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Mecanismos de percepción de señales Las bacterias viven en ambientes en los que varían el pH, la Tª, la concentración de nutrientes, la cantidad de bacterias... Y tienen que adaptar su metabolismo a estos cambios para gastar el mínimo de energía. Por ello necesitan algún mecanismo que les permita percibir señales del entorno y comunicarse entre si. Para ello utilizan un mecanismo de transducción de señales en dos componentes, que realmente son mecanismos regulatorios que controlan la expresión génica. Pueden ser de dos tipos: los que regulan la cantidad de enzima, a nivel transcripcional y traduccional y los que regulan la actividad, a nivel postraduccional. Estos sistemas están formados por dos componentes: -

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Proteína sensora: transmembranales, generalmente quinasas sensoras con un dominio externo periplásmiso donde reciben la señal, y uno interno citoplásmico catalítico, donde las quinasas sensoras tienen capacidad de autofosforilarse. Para realizar esta fosforilación, que ocurre en un residuo de His, utilizan ATP. Proteína reguladora: proteína citoplásmica que recibe la señal al fosforilarse. Suele ser una proteína de unión al DNA que controla la transcripción.

Un sistema de estas características necesita una señal de terminación, una fosfatasa que defosforile la proteína reguladora, para que deje de actuar. Puede ser que la misma quinasa sensora también tenga la actividad fosfatasa, o que se necesite una fosfatasa externa al sistema. En este caso ya no seria un sistema de dos componentes Dos tipos de sistemas de dos componentes: -

Clásico: solo la proteína sensora y la reguladora. La quinasa sensora tiene la doble actividad quinasa-fosfatasa Fosforrelé: o complejo. Se producen reacciones múltiples de fosforilación, los fosfatos van pasando de residuos de histidina a aspartato, formando una cadena de fosforilaciones. Hay varios transmisores intermedios entre la proteína sensora y la reguladora. Tienen una ventaja sobre los clásicos, dan una mayor precisión a la regulación al haber más puntos de control. Esto sucede, por ejemplo, en la esporogénesis, u otras decisiones importantes sin retorno.

Los sistemas clásicos predominan en procariotas y los complejos en eucariotas. Puede resultar interesante estudiar estas diferencias para obtener nuevos medicamentos que ataquen a los sistemas clásicos, característicos de procariotas.

Quimiotaxis Si en un cultivo con bacterias ponemos un capilar con nutrientes, las bacterias nadarán hacia él. Esto quiere decir que las bacterias son capaces de detectar gradientes de compuestos. Si estos resultan interesantes las bacterias se moverán hacia la mayor concentración, si resulta perjudicial se alejarán de él. Este movimiento se denomina quimiotaxis, y consiste en el control del movimiento de los flagelos. Puede ser positiva o negativa. En la quimiotaxis hay que captar un gradiente, no una concentración absoluta. Las bacterias pueden captar gradientes temporales, pero no espaciales, son demasiado pequeñas. Para captar un gradiente temporal se necesita comprobar constantemente la presencia o ausencia del estímulo. Cuando no hay gradiente las bacterias se mueven con movimientos de carrera y realizan sacudidas para cambiar su trayectoria, se mueven más bien al azar. Cuando hay un gradiente el movimiento de carrera se hace más largo, aunque también hay alguna sacudida, en general se mantiene en la zona del compuesto químico. Este movimiento de carrera tiene lugar cuando todos los flagelos se unen y giran a la vez en sentido en contra de las agujas del reloj. Las sacudidas se producen cuando giran en sentido de las agujas del reloj, la bacteria se desequilibra y cambia de dirección. En quimiotaxis las señales funcionan a nivel de la actividad de los productos génicos, no a nivel de la traducción. Está controlada por sistema de dos componentes: Las quinasas sensoras se llaman MCP, Proteínas de Quimiotaxis aceptoras de grupos Metilo. Tienen una región periplásmica que se une a la señal, el compuesto químico, y una parte interna que tiene unidas varias proteínas. Destaca de CheA, que es la que se autofosforila en respuesta a la señal. Ej, Tar en E.coli capta aspartato y glutamina, dos nutrientes.

