Revista de Divulgación Científico-Tecnológica del Gobierno del Estado de Morelos

Cambios en las membranas bacterianas como respuesta a estrés

Bacterias

Dr. Christian Sohlenkamp
Centro de Ciencias Genómicas de la Universidad Nacional Autónoma de México, campus Morelos.
Archivo: Microbiología molecular

Las bacterias son organismos extremadamente exitosos, capaces de colonizar prácticamente cualquier nicho ecológico y responder rápidamente y eficazmente ante súbitos cambios en las condiciones ambientales. Sin duda, parte de la eficiencia con la que modifican su homeostasis (proceso por el cual un organismo o un sistema mantiene constantes sus propios parámetros independientemente de las condiciones del medio externo mediante mecanismos fisiológicos), se debe a que ponen en juego una exquisita gama de alternativas para regular la respuesta ante el estrés. Un estrés al cual muchas bacterias frecuentemente están expuestas es el estrés causado por condiciones de acidez. Estas condiciones simplemente se pueden encontrar en el ambiente, como por ejemplo, en suelos ácidos, pero especialmente bacterias que interactúan de manera simbiótica o patógena con organismos eucariotas están frecuentemente expuestas a estas condiciones. Esto ocurre, por ejemplo, en el caso de rhizobia (Plural de bacterias del perfil de suelo que fijan nitrógeno, éstas no pueden independientemente fijar nitrógeno atmosférico, requieren una planta hospedante), que se encuentran dentro de los nódulos de sus plantas hospedadoras pero también con bacterias patógenas como Brucella que son internalizadas por sus hospederos dentro de organelos ácidos como son los fagosomas o lisosomas.
          Nosotros estudiamos la respuesta de la bacteria del suelo Rhizobium tropici ante estrés por acidez. R. tropici es una proteobacteria capaz de causar la formación de nódulos en frijol y algunas otras plantas leguminosas. Escogimos esta bacteria como modelo de estudio porque se distingue de otras bacterias relacionadas por su alta tolerancia a diversas formas de estrés, entre ellas el estrés por acidez. El entender esta respuesta en R. tropici podría tener posibles aplicaciones en la agricultura pero también en la medicina, dado que los miembros del genero Rhizobium están estrechamente relacionados en el plano filogenético con patógenos como Agrobacterium tumefaciens, Brucella abortus y Bartonella quintana y probablemente comparten ciertos mecanismos moleculares de respuesta.
Un análisis preliminar de la secuencia del genoma de R. tropici muestra que los mecanismos de resistencia a condiciones de acidez descritos para los organismos más estudiados en este contexto como son Escherichia coli y Salmonella typhimurium son ausentes. Utilizamos herramientas moleculares como la transcriptomica por RNA-Seq y mutagenesis no dirigida por transposones entre otras para entender los mecanismos de resistencia a condiciones de acidez en R. tropici. Una vez que hayamos identificado genes y enzimas implicados en la respuesta al estrés, los estudiamos en detalle a nivel bioquímico para conocer su función. Dos clusters de genes con un papel en la resistencia a condiciones de acidez en R. tropici que ya estamos estudiando tienen en común que codifican para enzimas con actividades que modifican la composición lipídica de sus membranas. Esto no nos debe sorprender porque la membrana forma la superficie de la célula bacteriana, la cual es el interfaz entre el microorganismo y su entorno. El primer cluster de genes contiene dos genes que codifican para hidroxilasas que modifican lípidos de membrana llamados lípidos de ornitina en las membranas bacterianas. No se sabe exactamente de qué manera estas modificaciones contribuyen a la resistencia de las bacterias. Una hipótesis que manejamos es que los grupos hidroxilo adicionales dentro de la estructura de los lípidos permiten la formación de puentes de hidrogeno entre ellos y de esta manera logran que la membrana sea más rígida y menos permeable para protones y otras moléculas.
           El segundo cluster de genes, es un operón que se induce fuertemente a nivel transcripcional en condiciones de acidez. Los genes codifican para una lisilfosfatidilglicerol sintasa (LPGS) y una lipasa putativa, respectivamente. La LPGS tiene la característica interesante que su actividad enzimática permite a las bacterias de cambiar las características electrostáticas de su membrana y por ende su superficie de manera drástica. Lípidos de membrana aniónicos son convertidos por esta enzima en lípidos de membrana catiónicos. En diferentes bacterias patógenas como son Staphylococcus aureus, Listeria monocytogenes y Pseudomonas aeruginosa se ha descrito que esta modificación de la superficie celular conlleva a un aumento importante en la resistencia de las bacterias a péptidos catiónicos formados por los hospederos eucariotas. No es nada claro como esta modificación de la membrana podría contribuir a la resistencia a condiciones de acidez. Más interesante sin embargo es el segundo gen del operón que codifica para una lipasa putativa. Pudimos mostrar que la lipasa ocupa lisil-fosfatidilglicerol, el producto de la reacción enzimática catalizada por LPGS como sustrato pero desconocemos cual es producto de esta reacción. Mutantes deficientes en esta lipasa en diferentes bacterias estudiadas muestran fenotipos pleiotrópicos pero comúnmente perdieron la resistencia a condiciones de acidez y muestran defectos de virulencia.
            Estamos estudiando activamente de qu{e manera estas modificaciones de la membrana que encontramos contribuyen a la resistencia de las bacterias ante estas condiciones de acidez. Para entender de manera global esta respuesta en R. tropici estamos ocupando ahora diferentes herramientas moleculares y genómicas además de estudios bioquímicos clásicos caracterizando las enzimas identificadas.

 


Semblanza


Christian Sohlenkamp cuenta con el doctorado en biotecnología de la Universidad Tecnológica (Technische Universität) de Berlín, Alemania. Es ingeniero en biotecnología de la misma universidad. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores, nivel II.