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Microorganismos en busca de un ambiente favorable
Quimiotaxis y otras yerbas...
El Comité de Redacción de Acta Bioquímica Clínica Latinoamericana ha seleccionado este artículo publicado en la Revista CIENCIA HOY, Volumen 18 n.º 105 JUNIO/JULIO 2008, para su difusión a través de FABA Informa


Karina Herrera Seitz y Claudia Studdert
Instituto de Investigaciones Biológicas, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad Nacional de Mar del Plata

Cómo funciona el sistema de señalización

Un puñado de proteínas especializadas es el responsable del sistema de señalización, formando un aparato sensorial que funciona con extraordinaria sensibilidad y detecta pequeñísimos cambios de concentración.
Básicamente los estímulos son recibidos por receptores inmersos en la membrana que comunican a la célula el nivel de concentración de las distintas sustancias químicas del medio externo (ver ‘Mirada en detalle ... ‘ en Parte I). La totalidad de este sistema de receptores y proteínas especializadas se encuentra ubicado en uno o ambos polos de la célula (ver figura 3).
El comportamiento tiene un nivel de complejidad adicional, necesario para responder a incrementos en la concentración de los químicos a lo largo de un amplio rango de concentraciones. El mecanismo de adaptación involucra dos enzimas que modifican químicamente a los receptores, mediante un proceso llamado metilación, a fin de modificar su comportamiento. La unión de atrayentes a los receptores causa a la vez una rápida inhibición, en el orden de milisegundos, de la proteína CheA (ver ‘Mirada en detalle...’) y una lenta activación del proceso de metilación de los receptores. Si la concentración de atrayente se mantiene constante, al cabo de unos minutos los receptores alcanzan un nivel de metilación que determina la recuperación de la actividad inicial de CheA y por lo tanto el nivel de tumbos que presentaba la bacteria antes de encontrarse con el atrayente. Así, esta puede responder a un nuevo cambio de concentración. Este mecanismo de metilación, que anula la respuesta cuando el estímulo es constante, ha sido comparado con una especie de memoria, ya que a través del nivel de metilación el organismo ‘recuerda’ la concentración de atrayente a la que estuvo expuesto unos minutos antes y sólo vuelve a experimentar un cambio en la frecuencia de tumbos cuando es expuesto a una concentración diferente.

La quimiotaxis como herramienta para la supervivencia de los microorganismos

¿Cuál es la importancia de este proceso para las bacterias en su ambiente natural? El estudio de las respuestas quimiotácticas en ambientes naturales es bastante más complicado que los estudios de laboratorio ya que en el ambiente son muchas las variables fuera de control que afectan los resultados. Hasta ahora, se ha logrado desentrañar en general, cómo funciona el sistema de percepción de estímulos, del medio ambiente, y se conocen detalles del mecanismo que gobierna la quimiotaxis. Pero resta conocer la relevancia de este fenómeno en el éxito de los diferentes procesos que involucran la presencia y el desarrollo de los microorganismos.

Organización especial del complejo de señalización. Todas las proteínas involucradas en la percepción y la transmisión de las señales de quimiotaxis entán formando un gran complejo que se ubica en uno o ambospolos de la célula. Esto puede ser visualizado generando, por ingeniería genética, proteínas “hidricas” que contienen la proteína a analizar fusionada a una proteína fluorescente. La localización de esta proteína hídrica puede ser observada entonces directamente en un microscopio de fluorescencia. En esta figura se muestra la localización de la proteína CheW fusionada a la proteína fluorescente (izquierda). En ausencia de receptores de quimiotaxis no se forma el complejo de señalización. La proteína CheW hídrica pierde su localización en los polos y entonces la fluorescencia se observa distribuida uniformemente en el citoplasma (derecha)
El Comité de Redacción de Acta Bioquímica Clínica Latinoamericana ha seleccionado este artículo publicado en la Revista CIENCIA HOY, Volumen 18 n.º 105 JUNIO/JULIO 2008, para su difusión a través de FABA Informa.

