Cuando es bueno ser arrugado: las bacterias con aspecto arrugado se adaptan mejor a un organismo huésped
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Todos los organismos pluricelulares -desde los más simples, animales y vegetales, hasta los humanos- viven en estrecha asociación con una variedad de microorganismos que colonizan sus tejidos y forman relaciones simbióticas con el huésped. Muchas funciones vitales, como la absorción de nutrientes, la regulación del sistema inmunitario o incluso los procesos neurológicos, son el resultado de las interacciones entre el organismo huésped y los simbiontes microbianos. La cooperación funcional entre el huésped y los microorganismos, que los científicos denominan metaorganismo, se estudia en detalle en la Universidad de Kiel en el Centro de Investigación Colaborativa (CRC) 1182 "Origen y función de los metaorganismos".
En el nuevo estudio, la Dra. Nancy Obeng y sus colegas lograron identificar varias mutaciones genéticas específicas relacionadas causalmente con la adaptación al huésped de la bacteria Pseudomonas lurida.
© Christian Urban, Uni Kiel
El equipo de investigadores estudió la adaptación de la bacteria P. lurida en la transición de un estilo de vida libre a otro ligado al hospedador como simbionte del nematodo Caenorhabditis elegans (en la imagen).
© Prof. Hinrich Schulenburg
Las relaciones simbióticas entre microbios y organismos más complejos son tan antiguas como la propia vida multicelular. Una suposición común sobre el origen de estas asociaciones es que se basan principalmente en una ventaja evolutiva para el hospedador. Este paradigma se ve rebatido por el hecho de que los microorganismos evolucionan mucho más rápido que sus huéspedes y su elevado potencial de adaptación puede ser un importante motor de las simbiosis.
Un equipo de investigadores del grupo de Ecología Evolutiva y Genética del Instituto de Zoología de la Universidad de Kiel ha utilizado ahora los llamados experimentos de evolución, así como análisis genéticos, para investigar qué mecanismos celulares de las bacterias subyacen a una adaptación al hospedador y qué ventajas ecológicas pueden surgir para los microorganismos al entrar en una relación simbiótica. Para ello, investigaron la adaptación de la bacteria Pseudomonas lurida en la transición de un estilo de vida libre a otro ligado al hospedador como simbionte del nematodo Caenorhabditis elegans. Los investigadores lograron identificar varias mutaciones genéticas específicas relacionadas con la adaptación de la bacteria al hospedador. Además, descubrieron que estos cambios genéticos daban lugar a una morfología arrugada de las colonias, que conducía a un estilo de vida más sésil y menos móvil de la bacteria, lo que les proporcionaba una ventaja competitiva frente a congéneres no adaptados al hospedador. Los científicos de Kiel publicaron sus resultados en la revista Nature Microbiology.
La simbiosis como estrategia ventajosa para la bacteria
Para investigar experimentalmente los mecanismos de adaptación al huésped en células bacterianas, el equipo de investigación eligió la bacteria P. lurida. Esta bacteria forma parte de la colonización microbiana natural de C. elegans, pero también puede vivir en libertad sin un organismo huésped. Los investigadores realizaron una serie de experimentos en los que bacterias P. lurida que vivían libremente en placas de agar se encontraron con C. elegans y fueron capaces de asociarse con los huéspedes durante una generación de gusanos. A continuación, transfirieron las bacterias que habían colonizado los gusanos de nuevo a las placas para que pudieran colonizar de nuevo el huésped. Este ciclo se repitió a lo largo de diez generaciones de gusanos para permitir que las bacterias evolucionaran en estrecha asociación con el organismo huésped.
"Utilizar el enfoque de la evolución experimental nos permitió hacer evolucionar las bacterias hacia un estilo de vida ligado al huésped", explica la primera autora del trabajo, la Dra. Nancy Obeng, investigadora del grupo de Ecología Evolutiva y Genética. "Estas adaptaciones se hicieron evidentes por primera vez por una morfología de colonia de aspecto arrugado que se formó en el medio de cultivo", prosigue Obeng. El fenotipo "arrugado" se dio en grandes cantidades, lo que indica su dominancia sobre otros tipos. Además, se revelaron varias diferencias funcionales en estas bacterias evolucionadas: Eran capaces de colonizar el organismo huésped con mayor rapidez y persistir con mayor probabilidad, pero también de volver a un ciclo vital de vida libre con eficacia. Además, presentaban una menor motilidad, es decir, una capacidad menos pronunciada para desplazarse en el ciclo de vida libre, por ejemplo en un medio nutritivo. "La suma de estas adaptaciones al hospedador representa una estrategia ecológica ventajosa para la bacteria, que permite a los especialistas en hospedadores colonizar con éxito varios hospedadores sucesivamente y prevalecer en general frente a la bacteria ancestral original", afirma Obeng, miembro del CRC 1182.
El interruptor genético controla las adaptaciones al organismo huésped
A continuación, los investigadores evaluaron si las adaptaciones observadas se debían a la evolución genética y, en caso afirmativo, qué cambio en el genoma era responsable de ello. Para ello, secuenciaron el genoma completo de los distintos morfotipos adaptados de la bacteria y los compararon con el tipo original ancestral. "Pudimos identificar ciertos genes que sólo estaban mutados en las bacterias adaptadas al huésped. Dos de estos genes están relacionados con el llamado sistema Wsp de las células bacterianas, un sistema sensorial que puede percibir señales ambientales y transmitirlas a las vías de transducción de señales dentro de la célula", explica Obeng. "En la bacteria adaptada al huésped, la mutación de estos genes garantiza que se regule al alza un determinado mensajero celular, denominado c-di-GMP", subraya Obeng.
Para probar la relación causal de este sistema con la adaptación al estilo de vida del huésped, los investigadores manipularon los genes pertinentes en bacterias P. lurida no adaptadas al huésped. Estas bacterias mostraron posteriormente las adaptaciones fenotípicas y funcionales de la asociación con el hospedador. Además, se descubrió que otras especies de Pseudomonas que viven en el hospedador presentaban cambios genéticos similares. "De este modo, pudimos identificar el c-di-GMP como un interruptor regulador general para el establecimiento de una asociación con el hospedador en diferentes especies de Pseudomonas", resume Obeng.
Evolución de los microorganismos como impulsores de simbiosis
Los nuevos resultados del equipo de investigación del CRC 1182 contribuyen a una mejor comprensión del origen evolutivo de las asociaciones huésped-microbio, que suelen estudiarse adoptando la perspectiva del huésped en lugar de la del microbio. "Resulta especialmente interesante que el c-di-GMP se haya conocido hasta ahora principalmente como regulador de la virulencia en diversos patógenos. Nuestros resultados demuestran ahora que el c-di-GMP tiene una importancia más amplia en la adaptación del hospedador, independientemente de que se trate de patógenos o de microbios beneficiosos", subraya el profesor Hinrich Schulenburg, jefe del grupo de investigación Ecología y Genética Evolutivas.
Seguir investigando estas relaciones podría ayudar en el futuro a comprender los procesos celulares que utilizan las bacterias para entrar temporal o permanentemente en estilos de vida simbióticos y derivar de ello estrategias ecológicas beneficiosas, por ejemplo, utilizar a sus huéspedes como vectores para abrir nuevos hábitats. "En conjunto, nuestro trabajo demuestra una vez más que la evolución experimental de los simbiontes bacterianos del nematodo C. elegans proporciona un sistema modelo ideal para dilucidar y generalizar los mecanismos fundamentales de las interacciones huésped-microbio", afirma Schulenburg, viceportavoz del CRC 1182.
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