Fronteras para Mentes Jóvenes

¿Todas las Bacterias son malas?

Siempre tenemos muchas bacterias a nuestro alrededor, ya que viven en casi todas partes: en el aire, el suelo, en diferentes partes de nuestro cuerpo e incluso en algunos de los alimentos que comemos, como el yogur, el queso y los encurtidos. Pero no te preocupes! La mayoría de las bacterias son buenas para nosotros. Algunos viven en nuestro sistema digestivo y nos ayudan a digerir nuestros alimentos, y otros viven en el medio ambiente y producen oxígeno para que podamos respirar y vivir en la Tierra. Pero desafortunadamente, algunas de estas maravillosas criaturas a veces pueden enfermarnos. Esto es cuando necesitamos ver a un médico, quien puede recetar medicamentos para controlar la infección. Pero, ¿qué son exactamente estos medicamentos y cómo combaten las bacterias? Estos medicamentos se llaman «antibióticos», que significa «contra la vida de las bacterias».»Como su nombre nos dice, los antibióticos matan las bacterias o impiden que crezcan al impedir que un proceso específico funcione dentro de la célula bacteriana. Cuando las bacterias dejan de crecer, nuestros cuerpos pueden eliminar la infección y nos sentimos mejor.

El desarrollo de antibióticos es uno de los mayores éxitos de la medicina moderna. Los antibióticos han salvado millones de vidas desde que los médicos comenzaron a usarlos en la década de 1940 y han ayudado a los seres humanos a tener una vida mucho mejor al tratar con éxito casi todos los tipos de infecciones bacterianas. Pero como nosotros, ¡las bacterias también son inteligentes! Desde la década de 1940, las bacterias han estado desarrollando tácticas para superar los efectos de los antibióticos, y hoy vemos más y más bacterias que ya no pueden ser asesinadas por los antibióticos. Estos se conocen como bacterias resistentes a los antibióticos o «superbacterias», y son una amenaza grave para la salud de las personas en todo el mundo. Si no tenemos antibióticos para detener las infecciones bacterianas, incluso algo tan simple como un pequeño corte infectado en el dedo podría poner en peligro la vida. Por lo tanto, se necesitan nuevas armas, en forma de nuevos antibióticos, para tratar las infecciones causadas por bacterias resistentes a los antibióticos. Para encontrar nuevos antibióticos, primero necesitamos comprender completamente el funcionamiento interno de la célula bacteriana. Nuestro laboratorio se centra en entender algo muy importante sobre cómo funcionan las bacterias: la forma en que las bacterias se convierten en dos células de una célula, también llamado el proceso de división celular bacteriana.

La Forma Bacteriana de Convertirse en Dos De Uno

Al igual que todo tipo de organismos, todas las bacterias necesitan crecer y multiplicarse para sobrevivir como especie. Cuando hay suficiente comida disponible, las bacterias se multiplican rápidamente duplicando su tamaño y luego partiéndose por la mitad, para crear dos nuevas células . Este es el proceso de «división» que se muestra en la Figura 1A. Las bacterias utilizan un tipo de maquinaria dentro de la célula para hacer esto, que se conoce como anillo Z (anillo verde en la Figura 1). El anillo Z se forma exactamente en el centro de la célula y se envuelve alrededor de la célula. Cuando la célula se divide, se crean dos nuevas células del mismo tamaño. Durante la división, todo lo que hay dentro de la celda debe copiarse y compartirse equitativamente entre las dos celdas nuevas. Esto incluye el ADN bacteriano (que se muestra como manchas marrones dentro de la célula en la Figura 1), que es como un código para bacterias que lleva toda la información necesaria para que una célula sobreviva. Si las células nuevas no reciben una copia completa de esta información, no pueden crecer adecuadamente y no sobrevivirán.

