¿Cómo las bacterias se transfieren información?

                                                              

Las bacterias al igual que otros organismos son capaces de establecer comunidades complejas formadas por una o múltiples especies en estructuras poblacionales denominadas biopelículas. Estas asociaciones bacterianas nos hacen cuestionarnos los mecanismos por los cuales las distintas bacterias son capaces de reconocerse entre sí, comunicarse y transferirse información en estas micro comunidades. 

 

Figura1. Comunicación mediada por percepción de Quórum. Cada figura elíptica azul representa una célula, las moléculas verdes representan a los autoinductores y el círculo amarillo representa a un receptor de autoinductor. La célula de la izquierda representa condiciones con poca población, mientras que las de la derecha representan condiciones con alta población en dónde se permite la activación de la respuesta de Quórum.

Tanto en bacterias Gram-positivas como en bacterias Gram-negativas se han descritos sistemas de comunicación denominado percepción de quorum  en los cuales los individuos producen moléculas pequeñas como pequeños péptidos, homoserina lactonas, etc^1–4. Estas moléculas difunden a través de la membrana o son transportadas para alcanzar el medio extracelular y se denominan autoinductores, una vez que estos autoinductores alcanzan concentraciones mayores extracelularmente permite la activación de receptores membranales o el reingreso y acumulación intracelular del autoinductor permitiendo así la activación de receptores intracelulares. Este tipo de comunicación puede generarse entre organismos de una misma especie o puede existir comunicación interespecie, favoreciendo el reconocimiento de poblaciones de distintas especies y de sincronizar respuestas de la comunidad^3,4 (figura 1).

 

Algunos de estos sistemas de percepción de quórum se ven favorecidos por otros sistemas de comunicación como son las vesículas de membrana. 

 

 

 

Figura 2. Comunicación mediada por vesículas de membrana. Se representan con círculos de color azul las vesículas de membrana. Los distintos cargos proteínas (círculos verdes abiertos), moléculas de quorum (moléculas verdes), DNA(doble cadena morada), metabolitos (amarillo).

 

Las vesículas de membrana son estructuras formadas por algunas bacterias que se originan a partir de alguna de las capas de su envoltura celular las cuales pueden estar constituídas por los componentes de la membrana citoplásmica en el caso de las Gram-positivas o por componentes de ambas membranas o solamente de la membrana externa en el caso de las Gram-negativas. Estas vesículas son capaces de transportar metabolitos, proteínas, moléculas de percepción de quorum e incluso ADN. Las vesículas pueden difundir y alcanzar a otras bacterias siendo entonces fusionadas a las membranas de las céluilas blanco y de este modo transmitirán proteínas, metabolitos, moléculas de quorum o incluso ADN⁵ (figura 2). Este mecanismo también se ha observado que es utilizado entre bacterias y algunos de sus hospederos permitiendo comunicación no solo entre distintas especies de bacterias sino entre especies de distintos reinos por ejemplo bacteria-animal, bacteria-planta^5–7.

 Como se mencionó anteriormente las vesículas de membrana son capaces de transportar ADN y con esto trasmitir información a otras células vecinas.

Existen otros mecanismos especializados en transferir ADN como el de la conjugación mediada por un pili, en este tipo de comunicación una bacteria donadora es capaz de formar una estructura proteica denominada pili que une a ambas células y transporta el ADN hasta la célula receptora⁸. De esta manera la célula receptora es transformada con este nuevo material genético, este mecanismo ayuda a transferir por ejemplo, genes de resistencia a antibióticos⁹ (figura 3).  

 

Figura 3. Comunicación mediada por conjugación. Se representan dos bacterias distintas una donadora azul y una receptora rosa. El pili (rectángulo azul oscuro), plásmidos ó ADN transferible (donas moradas), ADN cromosoma(dona color rosa).

Recientemente se describió la existencia de estructuras en forma de tubos que conectan a bacterias de la misma especie o incluso de especies distintas. Se observó que estas estructuras tubulares establecen una conexión directa entre el citoplasma de las bacterias que se encuentran asociadas en las biopelículas. Estos tubos están formados por la envoltura celular y pueden transferir proteínas, metabolitos e incluso ADN de forma bidireccional¹⁰ (figura 4). 

 

 

Figura 4. Comunicación mediada por túbulos. Se muestran dos células unidas a través de un tubo que conecta a ambos citoplasmas (región azul claro) permitiendo el transporte de ADN(dona verde) metabolitos y proteínas (círculos azul, gris y amarillo). ADN del cromosoma se representa como una dona azul rey.

 

El entendimiento de estos sistemas de comunicación nos permitirá entender a las comunidades bacterianas, que presentan mecanismos de comunicación complejos algunos también observados en organismos multicelulares y permitirnos incursionar en el entendimiento del establecimiento de comunidades dinámicas capaces de comunicarse y responder, no solo como individuos sino como una comunidad.

 

Dra. Laura Camarena Mejía/ Dr. Benjamín Vega-Baray

Investigadora Titular de Tiempo Completo.

Instituto de Investigaciones Biomédicas-UNAM.

 

Referencias

1.        Bassler, B. L. & Losick, R. Bacterially speaking. Cell 125, 237–246 (2006).

2.        Fuqua, C. & Greenberg, E. P. Listening in on bacteria: acyl-homoserine lactone signalling. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 3, 685–695 (2002).

3.        Lazazzera, B. A. The intracellular function of extracellular signaling peptides. Peptides 22, 1519–1527 (2001).

4.        Ng, W.-L. & Bassler, B. L. Bacterial Quorum-Sensing Network Architectures. Annu. Rev. Genet. 43, 197–222 (2009).

5.        Mashburn-Warren, L. M. & Whiteley, M. Special delivery: vesicle trafficking in prokaryotes. Mol. Microbiol. 61, 839–846 (2006).

6.        Goedhart, J. et al. Nod factors integrate spontaneously in biomembranes and transfer rapidly between membranes and to root hairs, but transbilayer flip-flop does not occur. Biochemistry 38, 10898–10907 (1999).

7.        Aschtgen, M.-S. et al. Rotation of Vibrio fischeri Flagella Produces Outer Membrane Vesicles That Induce Host Development. J. Bacteriol. 198, 2156–2165 (2016).

8.        Snyder, L. & Champness, W. Molecular genetics of bacteria. (ASM Press, 2007).

9.        Rozwadowski, M. & Gawel, D. Molecular Factors and Mechanisms Driving Multidrug Resistance in Uropathogenic Escherichia coli-An Update. Genes 13, 1397 (2022).

10.      Dubey, G. P. & Ben-Yehuda, S. Intercellular Nanotubes Mediate Bacterial Communication. Cell 144, 590–600 (2011).