Persistencia bacteriana. Crecimiento, persistencia y resistencia
Crecimiento, resistencia y fuerza
Las células bacterianas tienen la capacidad de regular sus ciclos de crecimiento en respuesta a las condiciones ambientales cambiantes. En ello intervienen varios mecanismos, entre ellos: un estado viable pero no cultivable (VBNC), la persistencia, que se refiere a la resistencia a los antibióticos (variantes fenotípicas, no heredables) por las vías de las toxinas, y la inhibición del crecimiento dependiente del contacto. Estos mecanismos se examinan a continuación.
Persistencia bacteriana
En la mayoría de los casos, el ADN lleva características fenotípicas a lo largo del tiempo (apariencia externa del organismo). Las características fenotípicas son los genes que se expresan en este organismo. Hay muchos genes que no se expresan, pero que sin embargo están presentes. Los organismos también tienen variaciones fenotípicas que pueden durar más de una generación sin ningún cambio directo en el ADN del organismo. Esto significa que esta variación fenotípica no está codificada en el ADN, pero el microorganismo tiene una memoria de ambientes pasados. Esta capacidad permite a la bacteria influir en las generaciones futuras. Por lo tanto, poblaciones bacterianas genéticamente idénticas pueden reaccionar de manera diferente a, por ejemplo, el tratamiento con antibióticos. La persistencia todavía no se comprende bien, y hay una serie de mecanismos diferentes implicados y sólo parcialmente comprendidos.
Más recientemente, los estudios han aclarado una vía de persistencia. Hay que tener en cuenta que las bacterias persistentes, que son una subpoblación de una especie particular de bacterias, son tolerantes a diferentes tipos de antibióticos. Las bacterias persistentes tienen el mismo genoma que sus hermanos no persistentes, pero han entrado en un estado de latencia que causa resistencia a ciertos antibióticos.
Se ha identificado un locus de persistencia en E. coli. El locus de ADN contiene una región codificadora de toxinas y antitoxinas (TA). Algunas de las secuencias de nucleótidos TA codifican una proteasa (enzima que corta las proteínas) de forma larga (lon) y una endonucleasa de ARNm (enzima que corta el ARN, mRNases). Las antitoxinas controlan aleatoriamente la actividad de las mRNasas que son sustratos Lon. Se ha observado que la eliminación de Lon conduce a una menor persistencia y si se tiene una sobreproducción de Lon se obtendrán mayores niveles de bacterias persistentes. Este no es el caso si careces de mRNases. Las mRNasas codificadas por el TA-Locus se activan en una pequeña subpoblación de bacterias en crecimiento por medio de la descomposición de antitoxinas por medio de Lon. También se ha observado que la activación de las mRNasas inhibe la traducción celular global, lo que a su vez induce a la latencia y la persistencia. Un número de bacterias patógenas conocidas que entran en estado de inactividad tienden a tener muchos genes TA.
Se ha sugerido que los genes de las toxinas-antitoxinas (TA) actúan como reguladores del crecimiento celular en respuesta a la tensión ambiental. Los genes de esta región de codificación se activan durante la inanición y en otras condiciones que inhiben la transcripción y la traducción. Las toxinas codificadas por los genes TA en las bacterias son interferasas de ARNm (nucleasas que rompen el ARNm). Las interferencias del ARNm inhiben la síntesis de proteínas e inhiben rápidamente el crecimiento bacteriano. Se ha demostrado que estas interferencias de ARNm inducen un estado bacteriostático que puede ser fácilmente revertido por la expresión de antitoxinas, que también están codificadas por los genes TA. El estrés ambiental causa así la activación de la toxina, que rápidamente detiene la síntesis de la proteína hasta que prevalezcan mejores condiciones. Dado que los genes TA son suprimidos por la degradación de la antitoxina, la bacteria tiene que producir más antitoxina para contrarrestar la actividad de la toxina después de que la célula se haya adaptado al estrés. La recuperación de la activación de la interferasa por el ARNm también se ve facilitada por el sistema de control de calidad del ARNm que recicla los ribosomas que se bloquearon durante la traducción de los ARNm cortados por la toxina.
La persistencia es un mecanismo de control del crecimiento por la variación fenotípica de las bacterias. Hay que recordar que la persistencia no es un rasgo genéticamente heredable. La resistencia a los antibióticos debido a la persistencia es un mecanismo completamente diferente al de las formas heredadas genéticamente. Los mecanismos de persistencia han sido hasta ahora difíciles de estudiar porque no son hereditarios y se producen a bajas frecuencias. Se ha estudiado una clase de células persistentes conocidas como Tipo I. El desarrollo de estas persistencias está ligado al sistema TA y a la expresión de los genes HipA-HipB. Se ha observado que una mutación en el gen HipA (7) aumenta la frecuencia de persistencia en un factor de mil. Estas células persistentes son células durmientes no divisorias que se producen espontáneamente en una población bacteriana. Se ha observado otro tipo de célula persistente, conocida como tipo II. Estas células se comportan de forma diferente al tipo Is. Las células de tipo II crecen lentamente durante varias generaciones en presencia de ampicilina, en contraste con las de tipo I. Se cree que el estado de las células persistentes de tipo II puede ser débilmente heredable. Si este es el caso, entonces esto podría estar mediado por la metilación del ADN, que es hereditario pero puede perderse en unas pocas generaciones de bacterias.
Actualmente, estos mecanismos no se comprenden bien y no se sabe si la activación del TA es un resultado o la causa de la persistencia. Algunos investigadores sospechan que la persistencia podría ser el resultado del envejecimiento de las células. Otros sugieren que la persistencia podría controlarse mediante un interruptor biestable doblemente negativo, en el que podría producirse un aumento de la proporción de toxina y antitoxina en una célula debido a un nivel estocástico más alto de degradación de la antitoxina, lo que podría dar lugar a una disminución de la traducción en esa célula. Esto indicaría una mayor disminución de la traducción debido a la mayor estabilidad de la toxina en comparación con la antitoxina.
Se han identificado fenómenos epigenéticos, incluyendo VBNC y estados de persistencia a través de los cuales las bacterias producen diversidad fenotípica. En la actualidad, no se entiende bien que se trate de mecanismos no hereditarios de regulación del crecimiento. No obstante, las bacterias tienen la capacidad de regular su propio crecimiento en respuesta a los cambios en las condiciones ambientales. La epigenética implica la modificación química de genes específicos o de proteínas asociadas a los genes que alteran la forma en que un gen es expresado y utilizado por las células. A menudo se trata de interacciones entre los genes y los productos de los genes que conducen al fenotipo de un organismo.