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?
Las bacterias, salvo en algunos casos aislados, no sólo carecen de “sentidos” en el sentido más clásico de la palabra. Además tampoco poseen complejos sistemas pluricelulares ni tejidos especializados que les permitan responder a los cambios externos de forma aislada.
En el caso de las bacterias la mayoría de estas respuestas individuales están mediadas por factores de transcripción que se unen al ADN y coordinan la actividad de polimerasas de ARN o de proteínas que provocan efectos alostéricos. En 1970, los investigadores reconocieron regiones en los ARN mensajeros que tenían un importante papel como reguladores de la expresión génica. Durante los 90 se profundizó en este campo, encontrándose multitud de sistemas de control basados en ARN, desde el ARNm al ARN no codificante que interviene en regulación epigenética.
Como decía, en bacterias la regulación genética por ARN o riboregulación es generalizada. Uno de los métodos de acción de estos ARN es mediante secuencias que se encuentran en mensajeros y que actúan directamente sobre la expresión de genes, a estos elementos se les conoce como ribointerruptores y se definen como: elementos de ARNm que unen metabolitos o iones como ligandos, para regular procesos de expresión mediante la formación de estructuras alternativas. Los ribointerruptores se encuentran habitualmente en la región 5′ UTR, en el tramo que precede al sitio de inicio de la traducción. Se componen de dos dominios, el primero se llama aptámero y es el lugar al cual se une el ligando haciendo que se produzcan cambios en el segundo dominio, llamado plataforma de expresión.
(Querido lector que ha pasado rápidamente sin leer los párrafos anteriores por tener demasiada densidad de términos aburridos, frene y siga desde aquí)
En esta imagen podemos ver de forma sencilla casi todo lo explicado arriba. Tenemos moléculas de ARN en las que podemos observar distintos “bucles”. La figura A se refiere a la transcripción mientras que la B representa la traducción. En cualquier caso, ambos representan una actividad celular más que básica por la cual se generan casi todas las respuestas celulares.
La actividad comienza sin problemas evitando la zona de bucles, ya sea en la zona de unión a ribosomas (RBS) o en la zona poli U. Así, si encontramos estas moléculas en el estado de las primeras imágenes, diremos que el interruptor está encendido. Pero, ¿qué ocurre cuando llega la molécula ligando? Como se observa en la imagen, la actividad se detiene.
Imaginad que sois unas terribles bacterias viviendo en los pulmones de un inocente humano, soléis usar hierro en muchas de vuestras proteínas y cofactores diariamente, y aunque muchas de estas proteínas no son vitales para vosotros… no podéis negar que os gusta tenerlas ya que os dan ventaja frente a vuestros vecinos. Sin embargo en tiempos de escasez el hierro es vital y no se puede ir desperdiciando en “caprichos” ya que os pueden costar la vida… Pero recordad, ¡ no tenéis ojos, ni manos, ni forma de saber cuanto hierro hay a vuestro alrededor ! Una solución a este problema podrían ser los ribointerruptores. Cuando el hierro escasea los bucles se liberan permitiendo que se sinteticen por ejemplo toxinas. Estas toxinas pueden desde destruir células, del pobre humano en el que vivís, hasta matar a otras bacterias de la que convenientemente podréis obtener hierro. Sea de unos o de otros, cuando tras la matanza el hierro vuelva a abundar a vuestro alrededor, se terminará uniendo a la zona de aptámero y deteniendo la producción de toxinas.
La importancia adaptativa de todo esto es muy grande, ya que las toxinas y otras proteínas competitivas tienen un coste para la bacteria muy alto, y si estuviesen siempre en producción, la pobre bacteria apenas podría llegar “a fin de mes”. Así que moléculas como los ribointerruptores fueron seleccionadas por dotar de mejor economía a quienes las poseían.
¿Existen otros “ribointerruptores”? Si, hay muchas otras formas de relacionarse con el medio, tanto individuales como grupales. Otro ejemplo podrían ser los termómetros de ARN.
Tenemos un caso que aunque no termina de estar claro, es bastante interesante, hablo de Yersinia pestis, la bacteria responsable de una de las más famosas epidemias de nuestra historia. La peste negra.
La peste negra o bubónica es una zoonosis, es decir, una enfermedad que puede transmitirse entre distintos animales y los humanos. En el caso de Y pestis, existen reservorios tanto en mamíferos como en insectos. El reservorio principal es la pulga de la rata negra, a través de la cual, luego pasa a ratas o directamente a humanos. Sin embargo lo más interesante, en mi opinión, resultó ser que Y. pestis sabía perfectamentesi estaba dentro de una pulga o dentro de un mamífero vivo.
Podría decirse que Yersinia no se encuentra cómoda dentro de la pulga, hace frío y no hay demasiada comida, pero es un sitio seguro donde vivir… Quizás por eso su actitud no es demasiado destructiva, pero si orientada a cambiar de barrio. ¿Cómo lo hace?, pues de una manera muy simple, taponando el conducto digestivo de las pulgas.
Mientras vive en ellas un grupo de genes llamados HMS están activos generando entre otras cosas, cambios en la membrana de la bacteria que provocarán la formación de pegajosos biofilms justo antes del estómago. El biofilm crecerá y crecerá hasta impedir casi completamente el paso de alimento, matando de hambre a la pulga, no sin que antes trate de alimentarse todas las veces posible extendiendo la infección.
Salvo que seas un vampiro, la temperatura del cuerpo humano se sitúa por encima de la de la pulga, y es este el dato que usa nuestra maligna bacteria para detectar el cambio de barrio. Los genes HMSsólo se expresan a temperaturas por debajo de 30ºC aproximadamente, a 37ºC son otros sistemas de virulencia los que entran en juego.
El caso de Yersinia pestis no es el único. Corynebacterium diphtheriae, bacteria causante de la difteria, no pierde el tiempo produciendo toxinas si no está dentro de un mamífero vivo, para ello se sirve de un doble sistema de termómetro-ribointerruptor, que detecta presencia de adenosina y temperaturas de 37ºC.
Las bacterias poseen una enorme cantidad de estrategias que les permiten censar el medio y saber donde están en casi todo momento, así que la próxima vez que imagines a los microorganismos como pequeños seres vivos “inferiores” carentes de “complejos y evolucionados” sistemas de interacción, ¡ recuerda que habrá unos cuantos quejándose en todas tus superficies !
Fuentes:
Riboswitches: A Common RNA Regulatory Element (Nature)
Temperature Regulation of the Hemin Storage (Hms +) Phenotype of Yersinia pestis Is Posttranscriptional
Robert D. Perry, Alexander G. Bobrov, Olga Kirillina, Heather A. Jones, Lisa Pedersen, Jennifer Abney and Jacqueline D. Fetherston J. Bacteriol. 2004, 186(6):1638. DOI: 10.1128/JB.186.6.1638-1647.2004.
Transmission of Yersinia pestis from an infectious biofilm in the flea vector
Clayton O. Jarrett1, Eszter Deak1,a, Karen E. Isherwood3, Petra C. Oyston3, Elizabeth R. Fischer2, Adeline R. Whitney1, Scott D. Kobayashi1, Frank R. DeLeo1 and B. Joseph Hinnebusch1
José Jesús Gallego-Parrilla. Biólogo apasionado de la microbiología, actualmente haciendo el doctorado en la Universidad de Newcastle, en el grupo de Tracy Palmer. Escribo sobre bacterias en Microgaia.net y hablo un poco de todo en @Micro_Gaia. También me apasiona la ciencia ficción y todo lo relacionado con la tecnología.