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El increíble mundo bacteriano (II): domesticando bacterias

29 junio, 2012

En el mundo hay miles de laboratorios en los que se emplean bacterias con algún propósito. Ya sea para análisis básicos que lleven a comprender su biología, o bien para múltiples aplicaciones biotecnológicas. Esas bacterias pueden haber sido modificadas, pero todas ellas proceden del medio ambiente. Ahora bien, ¿son iguales que las que encontramos en la naturaleza? La respuesta es simple: no. En la mayoría de los casos hay significativas diferencias, y éstas se han de tener en cuenta para poder extrapolar los conocimientos obtenidos con ellas a lo que realmente ocurre en el mundo exterior. ¿Cuáles son esas diferencias?, ¿cuáles son las consecuencias de esas diferencias? Hagamos un rápido repaso de alguna esas diferencias y su importancia.

Se denomina domesticación al proceso por el cual una población de una determinada especie biológica adquiere caracteres heredables, generados por una interacción prolongada con el ser humano. Es un término empleado para plantas y animales desde hace muchos siglos. Charles Darwin en su obra cumbre, “El origen de las especies” habla frecuentemente de “domesticación”, y lo emplea como modelo de “selección artificial”, en comparación con la “selección natural” que se da en los ecosistemas de la biosfera. El cultivo de bacterias en el laboratorio también supone un proceso de domesticación, donde se producen importantes variaciones en las bacterias cultivadas, que se heredan y perduran.

El proceso de domesticación es relativamente sencillo. En primer lugar se ha de producir el aislamiento de la bacteria del medio ambiente, haciéndolas crecer en medios sintéticos en el laboratorio. Esto que puede parecer trivial es uno de los pasos limitantes más importantes a la hora de conocer las bacterias de un hábitat. Se estima que sólo el 0.1-1% de las bacterias son cultivables, el resto aún no hemos sido capaces de llevarlas al laboratorio. Una vez aislada en el laboratorio se puede preservar rápidamente mediante congelación (tras la adición de sustancias de crio-protectores como el glicerol), manteniéndose viables a temperaturas por debajo de -90ºC durante muchos años. También podemos mantenerlas mediante sucesivas siembras y resiembras en medios sintéticos. Si repetimos este proceso durante mucho tiempo, por ejemplo cultivando en medios sintéticos de composición estable, sin limitación de fuente de carbono y energía y con temperaturas óptimas de crecimiento, se puede observar como la bacteria cambia, algunas de sus estructuras varían, hemos iniciado el proceso de domesticación. Una comparación entre el genoma de esas bacterias domesticadas y el genoma de aquellas que congelamos nada más aislarla, nos delata los cambios que se han producido a nivel genético. Veamos algunas de las diferencias que se producen durante la domesticación.

Las envueltas

Las bacterias están rodeadas de una membrana celular y pared bacteriana, formando en su conjunto lo que se conoce como envueltas. Estas envueltas tienen varios papeles siendo uno de los más importantes el de separar el interior celular del entorno y aislarlas de condiciones ambientales adversas. Esta barrera les sirve para soportar importantes diferencias osmóticas entre el exterior y el interior, les sirve de escudo frente a sustancias tóxicas o ante depredadores, etc. Las envueltas también tienen un importante papel en la comunicación bacteria-bacteria y bacteria-entorno físico. Alrededor de las envueltas es fácil encontrar estructuras proteicas parecidas a pelos (fimbrias) que usan para adherirse a superficies, y estructuras en forma de látigo (flagelo) que usan para moverse. En conjuntos las envueltas son muy complejas y diversas, ya que difieren mucho entre distintos grupos bacterianos.

Las envueltas estructuras que se alteran durante la domesticación. Normalmente se cultivan las bacterias en medios isotónicos, de pH y composición controlada y estable. También se controla la temperatura, que se mantiene constante durante todo el crecimiento. Esto hace que no sean necesarias rígidas cápsulas ni gruesas capas de polímeros, que dejan de sintetizarse. En muchas ocasiones se produce un simple apagado de los genes que codifican esas funciones, con lo que el proceso puede ser reversible si la bacteria se libera al medio ambinte. En otros supone una pérdida de los genes responsables de dichas funciones y la pérdida es irreversible. Se ha demostrado que cepas de Escherichia coli, una de las bacterias más empleadas en el laboratorio, ha perdido muchas de esas envueltas. ¿Qué supone esa pérdida?

Puede suponer muchas cosas: (1) un buen grupo de factores de patogénesis se encuentran en las envueltas: cápsulas, fimbrias, exopolisacáridos…. La pérdida definitiva de ellos puede transformar una bacteria patógena en una no infecciosa, (2) capacidad de ser modificada genéticamente (ver más adelante), (3) pérdida de la capacidad de formar biopelículas, (4) ser más sensibles a ser fagocitados si se las liberara a un medio con depredadores, por lo que en muchas ocasiones las bacterias modificadas genéticamente difícilmente prosperan cuando se las libera del laboratorio, o (5) menor resistencia a sustancias tóxicas por pérdida de elementos que confieren dicha resistencia.

