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

Lo que hay detrás de las biopelículas bacterianas ¿perjudiciales o benéficas?

Biopeliculas

Dr. Ernesto Pérez Rueda / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Instituto de Biotecnología de la Universidad Nacional Autónoma de México, campus Morelos.
M en BT Alberto Santos Zavaleta / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Centro de Ciecias Genómicas de la Universidad Nacional Autónoma de México, campus Morelos.
Eduardo Arturo Patiño Guerrero / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Archivo: Ciencias Biológicas

Las biopeliculas fueron primeramente identificadas por Anton van Leeuwenhoek, y las denomino “animálculos”. Son comunidades de microorganismos sésiles aquellos que viven adheridos a algún sustrato y están cubiertos por un exopolisacárido el cual les brinda protección y alimento, su formación es espontánea en presencia de húmedad y en cantidades mínimas de nutrientes. Su ciclo vital es un proceso dinámico que esta dividido en 5 partes: fijación inicial, unión irreversible, maduración I, maduración II y dispersión. Durante las etapas iniciales las bacterias suspendidas libremente o planktónicas se fijan a la superficie mediante atracciones electrostáticas y fuerzas de van der Waals, posteriormente secretan ácido colánico y algún exopolisacárido como: alginato, celulosa, o glucosa, entre otros; el cual comienza a desplegar una formación tridimensional, dando forma a la biopelícula, y finalmente, algunas células, ya sea aisladamente o en conglomerados, se liberan de la matriz para poder colonizar nuevas superficies, y empezar un nuevo ciclo. La formación de las biopelículas es un mecanismo que las bacterias presentan para responder contra las condiciones adversas del ambiente; en el cual el Quorum Sensing (QS), que es la regulación de la expresión genética en respuesta a las fluctuaciones en la densidad celular a través de señales moleculares llamadas autoinductores. Bacterias Gram-negativas usan homoserinas lactonas aciladas como inductores y las Gram-positivas usan oligopeptidos procesados para comunicarse. Es una forma de comunicación celular y es el encargado de sensar las señales, tales como N-aciI lhomoserina lactona (AHLs).
         En placas dentales, utensilios domésticos, cascos de barcos, aires acondicionados, catéteres e implantes médicos, vías urinarias, en nuestra piel y donde voltees a ver, los biofilms o biopelículas se encuentran diseminados prácticamente en cualquier lugar donde se puedan adherir, invadiendo un sin número de nichos ecológicos.Las biopelículas suelen estar formadas por una o por múltiples especies de bacterias. Las de especies mixtas predominan en la mayoría de los ambientes y los de una sola, son causantes de múltiples infecciones y se encuentran en la superficie de implantes médicos.          La fisiología de las biopelículas se caracteriza por incrementar su tolerancia al estrés y a la respuesta inmunológica del huésped, a biocidas que son sustancias químicas o biológicas que actúan para destruir, neutralizar, impedir la acción o ejercer control de otro tipo sobre cualquier microorganismo dañino. Estas sustancias pueden ser: desinfectantes, conservantes, pesticidas, herbicidas, fungicidas e insecticidas.
(incluyendo los antibióticos), siendo la causa de infecciones persistentes y crónicas. Las biopelículas pueden resistir hasta mil veces más condiciones de estrés adversas que las planktónicas. Aunque la composición química de las biopelículas es variable, el componente mayoritario de ellas es el agua, el cual puede representar hasta un 97% de la biomasa. Se considera como un atributo universal de las bacterias la formación de biopelículas ya que son omnipresentes; cualquier superficie en contacto con fluidos será susceptible de colonización. Adicionalmente, se ha demostrado que las biopelículas juegan un papel fundamental en el proceso de la fosilización, por medio de experimentos en tejidos blandos.
        Los mecanismos de inducción de las biopelículas son diferentes en cada bacteria. La expresión genética en las biopelículas difiere de aquellas de libre flotación, por lo que es difícil determinar si los mecanismos de regulación son los mismos. En las bacterias Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Bacillus subtilis y Staphylococcus aureus es donde más se ha estudiado el proceso de formación de las biopelículas. Sin embargo, la discrepancia en el proceso de formación entre ellas es amplia. En E. coli, por ejemplo, puede pasar de estado planktónico a biopelículas o viceversa dependiendo de las condiciones ambientales. Estas conversiones requieren de una expresión coordinada y de una compleja red de regulación.
La flexibilidad de la expresión genética en bacterias permite su supervivencia en medio ambientes variados. Aunque la expresión genética entre células de libre flotación y las biopelículas es diferente, se ha demostrado la participación en ambas de una proteína denominada factor sigma rpoS, el cual se une a la RNA polimerasa bacteriana redirigiendo la expresión de los genes relacionados a diferentes condiciones de estrés por lo que es llamado el regulador maestro de la respuesta general al estrés y está implicado en la regulación de más de 540 diferentes genes. En la formación de las biopelículas participan además: moléculas pequeñas, homoserinas lactonas, antibióticos y otros metabolitos secundarios como señales ambientales. El conjunto de genes expresados durante las diferentes etapas de la biopelícula en E. coli, están relacionados con la respuesta al estrés, con el fenómeno de QS, la motilidad (la capacidad que tienen los organismo de moverse espontánea e independientemente), formación de fimbrias (apéndices proteínicos (pelos cortos) los cual son utilizado para adherirse y lograr la colonización bacteriana), metabolismo del azufre y el triptófano, el transporte de proteínas, matriz extracelular, y la regulación de ADN y ARN.
         Debido a su alta resistencia a los antibióticos, las biopelículas causan problemas graves de salud, tales como infecciones y problemas dentales. Se estima que están implicados en el 65% de las infecciones bacterianas en los seres humanos. Industrialmente pueden causar problemas, ya que estimulan la corrosión, reducen la eficiencia de los intercambiadores de calor y contaminan algunos alimentos. En las últimas dos décadas, el estudio de las biopelículas ha tomado mucha importancia ya que estas comunidades bacterianas no son siempre perjudiciales para las actividades humanas, por ejemplo en placas dentales comprimen docenas de especies bacterianas y la composición de la comunidad determina la presencia o ausencia de enfermedades. En la Bioingeniería se emplean para la transformación de productos fermentados tales como: cerveza, vino, y vinagre, entre otros. Adicionalmente se usan en la depuración de aguas residuales donde se imitan los procesos naturales de purificación de agua por parte de biopelículas En la naturaleza compiten con microrganismos patógenos en condiciones favorables para la proliferación de éstos, además degradan la materia orgánica y algunos agentes tóxicos. En escenarios naturales la formación de biopelículas permite la simbiosis mutualista, por ejemplo, las Actinobacterias frecuentemente crecen en hormigas, permitiéndoles mantenerse libre de patógenos.

