9.4: Señalización en organismos unicelulares

Habilidades para Desarrollar

• Describir cómo las levaduras unicelulares utilizan la señalización celular para comunicarse entre sí
• Relacionar el papel de la detección de quórum con la capacidad de algunas bacterias para formar biopelículas

La señalización dentro de las células permite que las bacterias respondan a las señales ambientales, como los niveles de nutrientes, algunos organismos unicelulares también liberan moléculas para señalarse entre sí.

Señalización en Levadura

Las levaduras son eucariotas (hongos), y los componentes y procesos que se encuentran en las señales de levaduras son similares a los de las señales de los receptores de la superficie celular en organismos multicelulares. Las levaduras en ciernes (Figura\(\PageIndex{1}\)) son capaces de participar en un proceso que es similar a la reproducción sexual que conlleva dos células haploides (células con la mitad del número normal de cromosomas) que se combinan para formar una célula diploide (una célula con dos conjuntos de cada cromosoma, que es lo que contienen las células normales del cuerpo). Para encontrar otra célula de levadura haploide que esté preparada para aparearse, las levaduras en ciernes secretan una molécula de señalización llamada factor de apareamiento. Cuando el factor de apareamiento se une a receptores de la superficie celular en otras células de levadura que están cerca, detienen sus ciclos de crecimiento normales e inician una cascada de señalización celular que incluye proteínas quinasas y proteínas de unión a GPT que son similares a las proteínas G.

Figura\(\PageIndex{1}\): Las células de levadura Saccharomyces cerevisiae en ciernes pueden comunicarse liberando una molécula de señalización llamada factor de apareamiento. En esta micrografía, se visualizan mediante microscopía de contraste de interferencia diferencial, una técnica de microscopía óptica que potencia el contraste de la muestra.

Señalización en Bacterias

La señalización en bacterias permite a las bacterias monitorear las condiciones extracelulares, garantizar que haya suficientes cantidades de nutrientes y garantizar que se eviten situaciones peligrosas. Hay circunstancias, sin embargo, cuando las bacterias se comunican entre sí.

La primera evidencia de comunicación bacteriana se observó en una bacteria que tiene una relación simbiótica con el calamar rabo hawaiano. Cuando la densidad poblacional de la bacteria alcanza cierto nivel, se inicia la expresión génica específica, y las bacterias producen proteínas bioluminiscentes que emiten luz. Debido a que el número de células presentes en el ambiente (densidad celular) es el factor determinante para la señalización, la señalización bacteriana se denominó detección de quórum. En política y negocios, un quórum es el número mínimo de miembros requeridos para estar presentes para votar sobre un tema.

La detección de quórum utiliza autoinductores como moléculas de señalización. Los autoinductores son moléculas de señalización secretadas por bacterias para comunicarse con otras bacterias del mismo tipo. Los autoinductores secretados pueden ser moléculas pequeñas, hidrófobas como acil-homoserina lactona, (AHL) o moléculas basadas en péptidos más grandes; cada tipo de molécula tiene un modo de acción diferente. Cuando el AHL ingresa a las bacterias diana, se une a factores de transcripción, que luego activan o desactivan la expresión génica (Figura\(\PageIndex{2}\)). Los autoinductores peptídicos estimulan vías de señalización más complicadas que incluyen quinasas bacterianas. Los cambios en las bacterias tras la exposición a autoinductores pueden ser bastante extensos. La bacteria patógena Pseudomonas aeruginosa tiene 616 genes diferentes que responden a autoinductores.

Conexión de arte

Figura\(\PageIndex{2}\): Los autoinductores son pequeñas moléculas o proteínas producidas por bacterias que regulan la expresión génica.

¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la detección de quórum es falsa?

1. El autoinductor debe unirse al receptor para activar la transcripción de los genes responsables de la producción de más autoinductores.
2. El receptor permanece en la célula bacteriana, pero el autoinductor se difunde.
3. El autoinductor sólo puede actuar sobre una célula diferente: no puede actuar sobre la célula en la que está hecho.
4. El autoinductor activa genes que permiten que las bacterias formen una biopelícula.

Algunas especies de bacterias que utilizan la detección de quórum forman biopelículas, colonias complejas de bacterias (a menudo contienen varias especies) que intercambian señales químicas para coordinar la liberación de toxinas que atacarán al huésped. Las biopelículas bacterianas (Figura\(\PageIndex{3}\)) a veces se pueden encontrar en equipos médicos; cuando las biopelículas invaden implantes como reemplazos de cadera o rodilla o marcapasos cardíacos, pueden causar infecciones potencialmente mortales.

Conexión de arte

Figura\(\PageIndex{3}\): La comunicación célula-célula permite a estas (a) bacterias Staphylococcus aureus trabajar juntas para formar una biopelícula dentro del catéter de un paciente hospitalario, visto aquí por microscopía electrónica de barrido. S. aureus es la principal causa de infecciones hospitalarias. b) Los calamares hawaianos tienen una relación simbiótica con la bacteria bioluminiscente Vibrio fischeri. La luminiscencia dificulta ver el calamar desde abajo porque efectivamente elimina su sombra. A cambio del camuflaje, el calamar proporciona alimento para las bacterias. V. fischeri de vida libre no produce luciferasa, la enzima responsable de la luminiscencia, pero V. fischeri que vive en una relación simbiótica con el calamar sí. La detección de quórum determina si la bacteria debe producir la enzima luciferasa. (crédito a: modificaciones de obra por CDC/Janice Carr; crédito b: modificaciones de obra por Cliff1066/Flickr)

¿Qué ventaja podría conferir la producción de biopelícula al S. aureus dentro del catéter?

