. De hecho P. aeruginosa es una de las bacterias más estudiadas a nivel molecular y el genoma de varias cepas ha sido secuenciado.

Por otra parte, P. aeruginosa se puede considerar una bacteria ambiental, pero todos sus aislamientos son potencialmente patógenos para el hombre. Es extraordinario el caso de esta bacteria, ya que la secuencia de su genoma está altamente conservada entre los distintos aislamientos tanto clínicos como ambientales y los factores de virulencia forman parte del “core” de su genoma. Por otra parte, a diferencia de otras bacterias el “core” representa una proporción mayoritaria del genoma (más del 70%). Es también una característica particular de esta bacteria el arreglo de los genes que intervienen en la virulencia de la bacteria, ya que no están codificados en las llamadas “islas de patogénesis” como en las demás bacterias patógenas, sino se encuentran interdispersas en su cromosoma formando parte del “core”.


La colonización de distintos ambientes por P. aeruginosa y la patogenia de los aislamientos ambientales nos plantean interrogantes evolutivas muy importantes que hacen fascinante el estudio de P. aeruginosa. Entre otras podemos hacernos las siguientes preguntas: ¿qué ventaja selectiva le da la producción de los factores de virulencia a P. aeruginosa viviendo en el medio ambiente?, ¿cómo puede P. aeruginosa adaptarse a ambientes tan diversos?, y ¿por qué es distinto el arreglo genético de los genes que intervienen en la virulencia de la bacteria al de otras bacterias patógenas? El estudio de esta bacteria nos permitirá, pues, contestar problemas fundamentales acerca de la manera en la que se adapta a múltiples condiciones ambientales.

En el laboratorio a mi cargo del Instituto de Investigaciones Biomédicas de la UNAM estudiamos la genética molecular de la producción del surfactante ramnolípido por P. aeruginosa. Este detergente puede ser usado para la limpieza de suelos contaminados con petróleo u otros hidrocarburos, así como por metales pesados, de modo que tener cepas que produzcan grandes cantidades de este compuesto es de interés biotecnológico. Por otra parte P. aeruginosa produce los ramnolípidos de una manera coordinada con diversos factores que intervienen en la virulencia de la bacteria. Así que entender la regulación de la producción de ramnolípidos nos puede permitir entender los mecanismos de virulencia de la bacteria y proponer estrategias para combatir sus infecciones.

En años anteriores aislamos una cepa de P. aeruginosa (W51D) de una planta de tratamiento de aguas de la ciudad de Cuernavaca, Mor., que es capaz de degradar el detergente recalcitrante dodecilbencensulfonato de cadena ramificada y caracterizamos la vía de degradación de este compuesto contaminante. Asimismo aislamos otra cepa (IGB83) a partir de un coco podrido proveniente de la selva de Chiapas que produce una gran cantidad de una lipasa que tiene uso potencial en detergentes y reportamos el gene que codifica para esta enzima.

P. aeruginosa representa, pues, un modelo fascinante que nos permite estudiar desde problemas básicos de su biología y evolución como abordar aspectos de interés biotecnológico y médico.

BIBLIOGRAFÍA

  1. G. Soberón-Chávez. 2001. Pseudomonas aeruginosa. En: Microbios en línea, capítulo 3. Martínez Romero E. y Martínez Romero J. (eds). DGSCA, UNAM, http:// www.microbiologia.org.mx/microbiosenlinea/

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  4. Y. Boucher, C. J. Dovady, R. t. Pupke, D. A. Walsh & M. E. R. Boudreau. 2003. Lateral gene transfer and the origins of prokaryotic groups. Annu. Rev. Genet. 37:283-328.






Figura. Árbol filogenético de todos los organismos vivos realizado a partir de la secuencia del RNA de la subunidad pequeña de los ribosomas. Las secuencias mostradas con letras corresponden a moléculas purificadas del ambiente, y no se ha aislado el organismo al que perteneces. Este figura fue obtenida de Pace & DeLong, 2001.

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