La nutrición

Las bacterias tienen un tremendo potencial catabólico que les permite alimentarse de la inmensa mayoría de los compuestos orgánicos presentes en la naturaleza. También puede extraer energía de sustancias químicas no orgánicas o de la luz. De esa diversidad catabólica ya hablamos en un anterior capítulo de esta serie. En los laboratorios, en un afán por tener las bacterias en las mejores condiciones, y que éstas crezcan deprisa (para que los experimentos no se eternicen), se suministra fuentes nutritivas en exceso. Normalmente (salvo algunos ecosistemas puntuales), la mayoría de las bacterias viven en estado de semi-ayuno, donde la disponibilidad de fuente de carbono es muy limitada. Además, en la naturaleza encuentran una gran diversidad de fuentes nutritivas, mientras que en el laboratorio se suelen repetir las mismas fuentes nutricionales una y otra vez.

Dado que es frecuente que muchos genes que codifican enzimas catabólicos se organizan juntos en las llamadas “islas catabólicas”, éstas se pueden perder si no son necesarias. Se ha comprobado la pérdida de información genética en este sentido: el potencial catabólico puede disminuir tras sucesivas siembras en medios de repetida composición.

Capacidad para modificarse genéticamente

Todas las bacterias tienen la capacidad de intercambiar información genética entre ellas, aunque los mecanismos de intercambio pueden ser muy variables: transformación directa con fragmentos de DNA a través de las envueltas, procesos sexuales como la conjugación, incorporación de DNA a través de bacteriófagos, etc. La mayoría de las bacterias son impermeables a la adquisición de DNA exógeno, y eso se nota cuando queremos modificar genéticamente una bacteria en el laboratorio. Cuando éstas son “salvajes”, o lo que es lo mismo, recién aisladas del medio ambiente, son difíciles de transformar, incluso empleando técnicas de permeabilización de envueltas. Ahora bien, después de muchas resiembras, se incrementa la eficiencia de incorporación de DNA exógeno. Esto se debe a que las envueltas se hacen más permeables, a que parte de la maquinaria que hace resistente la bacteria a DNA no propio, se silencia. En algunos casos incluso llegan a perderse los genes que codifican esta última función.

Patogénesis

No es infrecuente que se puedan conseguir cepas atenuadas, o lo que es lo mismo, poco patógenas, mediante la resiembra sucesiva de bacterias patógenas en medios sintéticos. En ocasiones los genes responsables del carácter patógeno se agrupan en las llamadas “islas de patogénesis”, las cuales pueden perderse si la bacteria no está en contacto con la célula huésped que infecta de forma natural. De todas formas este proceso no es universal, hay bacterias que simplemente silencian los genes de patogénesis, pero vuelven a expresarlos en presencia del huésped. Hay que ser muy cuidadoso antes de asegurar de que se ha obtenido una cepa atenuada.

En resumen, la domesticación de bacterias suele acarrear variaciones muy importantes en las bacterias, con pérdidas de genes, y de funciones biológicas. Estas bacterias de laboratorio son las que habitualmente se emplean como modelo de estudio, por lo que hay que ser cuidadoso a la hora de extrapolar con lo que ocurre realmente en la naturaleza. Para acercarnos a ella se están desarrollando nuevas tecnologías que permitirán en un futuro próximo estudiar las bacterias directamente en el medio. Mientras eso llega, tenemos una buena aproximación con los modelos que nos proporcionan las bacterias aisladas y analizadas en el laboratorio, pero sin perder de vista que estamos ante eso: un modelo con el cual intentar entender lo que ocurre en la naturaleza.

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  1. 29 junio, 2012 de 14:58

    ¿Por que es tan dificil cultivar bacterias? Me ha sorprendido el porcentaje tan bajo. ¿No deberia ser facil simplemente dandoles alimento y un medio no toxico?

  2. 29 junio, 2012 de 15:07

    Javi, no es simplemente cosa de nutrientes (que también). Hay múltiples factores que conocemos (y otros muchos que desconocemos). Las bacterias viven habitualmente en asociación, y formando biopelículas. La mayoría de los medios intentan aislar de forma pura y en líquido o en sólido, y el sustrato puede ser crucial. Además tenemos otro punto: la competencia. Cuando añades una muestra al medio, las bacterias pueden entrar en competencia y una de ellas (por ejemplo la de crecimiento más rápido) desplazar a las demás. Todos estos factores se están teniendo en cuenta en los diferentes proyectos que se están llevando a cabo para incrementar el porcentaje de cultivables.

  3. yohana
    15 octubre, 2013 de 2:45

    el mundo de las bacterias es simplemente increíble, tan sorprendente que muchas veces no puedo imaginar tanta maravilla

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