Este sistema utiliza dos reguladores de respuesta: CheB y CheY. Cuando CheA se autofosforila es cuando no hay atrayente. Transfiere la señal fosforilando los dos reguladores de respuesta. CheY se fosforila, activa y actúa sobre las proteínas FLI del flagelo, haciendo que pasen de girar CCW a CW. Como consecuencia la bacteria pega una sacudida. Este sistema necesita una fosfatasa, CheZ, para retirar los grupos fosfato y volver a la situación inicial. Cuando hay atrayente la configuración de MCP cambia e impide la fosforilacion de CheA, bloqueando la ruta y como consecuencia la bacteria no pega sacudidas y sigue una línea recta. Este sistema no es suficiente, ya que cuando se identifica el atrayente se iniciaría una carrera continua. Lo que queremos es que permanezca en el sitio, no que siga avanzando en la zona con más abundancia del nutriente. Es necesario un sistema de adaptación que compruebe la presencia constantemente para que la bacteria no pase de largo del nutriente, se detenga en él. Las MCP también son proteínas aceptoras de grupos metilo, que proceden de la adenosil metionina (SAM). CheR es una proteína que añade constantemente grupos metilo a las MCP. Cuando CheA se fosforila, también fosforila a CheB, y esta fosforilada actúa como desmetilasa, elimina los grupos metilo de MCP. Estos son los dos componentes de sistema de adaptación. El grado de metilación de las MCP afecta a su configuración, tienen una forma distinta cuando están completamente metiladas que cuando están poco metiladas. La distinta configuración afecta a su capacidad de unirse al atrayente: Cuando están muy metiladas liberan el atrayente y son incapaces de unirse a él, y cuando están poco metiladas puede unirse al atrayente. Este sistema de metilación/desmetilación controla el grado de sensibilidad al atrayente, permite reiniciar los quimiorreceptores, para chequear la presencia de atrayente constantemente. CheR va añadiendo grupos metilo hasta que se llega al grado de metilación máximo y el atrayente unido se libera. Al no estar MCP a nada CheA puede autofosforilarse, lo que resultará en una sacudida de los flagelos. Por tanto cuando hay atrayente las carreras son largas pero sigue habiendo sacudidas.

Fototaxis Útil en bacterias fototrofas, les permite captar gradiente de luz y dirigirse hacia él. La diferencia con la quimiotaxis está en la presencia de fotorreceptores en lugar de quimiorreceptores. Comparte elementos con la quimiotaxis, ya que en los mutantes defectivos de fototaxis también hay problemas en la quimiotaxis. La escotofobotaxis es un sistema similar, pero solo capta determinadas longitudes de onda. El estudio de estos mecanismos en procariotas puede ayudar a comprender sistemas de señalización más complejos en eucariotas.

Mecanismo de autoinducción Las bacterias son también capaces de comunicarse entre ellas. Para eso utilizan un sistema diferente, un mecanismo de autoinducción. En estos sistemas también hay una proteína reguladora de respuesta que cuando se activa regula el DNA, activando e inhibiendo Y existen señales que activan la proteína reguladora. La señal, que es el autoinductor, es una molécula pequeña que sale por difusión de la bacteria. Salen al exterior por gradiente de concentración, ya que dentro de la célula hay más que fuera, y se acumulan en el exterior. Si la concentración del exterior es demasiado alta, la señal comenzará a entrar y acumularse en el citosol, hasta que la concentración es lo suficientemente alta como para interactuar con la proteína reguladora. Para que los autoinductores se acumulen en el exterior tiene que haber muchas bacterias que lo secreten, por lo que la concentración de autoinductor es una representación de la cantidad de bacterias que hay cerca. Actuar en grupo supone una ventaja competitiva para las bacterias. La ventaja que supone es que todos estos procesos que realizan no funcionarían con una bacteria aislada, por ejemplo secretar enzimas para degradar una presa. Esto necesita de un mecanismo regulatorio dependiente de la densidad bacteriana, que haga que ciertos procesos solo sucedan cuando hay una densidad elevada. Ej. Las Mixobacterias son procariotas que lo hacen todo en grupo. El Quorum sensing es la expresión de genes dependiente de la densidad bacteriana. Estos procesos controlan muchas funciones en procariotas. Por ejemplo: Bioluminiscencia (Vibrio fischeri) · Virulencia, formación de biofilms (pseudomonas) · Transición a fase estacionaria (E. coli) · Simbiosis con plantas · Formación de tumores · Desarrollo de competencia · Conjugación · Producción de antibióticos · Esporogénesis

