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Tema 18. Simbiosis entre bacterias e invertebrados Bacterias del azufre y fumarolas negras Volvemos a las chimeneas negras, lugar maravilloso, una zona afótica con escasos compuestos orgánicos, lo que limita bastante las fuentes de energía disponibles. No obstante, tenemos abundantes compuestos inorgánicos reducidos, como pueden ser el H 2 , SH 2 , Fe+2, CH 4 , a veces NH 4 +… pudiendo ser usados como fuente de energía y poder reductor por parte de organismos quimiolitotrofos. Además, el CO 2 del medio puede ser usado como fuente de carbono por parte de quimiolitoautótrofos, que actúan como productores primarios en este ecosistema. Vamos a observar ricas comunidades de moluscos y anélidos que sobreviven en esta oscuridad, alimentándose de la materia orgánica producida por productores primarios procarióticos. Además, algunos de estos organismos establecen relaciones simbióticas con estos procariotas, que pueden localizarse sobre su superficie o en su interior (epibiontes o endobiontes). Incluso también en fumarolas blancas se han encontrado moluscos en relaciones simbióticas con bacterias oxidantes del H 2. Riftia pachyptila Son una especie descubierta en 1977 en las chimeneas de la dorsal de las Galápagos, formando grandes comunidades a 2.000-2- metros de profundidad, habitando largos tubos de color blanco formados por quitina y proteína, mostrando el penacho branquial en un extremo (siendo rojo debido a la intensa vascularización del tejido). Son anélidos con una alta especialización que llegan a alcanzar los 2 metros de longitud. Estos organismos resisten elevadas presiones, temperaturas y concentraciones de SH 2 , un compuesto muy tóxico para la mayoría de organismos. Carecen de aparato digestivo, ni siquiera boca o ano, aunque sí cuentan con un órgano con forma de saco que ocupa hasta la mitad de su cuerpo y se denomina trofosoma. El trofosoma es un tejido esponjoso y está altamente irrigado, además contiene células llamadas bacteriocitos, que están repletas de bacterias oxidantes del azufre de la clase ɣ-Proteobacteria (aunque aún no se ha podido cultivar, aunque la bacteria simbiótica presenta también una forma de vida libre independiente del gusano). Los individuos jóvenes de R. pachyptila toman al procariota del ambiente
(transmisión horizontal) en lugar de heredarlo de sus progenitores (transmisión vertical), como es el caso de otras simbiosis. El penacho branquial se usa para captar compuestos inorgánicos, como CO 2 , O 2 y SH 2 , que son transportados por la circulación hasta el trofosoma. Estos organismos poseen una hemoglobina especial que presenta sitios de unión distintos para el O 2 y para el SH 2 (evita que estos dos compuestos reaccionen entre sí y se evita que el sulfuro provoque daños). Las bacterias usan el sulfuro como fuente de energía y poder reductor, cediendo los electrones a una cadena de transporte en la que el O 2 es el aceptor final. El CO 2 es la fuente de carbono, usando el ciclo de Calvin para su fijación (aunque también se han encontrado los enzimas del ciclo inverso del ácido cítrico en estas bacterias). Se trata de una relación mutualista con beneficio mutuo: las bacterias proporcionan carbono orgánico; los gusanos proporcionan un entorno de crecimiento estable con una fuente continua de nutrientes. Se cree que los gusanos también proporcionan otro tipo de compuestos necesarios para el crecimiento bacteriano, aunque aún no está claro. Aliivibrio fischeri y Euprymna scolopes A. fischeri es una ɣ-Proteobacteria, gramnegativa y bioluminiscente que establece una simbiosis con el cefalópodo Euprymna scolopes. Aunque se clasificó como Vibrio inicialmente, luego se vio que no estaban suficientemente relacionados los organismos, creando el género Aliivibrio entonces. Son bacilos, ligeramente curvados, que se mueven gracias a una flagelación lofotrica, estando los flagelos rodeados de una vaina que es una prolongación de la membrana externa (los flagelos con vain son más potentes). Es anaerobia facultativa, quimiorganoheterotrofa, estando en océanos de todo el mundo, en aguas templadas y tropicales. Por su lado, E. scolopes , que ronda los 35 mm de tamaño, sólo está activa durante la noche, cuando se alimenta de pequeños crustáceos; durante el día se entierra en la arena. Vive en aguas tropicales, en zonas someras cercanas a las costas hawaianas. Se cree que la luz aportada por la bacteria en la zona inferior del animal la camufla contra la superficie iluminada por la Luna (contrailuminación). La simbiosis es mutualista, siendo además específica por parte del molusco: E. scolopes sólo puede establecerla con A. fischeri. No es una relación obligada y ambos crecen de manera
