20: Simbiosis Microbiosas
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La simbiosis, estrictamente definida, se refiere a una relación íntima entre dos organismos. Aunque muchas personas utilizan el término para describir una relación beneficiosa para ambos participantes, el término en sí no es tan específico. La relación podría ser buena, mala o neutral para cualquiera de los dos socios. Una relación mutualista es aquella en la que ambos socios se benefician, mientras que una relación comensalista beneficia a una pareja pero no a la otra. En una relación patógena, una pareja se beneficia a expensas de la otra. En este capítulo se analizan algunos ejemplos de simbiosis, donde los microbios son uno de los socios.
El Microbioma Humano
El microbioma humano describe los genes asociados con todos los microbios que viven en y sobre un ser humano. ¡Todos los 10^14 de ellos! Los microbios son en su mayoría bacterias pero pueden incluir arqueas, hongos y microbios eucarióticos. Las ubicaciones incluyen piel, tracto respiratorio superior, estómago, intestinos y tractos urogenitales. La colonización ocurre poco después del nacimiento, ya que los infantes adquieren microbios de personas, superficies y objetos con los que entran en contacto.
Los microbios intestinales y el metabolismo humano
La mayoría de los microbios asociados con el cuerpo humano se encuentran en el intestino, particularmente alrededor de 1-4 horas después de comer una comida cuando la población microbiana aumenta drásticamente. La microbiota intestinal es extremadamente diversa y se ha estimado que de 500-1000 especies de bacterias viven en el tracto gastrointestinal humano (¡típicamente descritas como de 5-8 libras de bacterias!).
Los microbios intestinales son esenciales para la digestión y nutrición del huésped, ayudando en la digestión al descomponer los carbohidratos que los humanos no podrían descomponer por sí mismos, liberando ácidos grasos de cadena corta de fibras dietéticas indigeribles. Además, producen vitaminas como la biotina y la vitamina K.
Microbios intestinales y obesidad
Se ha incrementado el interés en la población intestinal microbiana, debido a la posibilidad de que pueda desempeñar un papel en la obesidad. Aunque actualmente es hipotética, la investigación ha demostrado que los ratones obesos tienen una comunidad intestinal microbiana que difiere de los microbios que se encuentran en el intestino de ratones no obesos, con más bacterias Firmicutes y Archaea metanogénica. Se ha sugerido que estos microbios son más eficientes en la absorción de nutrientes.
Microbioma humano y enfermedad
Se ha demostrado que los cambios en la microbiota están asociados con estados de enfermedad o disbiosis. Investigaciones preliminares han demostrado que la microbiota podría estar asociada a artritis reumatoide, cáncer colorrectal, diabetes, además de obesidad.
Investigación
El Human Microbiome Project (HMP) fue un programa internacional de investigación con sede en Estados Unidos que se centró en las funciones de la microbiota intestinal. Unos 200 investigadores utilizaron técnicas avanzadas de secuenciación de ADN para determinar qué microbios están presentes y en qué poblaciones.
Muchos proyectos de investigación actuales se centran en determinar el papel del microbioma humano tanto en la salud como en el estado de enfermedad. No cabe duda de que nuestro conocimiento seguirá creciendo a medida que descubramos más sobre las vastas poblaciones de microbios que viven en y sobre nosotros.
Biofilms
Las biopelículas son una agregación compleja de células que están envueltas dentro de una matriz excelular y unidas a una superficie. Las bioformas se pueden formar en casi cualquier superficie y son comunes en la naturaleza y la industria, encontrándose en las superficies de rocas, cuevas, pipas, cascos de barcos, recipientes de cocina e implantes médicos, solo por nombrar algunos. También han existido desde hace mucho tiempo, ya que el registro fósil muestra evidencia de biopelículas que se remontan ¡3.4 mil millones de años!
La comunidad microbiana de una biopelícula puede estar compuesta por una o dos especies, pero más comúnmente contiene muchas especies diferentes de bacterias, cada una influyendo en la expresión y crecimiento de los genes de las otras.
Desarrollo de biopelículas
Los pasos básicos para la formación de biopelículas se pueden desglosar en cuatro pasos:
- Disposición y fijación de las células: para que se produzca el desarrollo de biopelículas, las células de flotación libre o planctónicas deben colisionar con una superficie adecuada. Por lo general, la superficie ha sido preacondicionada con los depósitos de proteínas ambientales y otras moléculas.
- Colonización: se produce la señalización de célula a célula, lo que lleva a la expresión de genes específicos de biopelícula. Estos genes están asociados con la producción comunal de ADN polimérico extracelular liberado por algunas células puede ser absorbido por otras, estimulando la expresión de nuevos genes.