La formación del anillo Z exactamente en el centro de la célula es esencial para producir dos células sanas; de lo contrario, una célula no contendrá ADN y morirá (Figura 1B). Esto resulta en que solo la mitad de las nuevas células bacterianas sobrevivan, lo que no es tan bueno para el crecimiento bacteriano. Aquí viene una pregunta muy interesante: ¿cómo se asegura una célula bacteriana de que el anillo Z se forme solo en el centro de la célula y no en ningún otro lugar de la célula? El lugar donde se forma el anillo Z es tan importante que está bajo el control de muchos sistemas que trabajan juntos para detener la formación del anillo Z en cualquier lugar que no sea el centro de la célula.

Además de asegurarse de que el anillo Z se forma en el lugar correcto, una célula también necesita detectar el momento correcto para formar el anillo Z y dividirse. Esto depende en gran medida del entorno en el que se encuentran las bacterias. Por ejemplo, si hace mucho frío o no hay comida alrededor, las bacterias crecen muy lentamente y no necesitan dividirse muy a menudo. Un buen momento para que las bacterias se dividan es cuando hay muchos de sus alimentos favoritos, como azúcares simples, disponibles. En esta situación, las células bacterianas crecerán más rápido y comenzarán a dividirse muy rápidamente, para asegurarse de que se produzcan tantas bacterias nuevas como sea posible antes de que se agote el alimento. Pero la pregunta es: ¿cómo detectan las bacterias la presencia de alimentos en su entorno y utilizan esta información para acelerar el crecimiento y la división celular? Esta es la pregunta que queríamos responder en nuestro estudio.

Nuestro estudio—Los Alimentos Bacterianos No son Simplemente para obtener Energía, Hacen Más……

Los alimentos se descomponen dentro de una célula para crear energía y bloques de construcción para que la célula crezca, y el proceso que hace esto se conoce como metabolismo. En otras palabras, la pregunta que hicimos en nuestro estudio fue: ¿cómo está conectado el metabolismo con la división celular en las bacterias? Primero, tenemos que contarles un poco sobre cómo funciona el metabolismo. Las enzimas son componentes diminutos dentro de las células que llevan a cabo todas las reacciones químicas necesarias para descomponer los alimentos durante el metabolismo. La glucosa, que es un azúcar simple que proviene de los alimentos que comen las bacterias, se descompone por enzimas en una serie de pasos, que en conjunto se conocen como el proceso de glucólisis (caja naranja en la Figura 2A). El último paso de la glucólisis produce un compuesto llamado piruvato que se utiliza para generar energía y bloques de construcción para que la célula crezca.

Como le dijimos antes, una célula bacteriana sana forma un anillo Z en el centro de la célula (Figura 2B). En nuestro estudio, hemos encontrado que, si falta la enzima que realiza el último paso de la glucólisis (lo que significa que las bacterias ya no procesan sus alimentos correctamente), la célula bacteriana comienza a formar el anillo Z en lugares distintos del centro. Como se puede ver en la Figura 2C, las células que carecen de la enzima involucrada en el último paso de la glucólisis forman anillos Z hacia un extremo de la célula. Estas son malas noticias, y estas células se dividen incorrectamente, produciendo una célula grande y otra muy pequeña que no contiene ADN, por lo que ya no pueden sobrevivir. Este resultado nos mostró que este último paso de la glucólisis es muy importante para el correcto posicionamiento del anillo Z en el centro de la célula.

Entonces nos preguntamos si este cambio en la posición del anillo Z ocurre porque falta la enzima involucrada en el último paso de la glucólisis, o porque falta el compuesto producido por esta enzima, el piruvato. (véase la Figura 2A). Probamos esta posibilidad eliminando la enzima, para que las células bacterianas ya no pudieran producir piruvato por sí mismas, y luego agregamos piruvato como parte de la fuente de alimento de la bacteria. Normalmente, las células que carecen de la enzima que crea el piruvato forman anillos Z hacia los extremos de las células, pero cuando se volvió a agregar piruvato, las bacterias comenzaron a formar los anillos Z en el centro de la célula, como lo hacen las células bacterianas sanas. Eche un vistazo a las diferentes posiciones de los anillos Z en las células que carecen de la enzima involucrada en el último paso de la glucólisis y cuando el piruvato se agrega de nuevo a estas células, en las Figuras 2C,D. Este resultado confirmó que no es la enzima en sí la importante para la posición del anillo Z, sino su producto: piruvato. Esta fue la primera vez que se demostró un vínculo entre una sustancia química involucrada en la glucólisis y la división celular, por lo que el piruvato se convirtió en el foco de nuestros experimentos posteriores.