Quimiotaxis y biorremediación

En las últimas décadas los efectos dañinos de la polución ambiental han obligado a indagar en nuevos métodos que permitan optimizar la recuperación de ambientes conta minados. Hoy en día la utilización de microorganismos se presenta como el método más eficiente y económico para limpiar ambientes y se conoce una gran variedad de microorganismos capaces de alimentarse de diferentes compuestos introducidos por el hombre
(ver tabla 1).
Como se describió antes, la quimiotaxis permite a las bacterias encontrar su alimento. Este hecho, entonces, tendría implicancias en términos de la biorremediación ya que, para muchas bacterias, los contaminantes constituyen un manjar irresistible. Para las bacterias que ‘comen’ contaminantes, un ambiente poluido resulta un banquete en el que el alimento se encuentra heterogéneamente distribuido. La capacidad de buscar activamente los compuestos a degradar se presenta entonces como una ventaja que redunda en una mayor eficiencia en el proceso de descontaminación. La quimiotaxis puede resultar esencial para recuperar ambientes en los que los contaminantes presentan baja accesibilidad, sea por su insolubilidad o por
su fuerte adherencia a las partículas del suelo. Desde el punto de vista de la remediación, se podrían vislumbrar estrategias que contemplen tanto el estímulo de la proliferación de organismos quimiotácticos hacia el contaminante específico como la introducción en la zona contaminada de otras sustancias atrayentes que favorezcan la acumulación de microorganismos en la región que necesita ser recuperada.
Hasta el momento se han descripto varios microorganismos capaces de utilizar y responder quimiotácticamente a ciertos compuestos contaminantes. El siguiente paso será implementar estrategias a campo que permitan sacar el mayor provecho de esta capacidad para procesos de biorremediación.

La quimiotaxis en procesos infecciosos

En procesos inflamatorios en humanos el rol de la quimiotaxis parece ser muy importante (ver tabla 1). Muchas de las células de nuestro sistema inmunológico (macrófagos, neutrófilos, etc.) son capaces de ubicarse en las zonas en las que se requiere su presencia gracias a que son atraídos hacia diferentes compuestos químicos producidos por nuestro cuerpo o por microorganismos invasores.
Asimismo, la capacidad quimiotáctica por parte de las bacterias parece jugar un rol fundamental en los procesos de infección por microorganismos patógenos. Para varios patógenos humanos, es crucial la movilidad y el funcionamiento del sistema quimiotáctico en la colonización y en las primeras etapas de la infección. Por ejemplo en Pseudomonas aeruginosa, que es una de las bacterias más comunes en infecciones pulmonares crónicas en pacientes inmunodeprimidos o con fibrosis quística, la quimiotaxis hacia la mucina (mucopolisacárido presente en las secreciones mucosas) es indispensable para las etapas tempranas de la infección. Algunas variantes de Helicobacter pylori y Campylobacter jejuni (microorganismos causantes de enfermedades gástricas crónicas y de enfermedades transmitidas por alimentos, respectivamente) deficientes en las proteínas centrales del sistema de quimiotaxis (CheA y CheY, ver ‘Mirada en detalle...’) presentan defectos en colonizar el intestino y la cavidad estomacal de sus huéspedes. Lo mismo ocurre con varios microorganismos del género Treponema aislados de la cavidad bucal, cuya capacidad de causar enfermedades periodontales se ve disminuida al interrumpir de alguna manera su sistema quimiotáctico. En Vibrio cholera aislado de humanos, se sabe que la quimiotaxis es también importante durante el período temprano de infección. La quimiotaxis le permitiría a este patógeno humano ubicarse en el nicho adecuado dentro del intestino. Sin embargo, durante etapas posteriores de la infección, disminuye la producción de las proteínas que median la quimiotaxis, y así se generan células móviles pero no quimiotácticas que se dispersarían más fácilmente fuera del intestino.

Izquierda: Pseudomonas aeruginosa. Micrografia electronica de barrido. CDC/ Janice
Haney Carr.
Derecha: Campylobacter jejuni. Micrograia electronica de barrido. Imagen obtenida de CDC Public Health Image Library. Foto CDC/ Dr Patricia Fields, Dr. Collette Fitzgerald
(PHIL 5781), 2004

Posteriormente las células vuelven a recuperar la capacidad de quimiotaxis para poder infectar nuevos huéspedes.
Como queda claro a través de estos ejemplos, la quimiotaxis es de fundamental importancia en procesos infecciosos, especialmente durante las etapas tempranas. Esto convierte al sistema de quimiotaxis y sus proteínas componentes en un blanco muy interesante a la hora de pensar en futuros tratamientos que permitan evitar y controlar determinadas infecciones de origen microbiano.