divertículos, la bacteria pierde los flagelos que usó para atravesar la cámara anterior y comienza a dividirse rápidamente, fijándose a las adhesinas de las células epiteliales de los conductos y presentando menor tamaño del normal. La producción de luz depende en gran medida del quorum sensing. Una vez en los divertículos, el AMPc es la fuente de energía, C, N y P usada para el crecimiento. Además, la bacteria produce una toxina similar a la producida por Vibrio cholerae (que eleva los niveles de AMPc en el organismo) que tiene un efecto similar, elevando los niveles de AMPc en las células epiteliales de los divertículos. El O 2 necesario para la respiración aerobia (aceptor de la oxidación de AMPc) es también aportado por la sepia. La colonización de los divertículos también hace que los macrófagos produzcan menos NO. Maduración del órgano Este proceso implica la reorganización del citoesqueleto e hinchamiento de las células epiteliales de los divertículos (tras 12 horas desde la colonización). Más adelante, desaparecerán los cilios que rodean los campos ciliados, pues su función ya estaría cumplida (tras 24 horas). Los apéndices irán acortándose cada vez más, hasta desaparecer por completo; este proceso tarda unos 5 días en completarse y ocurre a través de la apoptosis de las células, algo que está inducido por el lipopolisacárido de A. fischeri y por una toxina similar a la producida por Bordetella pertussis (citotoxina traqueal), causante de la tos-ferina. También va a cesar la producción de moco y NO (tras 48 horas). Va a ser en el órgano maduro en el que se produzca la luz. Cada mañana, la sepia vacía los órganos y comienza a “criar” una nueva población de la bacteria, mientras que el resto se va al ambiente. No obstante, tras la colonización, esta relación va a mantenerse durante toda la vida de E. scolopes. Bioluminiscencia Es la emisión de luz por parte de los seres vivos y parece ser un proceso que apareció varias veces en la evolución, pudiendo haberse utilizado en un inicio para eliminar oxígeno del organismo. Más adelante, este proceso se adaptó a los usos que vemos hoy en día: comunicación intraespecífica, depredación, defensa, camuflaje… La emisión de luz está
catalizada por la luciferasa, un heterodímero formado por dos subunidades (α y β), estando éstas codificadas por los genes luxA y luxB. La producción de luz requiere de un aldehído de cadena larga (más de 8 carbonos), oxígeno y flavin-mononucleótido reducida, dando como resultados mononucleótido oxidado, agua y un ácido graso que varía según el aldehído. Además, en la reacción vamos a tener un intermediario del mononucleótido rico en energía, pero inestable, de manera que se libera esa energía en forma de luz azulada ( nm). Podemos resumirlo como: 𝐹𝑀𝑁𝐻 2
2
2
La producción de luz ocurre tanto en simbiosis como en vida libre, estando siempre asociada al quorum sensing. Para que este proceso no cese, es necesario regenerar los sustratos de la reacción, siendo el nucleótido el compuesto limitante; se regenera gracias a una flavin-mononucleótido reductasa, que usa el NADPH como donador de electrones. La ácido graso reductasa, codificada por luxC , luxD y luxE , reduce el ácido graso de nuevo al aldehído. La AHL (acil homoserina lactona) actúa como autoinductor, es decir, la molécula que permite estimar la densidad poblacional en el quorum sensing , estando codificada por el gen luxI. Por otra parte, luxR codifica para LuxR, una proteína que permite actuar como mecanismo de retroalimentación y como regulador. Por la noche, caza de manera activa, mientras que por el día se entierra en la arena, expulsando hasta el 95% de las bacterias de los divertículos por la mañana. De esta manera, aumentan las posibilidades de que nuevas generaciones del calamar entren en contacto con