¿Cómo Decide la Disponibilidad de Alimentos la Posición del Anillo Z?

Con el hallazgo de que el piruvato es importante para la formación del anillo Z en el centro de la célula, nos volvimos aún más curiosos para entender cómo se comunican los procesos de metabolismo y división celular. Sabemos que cuando se produce piruvato, otra enzima lo utiliza para producir energía en la célula. Nos preguntamos si esta segunda enzima estaba ubicada en un lugar determinado dentro de una célula bacteriana, lo que ayuda a que el anillo Z se forme en el medio.

Al hacer que el ADN y la enzima «brillen», podemos ver dónde se encuentran dentro de la célula utilizando un microscopio. En bacterias sanas, encontramos que la enzima y el ADN estaban ubicados en el mismo lugar, donde ambos podían verse como gotas redondas dentro de la célula (Figura 3). En las células que no podían producir piruvato, encontramos que la enzima ya no estaba presente en el mismo lugar que el ADN, sino que la enzima se movía hacia los dos extremos de la célula. Este es el mismo lugar donde se forman los anillos Z en las células que no se dividen correctamente. Ya sabemos que agregar piruvato a estas células cambia el anillo Z de nuevo al centro de la célula, así que nos preguntamos si el piruvato también cambiaría la ubicación de la enzima de nuevo a donde se encontró el ADN. Esto es exactamente lo que pasó! Estos resultados mostraron que el piruvato es importante para el posicionamiento correcto del anillo Z en el centro de la célula, y el piruvato hace esto de alguna manera trabajando con la enzima que usa el piruvato para producir energía. Esto tiene sentido, porque el piruvato y la enzima trabajan juntos en la misma vía.

Nuestros resultados mostraron que el metabolismo y la división celular bacteriana se comunican entre sí a través del piruvato (y la enzima que utiliza el piruvato para producir energía) para garantizar que el anillo Z se forme en el lugar correcto. En las bacterias bien alimentadas (que pueden producir piruvato adecuadamente), la enzima se encuentra en el mismo lugar que el ADN en la célula. En este lugar, la enzima parece ayudar a que se forme el anillo Z en el centro de la célula, para que la célula se divida correctamente. Sin embargo, si las células no producen piruvato, la enzima termina en el lugar equivocado y también lo hace el anillo Z (hacia los extremos de la célula). Por lo tanto, cuando los alimentos no se procesan correctamente y no se produce piruvato, las bacterias comienzan a cometer errores en el proceso de división celular. Esto es similar a lo que se observa en las personas con intolerancia a la lactosa. Cuando beben leche, no pueden procesar la lactosa adecuadamente y, por lo tanto, enferman. Por lo tanto, la capacidad de procesar correctamente los alimentos y estar saludable es realmente importante para todos los seres vivos. Cuando los alimentos no se procesan de la manera en que deberían estar en las bacterias, el anillo Z se forma en lugares donde no debería estar, lo que hace que las células se dividan de manera incorrecta, lo que reduce la posibilidad de que la población bacteriana sobreviva. Este error en la división se puede corregir dando a las bacterias el alimento correcto (agregando piruvato de vuelta), mostrando que la forma en que las bacterias usan los alimentos en su entorno es crítica para su capacidad de crecer y dividirse.

¿Por qué nos importa el Enlace Metabolismo–División?