Las señales tienen en común varias características: son compuestos pequeños que en general son excretados fuera de la bacteria y se acumulan en el exterior para indicar la densidad bacteriana. En las Gram – las señales se denominan autoinductores, pueden ser acil-homoserina lactonas, derivados de ácidos grasos que se forman a partir de CoA y SAM (adenosil metionina). AHL. En general actúan en el interior de la bacteria. En Gram + las señales se denominan feromonas, que son oligopéptidos. Generalmente actúan desde el exterior. Gram – Existe una proteína que sintetiza los autoinductores. Estos salen fuera de la bacteria por difusión. Una segunda proteína citoplásmica es la reguladora de respuesta. Inicialmente los autoinductores salen, pero cuando la concentración externa es demasiado alta comienzan a entrar, y se acumulan en el interior hasta que la concentración es lo suficientemente alta como para interactuar con la reguladora de respuesta. Este primer mecanismo se descubrió en Vibrio sp., que regulaba la bioluminiscencia de esta forma. Se regula la expresión del operón lux, que produce la luciferasa. Establece simbiosis con sepia. Gram + Las señales son péptidos pequeños, que salen al exterior y actúan desde ahí, no vuelven a entrar a la célula. Para captar su presencia se utiliza un sistema de transducción de señales de dos componentes. Los péptidos actúan fuera porque dentro pueden ser rápidamente degradados por peptidasas. La proteína reguladora se activa por una señal distinta. En la esporogénesis de Bacilus, como excepción, los péptidos actúan dentro, vuelven a entrar. Estos se unen rápidamente a fosfatasas para realizar su función. En otro Vibrio, Gram -, también hay control de la bioluminiscencia por este mecanismo. Quorum sensing hibrido. Se producen dos señales, una son autoinductores típicos y la otra es un furanosil borato diester. Esos autoinductores en vez de volver a entrar a la célula, actúan desde el exterior. Uno de ellos es captado por un sensor y el otro por otro, pero ambos convergen en un mismo transmisor. La proteína LuxS se encuentra tanto en Gram + y -, y parece regular distintos procesos. Las señales pueden actuar como tales en bacteria diferentes. Las señales suelen ser intraespecificas, exclusivos de una especie, pero el LuxS es enterespecico, permite la comunicación entre especies diferentes. Pseudomonas es una bacteria patógena que coloniza y al aumentar la densidad bacteriana activa un mecanismo de quorum sensing. Al formar el complejo señal-regulador se produce una transcripción determinada, que genera factores de virulencia. Con una densidad media se activan ciertos genes produciendo una infección crónica. Hay un segundo sistema de regulación, que necesita de una densidad bacteriana mucho más elevada para funcionar, se une al primer regulador y el complejo de los 4 hace que se expresen aún más factores de virulencia, dando lugar a una virulencia aguda. Ventajas La regulación por estos mecanismos tiene una serie de ventajas: -

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Permite a las bacterias aumentar su supervivencia. El caso más típico es la bioluminiscencia, proceso químico que permite la emisión de luz, y no tiene sentido para una bacteria aislada. Si se une un grupo la suma de todos los haces dan una intensidad detectable. Para que se produzca esta reacción se consume mucha energía y O2, puede poner en desventaja a las bacterias, pero si están juntas les merece la pena. La virulencia. Es más ventajoso expresar estos factores cuando el número es elevado, porque se alerta al sistema de defensa del hospedador, y si son pocas puede acabar con ellas fácilmente. Si hay muchas bacterias tendrá más dificultades para eliminarlas. La producción de antibióticos. Sirven para eliminar a otras bacterias con las que compiten. Por la densidad bacteriana elevada se detecta que puede haber mucha competencia por los nutrientes, se elimina la competencia.