La investigación sobre los detalles de la detección de quórum ha dado lugar a avances en el cultivo de bacterias con fines industriales. Descubrimientos recientes sugieren que es posible explotar las vías de señalización bacteriana para controlar el crecimiento bacteriano; este proceso podría reemplazar o complementar antibióticos que ya no son efectivos en ciertas situaciones.

Enlace al aprendizaje

Observe a la genetista Bonnie Bassler discutir su descubrimiento de detección de quórum en bacterias de biopelícula en calamares.

Conexión Evolutiva: Comunicación Celular en Levaduras

La primera vida en nuestro planeta consistió en organismos procariotas unicelulares que tenían interacción limitada entre sí. Mientras que alguna señalización externa ocurre entre diferentes especies de organismos unicelulares, la mayoría de la señalización dentro de bacterias y levaduras se refiere solo a otros miembros de la misma especie. La evolución de la comunicación celular es una necesidad absoluta para el desarrollo de organismos multicelulares, y se cree que esta innovación requirió aproximadamente 2.5 mil millones de años para aparecer en formas tempranas de la vida.

Las levaduras son eucariotas unicelulares, y por lo tanto tienen un núcleo y orgánulos característicos de formas de vida más complejas. Las comparaciones de los genomas de levaduras, gusanos nematodos, moscas de la fruta y humanos ilustran la evolución de sistemas de señalización cada vez más complejos que permiten el funcionamiento interno eficiente que mantiene a los humanos y otras formas de vida complejas funcionando correctamente.

Las quinasas son un componente importante de la comunicación celular, y los estudios de estas enzimas ilustran la conectividad evolutiva de diferentes especies. Las levaduras tienen 130 tipos de quinasas. Los organismos más complejos como los gusanos nematodos y las moscas de la fruta tienen 454 y 239 quinasas, respectivamente. De los 130 tipos de cinasas en levaduras, 97 pertenecen a las 55 subfamilias de quinasas que se encuentran en otros organismos eucariotas. La única deficiencia evidente que se observa en las levaduras es la ausencia completa de tirosina quinasas. Se plantea la hipótesis de que la fosforilación de residuos de tirosina es necesaria para controlar las funciones más sofisticadas de desarrollo, diferenciación y comunicación celular utilizadas en organismos multicelulares.

Debido a que las levaduras contienen muchas de las mismas clases de proteínas de señalización que los humanos, estos organismos son ideales para estudiar cascadas de señalización. Las levaduras se multiplican rápidamente y son organismos mucho más simples que los humanos u otros animales multicelulares. Por lo tanto, las cascadas de señalización también son más simples y fáciles de estudiar, aunque contienen contrapartes similares a la señalización humana. ¹

Enlace al aprendizaje

Mira esta colección de clips de entrevistas con investigadores de biopelículas en “¿Qué son las biopelículas bacterianas?”

Resumen

Las levaduras y los organismos multicelulares tienen mecanismos de señalización similares. Las levaduras utilizan receptores de superficie celular y cascadas de señalización para comunicar información sobre el apareamiento con otras células de levadura. La molécula de señalización secretada por las levaduras se denomina factor de apareamiento.

La señalización bacteriana se llama detección de quórum. Las bacterias secretan moléculas de señalización llamadas autoinductores que son moléculas pequeñas, hidrófobas o señales basadas en péptidos. Los autoinductores hidrófobos, como AHL, se unen a factores de transcripción y afectan directamente la expresión génica. Las moléculas basadas en péptidos se unen a quinasas e inician cascadas de señalización en las células.

Conexiones de arte

Figura\(\PageIndex{2}\): ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la detección de quórum es falsa?

1. El autoinductor debe unirse al receptor para activar la transcripción de los genes responsables de la producción de más autoinductores.
2. El receptor permanece en la célula bacteriana, pero el autoinductor se difunde.
3. El autoinductor sólo puede actuar sobre una célula diferente: no puede actuar sobre la célula en la que está hecho.
4. El autoinductor activa genes que permiten que las bacterias formen una biopelícula.

Responder

C.

Figura\(\PageIndex{3}\): ¿Qué ventaja podría conferir la producción de biopelícula al S. aureus dentro del catéter?

Responder

S. aureus produce una biopelícula porque la mayor densidad celular en la biopelícula permite la formación de una superficie densa que ayuda a proteger a las bacterias de los antibióticos.

Notas al pie

1. 1 G. Manning, G.D. Plowman, T. Hunter, S. Sudarsanam, “Evolución de la señalización de proteína quinasa de levadura a hombre”, Tendencias en Ciencias Bioquímicas 27, núm. 10 (2002): 514—520.

Glosario

autoinductor

molécula de señalización secretada por bacterias para comunicarse con otras bacterias de su tipo y otras

factor de apareamiento

molécula de señalización secretada por las células de levadura para comunicar a las células de levadura cercanas que están disponibles para aparearse y comunicar su orientación de apareamiento

detección de quórum

método de comunicación celular utilizado por bacterias que les informa de la abundancia de bacterias similares (o diferentes) en el ambiente