La pregunta que hicimos en este estudio fue: ¿cómo perciben las bacterias la disponibilidad de alimentos en el medio ambiente y cómo afecta la presencia de alimentos al proceso de división celular? Cuando los alimentos son fáciles de encontrar, las bacterias crecen y se dividen muy rápidamente, pero se dividen mucho más lentamente cuando escasean los alimentos. No se sabe cómo las bacterias saben dividirse a diferentes velocidades cuando hay diferentes niveles de alimentos. Al comprender mejor cómo las bacterias pueden detectar las fuentes de alimentos disponibles, especialmente durante la infección, y cómo la detección de los alimentos controla el crecimiento bacteriano, podemos evitar que las bacterias obtengan el tipo correcto de alimentos o procesen adecuadamente sus alimentos, lo que puede evitar que se dividan y evitar que causen infecciones. Esto se debe a que las bacterias no pueden crecer adecuadamente si no obtienen los alimentos adecuados o si no procesan los alimentos correctamente. Esto es similar a los humanos: comemos buena comida para mantenernos saludables y no comer la comida adecuada puede enfermarnos. Por lo tanto, la frase «somos lo que comemos» se aplica por igual a las bacterias y a los humanos. A partir de este estudio, hemos encontrado un nuevo vínculo emocionante entre el metabolismo bacteriano y la división celular. Pero estos procesos son muy complejos y solo hemos arañado la superficie para tratar de entender este vínculo, por lo que el siguiente paso será resolver este misterio.

Al principio de este artículo, hablamos sobre el tema de la resistencia a los antibióticos. ¿Qué tiene que ver el vínculo entre el metabolismo y la división celular con la resistencia a los antibióticos? Para abordar el problema de la resistencia a los antibióticos, necesitamos desarrollar nuevos antibióticos que se dirijan a aspectos inexplorados del crecimiento y la supervivencia de las bacterias. Muchos de los antibióticos disponibles en la actualidad se dirigen a procesos que las bacterias utilizan para fabricar ADN, proteínas o la capa externa de la célula bacteriana. Estos antibióticos han tenido mucho éxito, pero las bacterias han desarrollado tácticas para continuar haciendo estos procesos, incluso en presencia de antibióticos. En este trabajo, identificamos un nuevo vínculo entre el metabolismo y la división celular en bacterias, que podría servir como objetivo para nuevos antibióticos. Si pudiéramos evitar que las bacterias de hacer piruvato, o cambiar el lugar donde la enzima que utiliza el piruvato se encuentra dentro de la célula, el metabolismo y la división celular se considerará interrumpido y las células mueren. Si se puede fabricar un antibiótico dirigido a dos procesos diferentes que son importantes para la supervivencia bacteriana (metabolismo y división celular), será más difícil que la célula bacteriana se vuelva resistente a ese antibiótico, ya que tendrá que desarrollar tácticas para superar el efecto del antibiótico en ambos procesos. Con suerte, hacer que la resistencia a los antibióticos sea mucho más difícil de lograr para una célula bacteriana proporcionará una nueva solución para combatir la resistencia a los antibióticos.

Glosario

División celular bacteriana: El proceso de división de una célula bacteriana en dos células.

ADN: El código dentro de una célula que contiene toda la información necesaria para que una célula sobreviva.

Metabolismo: Todos los procesos químicos involucrados en la conversión de alimentos en energía se denominan metabolismo.Enzima

: Un componente biológico que ayuda a que una reacción ocurra rápidamente.

Glucosa: Un azúcar simple.

Glucólisis: Una vía que rompe la glucosa en dos moléculas de piruvato.

Piruvato: Compuesto químico producido después de descomponer (metabolizar) la glucosa.

Declaración de Conflicto de Intereses

Los autores declaran que la investigación se realizó en ausencia de relaciones comerciales o financieras que pudieran interpretarse como un conflicto de intereses potencial.

Agradecimientos

La RM cuenta con el apoyo de una Beca del Programa de Capacitación en Investigación del Gobierno Australiano. AB y EH cuentan con el apoyo de una subvención DP150102062 del proyecto Discovery del Consejo de Investigación de Australia.

Artículo de fuente original

Monahan, L. G., Hajduk, I. V., Blaber, S. P., Charles, I. G., and Harry, E. J. 2014. Coordinación de la división celular bacteriana con la disponibilidad de nutrientes: un papel para la glucólisis. MBio 5 (3): 1-13. doi: 10.1128 / mBio.00935-14