Biofilms Los mecanismos de quorum sensing también se utilizan para formar biofilms. Un biofilm es una agrupación de bacterias altamente estructurado. Es la forma más habitual en la que se encuentran las bacterias en la naturaleza. Forman sociedades estructuradas, de manera que en lugares distintos del film se pueden activar patrones de genes distintos. Existen redes de canales, transporte de nutrientes… de manera que todas dispongan de nutrientes e hidratación. Además, se vuelven más resistentes a agentes nocivos, como enzimas, tóxicos y fagocitosis. También existen sistemas de comunicación entre procariotas y eucariotas. En este caso el quorum sensing controla procesos que suelen ser fatales para el eucariota, el cual lo detecta y se defiende sintetizando compuestos antagonistas de los receptores de los autoinductores. Delisea pulchra es un tipo de alga roja. Las algas rojas suelen estar colonizadas por gram-, pero esta no lo estaba. Se descubrió que sintetizaba una furanona, un compuesto halogenado, que liberaba en vesículas a la superficie para evitar la colonización. Esta furanona es muy similar estructuralmente a los autoinductores, acil-homoserina lactonas. La bacteria las confunde y el compuesto se une a las proteínas inductoras y las bloquea. De esta forma las bacterias no se pueden comunicar y no consiguen colonizar el alga. Una vez se forma un biofilm, es muy difícil eliminarlo. Se probó utilizando furanonas y se vio que se consigue evitar su formación, por lo que su uso puede llegar a ser muy importante. Los biofilm se pueden formar sobre todo tipo de superficies, domesticas, médicas, industriales… los biocidas artificiales cada vez tienen menos efecto, por lo que compuestos naturales como la furanona sean la respuesta a este problema. Es más sencillo evitar que se forme el biofilm que retirar el que ya se ha formado. Para que se forme el biofilm tiene que existir una superficie, da igual inerte o tejidos vivos, cualquier tipo vale mientras que en su superficie haya nutrientes de los que alimentarse. Las bacterias podrían llegar de forma activa, por quimiotaxis, o de forma pasiva, gravitacionalmente. Muchos de estos biofilms se forman en entornos acuáticos. Hay varias etapas en su formación: 1. Inicial: unión débil y reversible. La bacteria llega y decide si permanecer o no. Dura segundos 2. Unión: la bacteria finalmente se fija a la superficie de forma irreversible, que requiere de estructuras especiales bacterianas como adhesinas, pili, fimbrias, la capsula… 3. Crecimiento vegetativo: comienzan a crecer y multiplicarse, para incrementar la masa bacteriana. 4. Maduración: se forma el biofilm propiamente dicho. Como la densidad es elevada comienzan a funcionar mecanismos de quorum sensing, para dar la estructura de biofilm. Genes que antes no funcionaban comienzan a funcionar. Las bacterias sufren una diferenciación fisiológica, y en ocasiones incluso morfológica. Se lleva a la producción de exopolisacáridos, que formarán una matriz que rodea la población de biofilm, y que permite que adquiera su estructura. Pueden también comenzar a funcionar genes relacionados con distintos patrones metabólicos, de manera que ciertas bacterias produzcan sustancias que todas puedan aprovechar. El cambio fisiológico implica un ralentizamiento del crecimiento, tiempos de generación más largos. 5. Adhesión de otros organismos: organismos superiores pueden asociarse al biofilm. Otras células se pueden liberar y colonizar otros entornos. Es una comunidad altamente estructurada, que permite que las bacterias adquieran características de un organismo multicelular, pueden repartir funciones. Bueno, pues parece que son todo ventajas para las bacterias, pero para el hombre en general no causan más que problemas. Por ejemplo, en los depósitos de agua se pueden formar biofilms, que son resistentes a la cloración del agua. Mientras se queden en las paredes del depósito no hay mayor problema, pero si se liberan pueden contaminar el agua Otro problema es la formación de biofilm en los cascos de los barcos, lo que aumenta el rozamiento y hace que los viajes sean más largos y se gaste más combustible. En este caso también es fácil que al biofilm se añadan algas y demás organismos. Se pueden utilizar pinturas especiales para evitarlo También pueden dificultar los transportes de agua y petróleo, atascando tuberías. Se llegó a formar un biofilm en la tubería de una central nuclear. Otros biofilms tienen la capacidad de eliminar 6cm de acero, haciendo peligrar plataformas petrolíferas ·

Se transmite por aerosoles. A nivel de medicina plantea muchos problemas. En prótesis, válvulas del corazón, catéteres… Vienen esterilizados, pero en ocasiones quedan restos de bacterias muertas, que pueden servir como nutrientes para otras. Si se forma un biofilm se producen infecciones para las que los antibióticos no sirven para nada. Puede obligar a retirar la prótesis. En el corazón de pueden formar endocarditis, choque séptico y muerte. Legionella puede formar un biofilm en personas un poco inmunodeprimidas, sobre todo gente mayor, causando una neumonía. Crece en sistemas de aire acondicionado, entre 37-42ºC. La placa dental es precisamente un biofilm sobre un diente, que es una superficie con muchos nutrientes. Colonizadores tempranos y tardíos. Si el biofilm permanece, no se elimina lavando los dientes, la bacterias bucales tienen enzimas capaces de producir una fermentación, que liberará ácidos y dañará el esmalte causando caries. Pero hay también casos positivos. Por ejemplo, las bacterias que forman parte de la microbiota intestinal, que evitan que se asienten patógenos. En la vagina también hay bacterias de ácido láctico, que actúan estimuladas por estrógenos. También contribuyen a evitar el asentamiento de otras bacterias patógenas. En ecología microbiana, se pueden utilizar para eliminar residuos en plantas depuradoras. También para eliminar compuestos tóxicos como el petróleo. A nivel industrial se crean biofilm artificiales imitando lo que hacen las bacterias. Se inmovilizan bacterias en matrices, y luego se utilizan en fermentaciones industriales. Las bacterias inmovilizadas así pueden reutilizarse. Los antibióticos tienen dificultades para eliminar biofilms (ver uropatógeno)...