Trabajo a futuro, el caso de la bacteria Escherichia coli
Durante décadas, los microrganismos fueron caracterizados y estudiados como células planktónicas y fueron descritas con base en sus características morfológicas y su modo de crecimiento. Sin embargo, se ha demostrado experimentalmente que más del 99% de todas las bacterias existen como biopelículas, de ahí la importancia de la caracterización y del estudio de estas comunidades. Las investigaciones actuales se han enfocado en el entendimiento de la genómica de la formación de las biopelículas a través de perfiles de expresión genética. Las biopeliculas de E. coli, una enterobacteria gram-negativa y anaerobia facultativa del tracto digestivo; han sido investigadas mediante el uso de microarreglos y herramientas de expresión masiva, a lo largo de las ultimas décadas, lo cual la hace un modelo relevante para la comprensión de este mecanismo. En esta dirección, se han observado cambios de hasta el 38% de los genes durante la transición del estado planktónico a biopelículas.
A través de una revisión exhaustiva hemos identificado alrededor de 914 genes involucrados en esta respuesta fisiológica durante las diferentes etapas del desarrollo de la biopelícula, lo que corresponde aproximadamente al 22% del total de genes descritos en este organismo; lo que le hace ser una de las respuestas más extensas a condiciones ambientales adversas y sin duda una fuente inagotable de diversos estudios. Basados en disponibilidad que ofrecen los genomas completamente secuenciados, y el uso de herramientas de análisis de expresión masiva y computacionales, pretendemos determinar el grado de conservación de esta respuesta a través de la evolución bacteriana, así como el de sus genes expresados y reguladores durante las diferentes etapas del desarrollo de las biopelículas.

Biopeliculas


Semblanza


El Dr. Ernesto Pérez Rueda es investigador de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Su trabajo de investigación se centra en entender los mecanismos de la expresión genética en bacterias y arqueas utilizando la información derivada de los proyectos de secuenciación, así como en el estudio de los mecanismos evolutivos del metabolismo celular.


Semblanza


El M. en BT. Alberto Santos Zavaleta trabaja para el Centro de Ciencias Genómicas (CCG) en el Programa de Genómica Computacional de la UNAM, es biocurador de las bases de datos RegulonDB y Ecocyc, las cuales están relacionadas a la regulación transcripcional y metabolismo en Escherichia coli respectivamente. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI), del Sistema Estatal de Investigadores (SEI) y de la Sociedad Internacional de Biocuración (ISB).


Semblanza


Eduardo Arturo Patiño Guerrero es estudiante de la carrera de ingeniera en biotecnología en la Universidad Politécnica del estado de Morelos (UPEMOR), actualmente se encuentra realizando su tesis en el laboratorio de investigación en biotecnología de la UPEMOR, sobre análisis de la actividad antimicrobiana de bacterias antagónicas hacia Ralstonia solanacearum y Clavibacter michiganensis subsp. michiganensis.