La quimiotaxis y el comportamiento social de los microorganismos

Los microorganismos que nadan libremente en un medio acuoso se denominan planctónicos. Muchas bacterias, a su vez, poseen la capacidad de formar comunidades denominadas biofilms en las que diferentes células cumplen distintas funciones según su ubicación. Estas comunidades suelen estar formadas por varias especies de microorganismos y de esta manera forman consorcios que suelen ser muy eficientes en la degradación de compuestos contaminantes o presentar una incrementada resistencia a antibióticos, entre otras características (ver Tabla 1). Se ha demostrado que la quimiotaxis es necesaria en las etapas tempranas de la formación de biofilms. Al presentar alguna anomalía en el sistema de quimiotaxis las bacterias son incapaces de unirse a una superficie para iniciar una nueva comunidad.
Asimismo, existen gran cantidad de microorganismos que se asocian con plantas como una estrategia de supervivencia. Estas asociaciones pueden ser de tipo patogénica para las plantas (como es el caso de varias especies de Pseudomonas y Agrobacterium que infectan vegetales) o puede ser una relación simbiótica en la que ambos, microorganismo y vegetal, salen favorecidos (como es el caso de las leguminosas y diferentes especies de Rhizobium) (ver tabla 1).
Muchas plantas secretan a través de sus raíces una serie de compuestos orgánicos denominados f1avonoides que funcionan como atrayentes para las bacterias. De esta manera favorecen las asociaciones planta-bacteria al estimular la aproximación de los microorganismos a la planta. Se ha comprobado que varias especies de los géneros Rhizobium, Bradyrhizobium, Agrobacterium y zospirillum son fuertemente atraídas por estos compuestos secretados por las plantas, que de esta manera ven facilitada la asociación con las raíces y en algunos casos la posterior formación de nódulos.

Quimiotaxis y otras yerbas...

Los ejemplos mencionados en este artículo dejan entrever sólo algunos de los aspectos en los que la quimiotaxis podría cumplir un rol fundamental. A su vez, este mecanismo de percepción es también utilizado para detectar estímulos muy diferentes, como la luz (fototaxis), la fuerza magnética (magnetotaxis) o la temperatura (termotaxis). Si bien la mayoría de los componentes del sistema se mantienen, la principal diferencia consiste en que el tipo de receptores varía de acuerdo con el tipo de estímulo detectado, ya que las señales que debe ser capaz de interpretar son de muy distinta naturaleza. Es muy probable que la lista de procesos de potencial interés biotecnológico en los que las taxis jueguen un papel importante se incremente a medida que se siga profundizando el conocimiento detallado de los sistemas de percepción y su funcionamiento en el medio ambiente natural.
Resulta notable que los microorganismos, pese a su relativa simplicidad, posean aparatos sensoriales refinados que les permitan modificar su comportamiento para escapar de condiciones adversas o elegir situaciones favorables.
Los sistemas que controlan el movimiento dirigido son sólo algunos de los sistemas de señalización que poseen las bacterias. Han sido estudiados en bastante detalle en los últimos años, y resultan muy interesantes desde el punto de vista evolutivo dada la elevada conservación de los diferentes componentes moleculares del sistema, algunos de los cuales se pueden encontrar incluso en células de organismos superiores. No obstante, quedan muchos aspectos por dilucidar para lograr comprender de manera cabal cómo los organismos vivos pueden percibir y responder a la dinámica del medio ambiente.



Participación de la quimiotaxis en diferentes procesos biológicos.

Lecturas Sugerida
• BROCK, TH D, 2003. Biología de los microorganismos. 10a ed., Madigan,
• Martinko, Parler, Prentice Hall Hispanoamericana.
• Sitios web de interés para este tema:
http://es.wikipedia.org/wiki/Quimiotaxis http://www. microbiologybytes.com/video/motility.
htmlhttp://www.rowland.harvard.edu/labs/bacteria/movies_misc.html