El termómetro de las bacterias

Un asesino microscópico habita en los baños, lavaderos y pasillos de los hospitales. Incluso puede ser encontrado en los equipos médicos de las unidades de cuidados intensivos (UCI) y de las salas de operaciones. Las incubadoras del área de neonatología (recién nacidos) tampoco están libres.

Cualquier persona que esté “con las defensas bajas” (pacientes con VIH, bebés, ancianos, etc.), o que sufran de fibrosis quística, pueden ser infectados por esta bacteria llamada Pseudomonas aeruginosa.

Micrografía electrónica de barrido de la bacteria Pseudomonas aeruginosa, asociada con frecuencia a las infecciones pulmonares graves que complican la fibrosis quística. Fuente: Wikimedia Commons.

La P. aeruginosa es una de las principales responsables de las infecciones contraídas dentro de los hospitales. Y, no solo eso, es sumamente resistente a una gran variedad de antibióticos de primera línea: penicilina, ciprofloxacina, tetraciclina, cloranfenicol, entre otros. En la mayoría de los casos, los infectados sufren de una neumonía que puede llevarlos a la muerte.

Lo interesante de esta bacteria es que tienen un complejo sistema de comunicación que les permite hacerse más virulentos y agresivos llamado quorum sensing (QS).

El QS es un mecanismo por el cual P. aeruginosa mide su población y activa la expresión de diversos genes importantes para infectar y diseminarse en un determinado hospedero. En como “la unión hace la fuerza” del mundo bacteriano.

Pero lo más interesante es que este mecanismo es más efectivo a 37ºC, que es precisamente la temperatura corporal del ser humano. Por ejemplo, los científicos compararon la expresión de dos factores de virulencia de P. aeruginosa —los ramnolípidos y la piocianina— y observaron que a 37ºC era mayor que a 30ºC.

Efecto de la temperatura en la expresión de dos factores de virulencia: ramnolípidos y piocianina. Como control se uso la elastasa, que no es un factor de virulencia y no mostró diferencias significativas (ns) entre las dos temperaturas. Fuente: Grosso-Becerra et al. PNAS (2014).

¿Será posible que las bacterias tengan un termómetro interno que les permite saber cuándo han infectado a un determinado organismo —en este caso los humanos— para recién expresar sus genes de virulencia y no desperdiciar valiosa energía expresándolos en cualquier momento? Pues según un reciente estudio publicado la semana pasada en PNAS, sí.

El mecanismo de QS en P. aeruginosa es sumamente complejo y está mediado por unas moléculas autoinductoras llamadas acil-homoserín lactonas (AHL). De manera muy sencilla y resumida, lo que ocurre es lo siguiente…

Una P. aeruginosa produce cantidades mínimas del autoinductor llamado 3O-C12-HL cuya función es activar la expresión de otros genes, entre ellos, rhlI y rhlR. RhlI produce otro autoinductor llamado C4-HL que al unirse con el factor RhlR se encargan de encender todos los genes de virulencia de la bacteria. Entonces, cuando la población de P. aeruginosa es grande, habrá una mayor concentración de los autoinductores en el entorno y habrá una mayor expresión de los factores de virulencia como la piocianina y los ramnolípidos. Así funciona el mecanismo de QS y en el siguiente dibujo lo verán de forma más didáctica.

Quorum sensing. Producción de autoinducciones que activan la expresión de los factores de virulencia.

Lo que descubrieron los investigadores de la Universidad Nacional Autónoma de México fue que el gen rhlR funciona sólo a 37ºC y no a 30ºC, a pesar que se transcribe a estas dos temperaturas. La diferencia radica en la conformación tridimencional que adquiere el ARN mensajero (ARNm) de rhlR a 30ºC.

El ARNm es la molécula intermediaria entre el gen codificado por el ADN y la maquinaria responsable de su traducción y conversión en una proteína funcional. En otras palabras, el ARNm es el formato que puede ser leído por los ribosomas para expresar los genes.

Así se expresan los genes.

Para ello, el ARNm de las bacterias cuenta con una secuencia de nucleótidos en uno de sus extremos llamada Shine-Dalgarno que es reconocido por los ribosomas para iniciar la traducción de las proteínas.

Los ribosomas reconocen la secuencia de Shine-Dalgarno en el extremo 5′ para iniciar la traducción de proteínas.

Los investigadores mexicanos vieron que a 37ºC, el ARNm del gen rhlR forma una especie de lazo o bucle precisamente en la región donde se encuentra la secuencia Shine-Dalgarno, evitando así que los ribosomas puedan reconocerla y traducirla. A 37ºC, el lazo se deshace y el ARNm vuelve a estar disponible para ser traducido. Adicionalmente, el ARNm del gen lasI, el cual produce el autoinductor 3O-C12-HL, también formaba un bucle a 30ºC.

La formación del bucle se da porque el ARNm presenta regiones complementarias que se unen entre sí. A 30ºC la secuencia SD está escondida.

Si hacemos un poco de memoria, el ADN está formado por dos hebras unidas paralelamente entre sí porque sus cuatro componentes  —Adenina (A), Timina (T), Guanina (G) y Citosina (C)— forman pares complementarios: A-T y G-C. En el ARNm, se pueden formar bucles y estructuras secundarias diferentes porque habrán porciones dentro de su secuencia que también sean complementarias entre sí. Por ejemplo, muchos de los componentes de los ribosomas son moléculas de ARN (ARN ribosomal) que forman estructuras complejas gracias a estas regiones complementarias.

Sin embargo, estas uniones complementarias y bucles no son tan estables como la estructura doble del ADN y los pequeños cambios de temperatura los pueden deshacer.

Es así que la virulencia de P. aeruginosa está termorregulada gracias a estructuras secundarias que se forman en el ARNm de dos importantes genes que son necesarios para que la bacteria produzca sus factores de virulencia. Así funciona su termómetro interno.

Referencia:

Grosso-Becerra, M et al. Regulation of Pseudomonas aeruginosa virulence factors by two novel RNA thermometers PNAS October 13, 2014 doi: 10.1073/pnas.1402536111