del bacteriosoma. Un simbionte secundario puede llegar a volverse primario, pudiendo reemplazar a un simbionte primario preexistente en el organismo. Áfidos Los áfidos pertenecen a una superfamilia del orden Hemiptera, siendo organismos que se alimentan de la savia de las plantas, extrayéndola del floema a través de un estilete. Esta es una nutrición rica en azúcares, pero pobres en aminoácidos (compuestos que los áfidos no pueden sintetizar, pero sí los simbiontes). Hay hasta 4.000 especies de procariotas simbiontes primarios de áfidos, además de secundarios. La mejor estudiada es la que se establece entre Buchnera aphidicola (una ɣ-Proteobacteria) y Acyrthosiphon pisum , siendo obligada para ambas partes. Buchnera aphidicola Se encuentra en el bacteriosoma del pulgón, siendo un órgano con dos mitades que se extienden a lo largo del cuerpo del insecto que se unen en el extremo posterior. Crecen envueltas por la membrana simbiosomal en el citosol de los bacteriocitos, células poliploides de gran tamaño repletas de bacterias. La transmisión es vertical y proporciona al pulgón 10 aminoácidos esenciales. Debido a la coevolución con el hospedador, su genoma se ha reducido a 640 kb. Además de esta bacteria, tenemos otros simbiontes secundarios transmitidos por vía principalmente horizontal. Algunos de ellos son tres enterobacterias ɣ-Proteobacteria: Hamiltonella defensa , Serratia symbiotica (estas dos protegen al pulgón de avispas parásitas) y Regiella insecticola (lo protege de un hongo patógeno); luego tenemos una bacteria del género Rickettsia (α-Proteobacteria) y una bacteria del género Spiroplasma (Tenericutes o Micoplasma). Acyrthosiphon pisum Los pulgones viven la mayor parte de su vida sobre la superficie de las plantas, estando muy expuestos frente a depredadores. Debido a esto, presentan tasas de reproducción muy elevadas (600.000 descendientes por hembra), lo que consiguen gracias a la reproducción telescópica por vía asexual en primavera y verano. En otoño, ocurre el único evento anual de reproducción sexual. Cuando el nuevo descendiente nace, prácticamente ya es adulto, teniendo embriones formándose ya en él. De esta manera se alcanzan las tasas de reproducción necesarias. La avispa parásita Aphidius ervi depositan un huevo en el interior de cada pulgón, ocurriendo allí el desarrollo embrionario y postembrionario de la avispa. Durante ese proceso, las larvas se alimentan del interior del pulgón, dejando una momia vacía. En la
pupación, la avispa hace un orificio en la parte baja del pulgón para fijarse a la superficie de la planta donde estaba el pulgón, formándose después un capullo. Tema 19. Microbiota normal del ser humano La microbiota normal es el conjunto de microorganismos que viven en un cuerpo sano, habiéndose estudiado extensivamente en los últimos años; algunos autores llegan a considerarla un órgano más. La colonización se inicia tras el parto en gran parte a través de la alimentación. Estos organismos se encuentran normalmente en la piel y membranas mucosas (tejidos en contacto con el medio externo) y se creía que el resto de órganos y tejidos eran “estériles” en ese sentido (sólo siendo colonizados en casos de enfermedad), aunque la evidencia reciente apunta a todo lo contrario. Está compuesta por organismos bacterianos, arqueanos, eucariotas (hongos y protozoos) e incluso virus, siendo organismos mutualistas o comensales. En ocasiones particulares, los miembros de la microbiota normal pueden actuar como patógenos oportunistas. El microbioma es el conjunto de genomas de los organismos que conforman la microbiota. Sorprendentemente, sólo 1 de cada 400 genes en un individuo es de origen humano, siendo el resto microbioma (algo que se descubrió con el Proyecto Microbioma Humano): hay una predominancia de bacterias con 8.000.000 de genes en un individuo, siendo un 99% de organismos beneficiosos y sólo un 1% de