Un nuevo mecanismo de regulación general que controla la formación de biopelículas, virulencia y resistencia a condiciones extremas en bacterias.
Las bacterias viven principalmente formando comunidades complejas, como las biopelículas, que son agrupaciones de bacterias adheridas entre sí y a una superficie. Esta forma de vida les hace muy resistentes, y dificultan su eliminación cuando colonizan y contaminan las superficies de dispositivos médicos como catéteres, o de equipos e instalaciones industriales alimentarias, tuberías, etc. El problema es aun mayor cuando las biopelículas están formadas por especies patógenas que presentan un riesgo para la salud. Por ello, es relevante comprender cómo las bacterias controlan su capacidad para formar comunidades. En un innovador estudio, liderado por un equipo de investigadores del Centro de Astrobiología (CAB), CSIC-INTA, se ha descubierto que la mayoría de las especies de bacterias emplean el mismo mecanismo de regulación general para controlar la formación de biopelículas, además de la virulencia y resistencia a determinadas condiciones de estrés. El hallazgo de este mecanismo permite una mejor comprensión del proceso de formación de las comunidades bacterianas, del control de la virulencia y de la adaptación a condiciones extremas, y además abre nuevas vías para impedir la formación de comunidades microbianas y el tratamiento de infecciones.
Este trabajo de investigación ha sido publicado en la revista Nucleic Acids Research y se titula «La modificación de la queuosina del ARNt está implicada en la formación de biopelículas y la virulencia en bacterias» («tRNA queuosine modification is involved in biofilm formation and virulence in bacteria»). Concretamente, mediante la combinación de análisis bioinformáticos y estudios experimentales se demostró que la molécula queuosina (Q) es necesaria para coordinar la expresión de determinados genes denominados “genes Q”, que están implicados en esos procesos biológicos bacterianos. La Q es empleada por la célula para modificar algunas moléculas determinadas del ARNt (ARN de transferencia) que se encargan de la incorporación de los aminoácidos en las proteínas. Las moléculas de ARNt modificadas por Q serían responsables de incrementar la expresión de los genes que están enriquecidos en una determinada secuencia “NAU” (“genes Q”), que mediante bioinformática se han podido predecir en la mayoría de las especies de bacterias.
Este grupo de investigación está especializado en el estudio de las estrategias moleculares que permiten a los microorganismos adaptarse a condiciones extremas, de relevancia en Astrobiología para comprender como la vida se podría adaptar en otros cuerpos planetarios. En estudios previos de este grupo observaron que un incremento en la biosíntesis de Q en las células estaba relacionado con una mayor resistencia a determinadas condiciones (choque térmico, pH ácido, radiación UV, perclorato y arsénico). En este estudio han demostrado que la Q tiene un efecto muy relevante sobre la formación de biopelículas y la virulencia en especies bacterianas muy diferentes, incluyendo patógenos, lo que representa un mecanismo regulador general novedoso para el control de estos procesos biológicos. La mayoría de las especies bacterianas viven formando comunidades multicelulares, como las biopelículas, en las que las células están adheridas entre sí mediante una matriz de compuestos poliméricos extracelulares, lo que les proporciona una mayor resistencia y supervivencia frente a cambios ambientales y a depredadores. Estas comunidades microbianas son relevantes en el desarrollo de infecciones crónicas, así como en la contaminación de dispositivos médicos como catéteres y equipos e instalaciones industriales (tuberías, etc) que terminan siendo inutilizados. De manera similar, la virulencia bacteriana (la capacidad de las bacterias para causar enfermedades) representa una amenaza importante para la salud pública. Por lo tanto, los hallazgos de esta investigación abren nuevas vías para el desarrollo de tratamientos basados en la inhibición de la biosíntesis de Q y de la modificación que hace del ARNt para luchar contra infecciones bacterianas y problemas relacionados con la formación de biopelículas.
La queuosina (Q) aumenta la expresión de “genes Q” relacionados con formación de biopelículas y virulencia en una gran variedad de especies bacterianas. La ausencia de Q produce una disminución de estos procesos, como se observa en la formación de biopelículas en Bacillus subtilis y Escherichia coli, lo que abre la puerta al desarrollo de tratamientos basados en la inhibición de la biosíntesis de Q para luchar contra infecciones bacterianas y problemas relacionados con la formación de comunidades microbianas.
Un aspecto relevante de este estudio es que la mayoría de las especies de bacterias emplearían este mecanismo de modificación del ARNt por Q para controlar la formación de biopelículas y la virulencia. Hasta el momento, los mecanismos de regulación descritos para estos procesos eran específicos de algunos grupos bacterianos, pero no comunes a la mayoría de las especies. Por tanto, estos descubrimientos permitirán prevenir y combatir problemas relacionados con biopelículas e infecciones bacterianas producidas por una amplia gama de especies.
Las implicaciones de esta investigación se extienden más allá de las infecciones bacterianas y la formación de biopelículas. En el estudio se propone que en el contexto de los microbiomas (comunidades microbianas) las bacterias que los habitan se pueden clasificar en dos tipos dependiendo de su capacidad o no de producir Q: “Q-fuentes”, bacterias que producen Q; y “Q-sumideros”, bacterias que aunque necesitan Q, no la producen y tienen que captar del exterior, principalmente de bacterias “Q-fuentes”. Los investigadores afirman que los desequilibrios entre las poblaciones de “Q-fuentes” y “Q-sumidero” en comunidades microbianas, como el microbioma intestinal humano, podrían provocar alteraciones en la funcionalidad de estas comunidades. De hecho, los hallazgos mostraron que las enfermedades relacionadas con el microbioma, como la enfermedad inflamatoria intestinal (EII) o el cáncer colorrectal (CCR), están asociadas con un enriquecimiento de bacterias “Q fuentes” y una disminución de las “Q-sumidero”. Esta idea ofrece una perspectiva novedosa sobre la disbiosis del microbioma y su impacto potencial en la salud humana.
Además, este estudio revela una nueva estrategia empleada por las bacterias para su adaptación a condiciones extremas, que podría ser empleada para mejorar la resistencia de organismos que formen parte de sistemas de soporte de la vida, relevantes para la exploración espacial.
Para obtener más información sobre el estudio, consultar el artículo titulado «tRNA queuosine modification is involved in biofilm formation and virulence in bacteria», publicado en la revista Nucleic Acids Research.
Fuente: CAB (INTA-CSIC)