organismos patógenos; sólo 22.000 genes son humanos; habrá un total de 500.000 genes fúngicos y 80.000 arqueanos, aunque esos datos están muy en el aire. Se estima que hay más de 10.000 especies de bacterias en la microbiota, siendo la mayoría no cultivables. Según un estudio, se estima que hay unas 10 células bacterianas por cada célula humana, aunque otro estudio posterior estimó esa relación en 1,3:1 en lugar de 10:1. Esto se debe a que en el segundo estudio se tuvieron en cuenta células no nucleadas (los eritrocitos son las células más abundantes). Las bacterias de la microbiota van a variar en función de la zona del cuerpo, edad, dieta, estado de salud, uso de antibióticos… Además, entre individuos hay una variación genética y ambiental. Los grupos predominantes son Actinobacteria, Firmicutes, Bacteroidetes y Proteobacteria. MICROBIOTA DE LA PIEL
triacilgliceroles: ésteres de ácidos grasos y glicerol), liberando ácidos grasos irritantes en el proceso de la hidrólisis de estos compuestos, lo que produce las lesiones inflamatorias características del acné. En condiciones normales, la cantidad de secreción sebácea no es suficiente como para mantener la inflamación. Staphylococcus De forma esférica (coco) y del filo Firmicutes (bajo contenido en G y C), son inmóviles y se agrupan en masas irregulares debido a su reproducción por división en tres planos. Son anaerobias facultativas, quimiorganoheterótrofos, pudiendo llevar a cabo oxidación o fermentación láctica. Son relativamente resistentes a la desecación y soportan temperaturas de hasta 60 ºC durante 30 minutos. También resisten desinfectantes y concentraciones de hasta 7,5% de NaCl (lo que permite su aislamiento selectivo en laboratorio usando, por ejemplo, medio agar salt mannitol ). Pueden encontrarse en membranas mucosas de humanos y animales, además de sobre la piel. S. epidermidis es probablemente la especie más común en la piel, siendo un organismo inofensivo que, no obstante, puede actuar como patógeno oportunista. S. aureus también es relativamente común, aunque ésta sí que es patógena, permaneciendo en la piel o membranas de manera asintomática (las personas que lo poseen se denominan portadoras). Para diferenciar ambas especies, el medio ASM resulta muy útil: S. aureus puede fermentar el manitol, bajando el pH y haciendo que el indicador de pH (rojo fenol) vire a amarillo desde el rosa fucsia. S. epidermidis crece en el ASM, pero no fermenta. MICROBIOTA DE LA CAVIDAD ORAL Es un hábitat complejo y heterogéneo. Por un lado, la saliva va a ser un medio bajo en nutrientes rico en sustancias microbicidas como la lisozima (rompe los enlaces glicosídicos del peptidoglicano, causando la lisis celular) o la lactoperoxidasa (que genera O 2 - , que oxida las membranas). Los dientes, por otro lado, son más ricos en nutrientes, ofreciendo mejores condiciones al desarrollo de organismos ordinarios (la placa dental es el nombre dado a la microbiota de la zona), que también pueden ser patógenos (causantes de la enfermedad periodontal, caries y gingivitis). Para poder instalarse, los organismos deben resistir a las sustancias antimicrobianas y adherirse al sustrato para evitar ser arrastrados al esófago por el bolo alimenticio. Hay variación entre individuos. Dientes Podemos separarlos en la corona externa y la raíz interna. La capa más externa es el esmalte, formado por hidroxiapatita (fosfato cálcico o Ca 3 (PO 4 ) 2 ), siendo el compuesto de
mayor dureza del cuerpo humano. La dentina la componen cristales de hidroxiapatita en un 50%, además de colágeno en un 30% y un 20% de fluidos. Por debajo, tenemos la pulpa, formada por tejido conjuntivo y que es inervada y vascularizada. Los dientes se encuentran en la cavidad formada por el hueso alveolar, encontrando la membrana periodontal en la parte interna del hueso, delimitando al diente en la zona de la raíz. Las encías están por encima del hueso. El surco gingival separa encías y dientes. Vamos a poder distinguir una composición distinta de la microbiota antes y después de la salida de los dientes:
- Antes: Predominan bacterias como Lactobacillus o Streptococcus (especialmente S. salivarius ). Ambos son Firmicutes (gramposititvas con bajo contenido G y C), siendo Streptococcus esférico, inmóvil y agrupándose en cadenas. Lactobacillus tiene morfología bacilar y es inmóvil. Ambas son bacterias aerotolerantes, aunque sin usar O 2 en su metabolismo, además de ser quimioorganoheterótrofas que obtienen energía por fosforilación a nivel de sustrato por fermentación láctica. La fermentación que llevan a cabo puede ser homoláctica o heteroláctica. Poseen superóxido dismutasa y peroxidasa para eliminar los compuestos oxidantes; no obstante, son reconocibles por dar resultados negativos en la prueba de la catalasa (no la producen porque no pueden sintetizar el grupo hemo, un elemento esencial del enzima). La incapacidad para la síntesis del grupo hemo también hace que sean incapaces de construir un citocromo, lo que se relaciona con que la fermentación sea su única fuente de energía. Además de estar en la cavidad oral humana, también están en la microbiota de otros géneros, en la leche, en materia vegetal y llegan a tener interés en la industria alimentaria (bacterias del ácido láctico o BAL). - Después: Suelen ser organismos adaptados a vivir en el surco gingival, en las fisuras y en la superficie dental, dando lugar a la placa dental, que es un biofilm formado por hasta 10^12 bacterias. La formación de la placa se inicia con la deposición de glicoproteínas ácidas (procedentes de la saliva), que forman una capa que sirve de anclaje a bacterias aerotolerantes del género Streptococcus : S. sanguis y S. mitis. Luego bacterias aerobias del
enfrentan a situaciones agrestes asociadas al jugo gástrico, que contiene enzimas (pepsinas y lipasas) y HCl (que da al medio un pH entre 2 y 3). Además, la motilidad estomacal que impulsa el contenido hacia el intestino es otro reto. Debido a esto, la mayor parte de los organismos mueren al llegar aquí, haciendo que este órgano sea una importante barrera antes de llegar al intestino. Aquí, sólo unas pocas bacterias van a poder sobrevivir. Se calcula que hay menos de 10^4 por gramo en el estómago (con un total de 10^7 , con 16 especies). Helicobacter pylori (denominada así porque se acumula en el píloro), presente en más de un 50% de la población mundial, una gramnegativa de la clase ε-Proteobacteria, es una de las pocas que sobrevive aquí, colonizando las paredes del órgano. Además, se relaciona con la gastritis crónica superficial, producción de úlceras de estómago y cáncer estomacal (la primera bacteria para la que se demostró actividad oncogénica), aunque puede permanecer en la microbiota sin causar ninguna complicación. Posee una flagelación lofotrica. Intestino delgado Consta de tres tramos: duodeno, yeyuno e íleon. En el duodeno las condiciones se mantienen desfavorables y la microbiota es similar a la estomacal (encontrando de nuevo H. pylori ); en el yeyuno el pH sube hasta 4 unidades, aumentando con ello el número de bacterias hasta 10^3 -10^5 por gramo; en el íleon el pH llega a 5 unidades, creando condiciones que permiten el establecimiento de una microbiota similar a la del intestino grueso, con 10^8 por gramo. El ambiente se hace progresivamente más anóxico y las bacterias que encontramos en la zona suelen adherirse a la pared intestinal por uno de sus extremos. Intestino grueso Dividido en ciego, la parte en la que desemboca el íleon, y colon, aquí el pH es cercano a la neutralidad y los nutrientes son abundantes (dando 10^11 -10^12 bacterias por gramo), siendo entonces muy favorable para la formación de una microbiota abundante y compleja. Encontramos bacterias, arqueas, hongos, protozoos, virus… Los elementos de la microbiota llegan a componer el 40% del peso seco de la materia fecal. Se han llegado a encontrar hasta 1000 especies distintas en el intestino grueso humano, teniendo cada individuo una media superior a las 150. La mayoría de estos organismos van a ser anaerobios (99%), mientras que el resto serán aerotolerantes o anaerobias facultativas. El taxón más representado será Firmicutes, seguido por Bacteroidetes, Actinobacteria y
Proteobacteria, además de algunas fusobacterias y cianobacterias.