- Maduración: la matriz EPS encierra completamente todas las células, ya que la biopelícula continúa espesándose y creciendo, formando una comunidad compleja y dinámica. Se forman canales de agua en toda la estructura.
- Desprendimiento y desprendimiento: las células individuales o trozos de la biopelícula se liberan al ambiente, como una forma de dispersión activa. Esta liberación puede ser desencadenada por factores ambientales, como la concentración de nutrientes u oxígeno.
Desarrollo de Biofilm. Cada etapa de desarrollo en el diagrama se empareja con una fotomicrografía de una biopelícula de Pseudomonas aeruginosa en desarrollo. Todas las fotomicrografías se muestran a la misma escala. Por D. Davis [CC BY 2.5], vía Wikimedia Commons
Ventajas celulares de las biopelículas
¿Por qué se desarrollan las bioformas? Hay ciertas ventajas que las células disfrutan mientras están en una biopelícula, sobre su crecimiento planctónico. Quizás lo más importante es que las biopelículas ofrecen a las células una mayor protección contra condiciones o sustancias nocivas, como la luz UV, la agitación física, los agentes antimicrobianos y la fagocitosis. ¡Se ha demostrado que las bacterias dentro de una biopelícula son hasta mil veces más resistentes a los antibióticos que las células de flotación libre!
Una biopelícula también permite a una población celular “echar raíces”, por así decirlo, para que puedan permanecer muy cerca de un área rica en nutrientes. Por ejemplo, una biopelícula que se desarrolla en una tubería de conducción en una planta lechera tendrá acceso continuo a alimentos frescos, lo que es mucho mejor que ser arrastrado con el producto final.
Por último, las biopelículas permiten que las células crezcan en poblaciones microbianas, donde pueden beneficiarse fácilmente de la comunicación célula a célula y el intercambio genético.
Impactos de biopelícula
Las biopelículas tienen enormes impactos en muchos tipos diferentes de industria. Los implantes médicos que van desde catéteres hasta articulaciones artificiales son particularmente susceptibles a la formación de biopelículas, lo que genera enormes problemas para la industria médica. Las biopelículas son responsables de muchas infecciones crónicas, debido a su mayor resistencia a los compuestos antimicrobianos y antibióticos. Un tipo de biopelícula que afecta a casi todo el mundo es la formación de placa dental, lo que puede llevar a la formación de cavidades.
Fuera de la medicina, las biopelículas afectan a casi cualquier industria que depende de las tuberías para transportar agua, alimentos, aceite u otros líquidos, donde su resistencia hace que sea particularmente difícil eliminar completamente la biopelícula.
Detección de quórum
La palabra quórum se refiere a tener un número mínimo de miembros necesarios para que una organización realice negocios, como celebrar una votación. La detección de quórum se refiere a la capacidad de algunas bacterias para comunicarse de una manera dependiente de la densidad, lo que les permite retrasar la activación de genes específicos hasta que sea la más ventajosa para la población.
La detección de quórum implica la comunicación célula a célula, utilizando pequeñas sustancias difusibles conocidas como autoinductores. Un autoinductor es producido por una célula, que se difunde a través de la membrana plasmática para ser liberado al ambiente. A medida que la población celular aumenta en el ambiente, la concentración de autoinductores también aumenta, haciendo que la molécula se difunda de nuevo en células individuales donde desencadena la activación de genes específicos.
Detección de quórum en Bacterias Bioluminiscentes.
Ejemplo de detección de quórum
Uno de los ejemplos mejor estudiados de detección de quórum es la relación mutualista entre la bacteria bioluminiscente Aliivibrio fischeri y el calamar rabo. El calamar bobtail en realidad tiene un órgano ligero que evolucionó para albergar a la bacteria, confiando en su luminiscencia para proporcionar un efecto de camuflaje contra los depredadores. A baja densidad celular la luminiscencia no proporcionaría el efecto deseado, representando un desperdicio de energía por parte de la población bacteriana. Por lo tanto, se utiliza la detección de quórum para que el gen lux que codifica la enzima luciferasa necesaria para la luminiscencia solo se active cuando la población bacteriana está en densidad suficiente.
Palabras clave
simbiosis, mutualista, comensalista, relación patógena, microbioma humano, disbiosis, Proyecto Microbioma Humano (HMP), biopelícula, planctónica, sustancias poliméricas extracelulares/EPS, detección de quórum, autoinductor.
Preguntas/Objetivos Esenciales
- ¿Qué es una simbiosis? ¿Cuáles son los diferentes ejemplos específicos de simbiosis?
- ¿Cómo se define el microbioma humano? ¿Qué microbios incluye?
- ¿Qué impacto tiene o puede tener el microbioma humano en su huésped?
- ¿Qué son las biopelículas? ¿Dónde se forman?
- ¿Cuáles son los pasos que conducen a la formación de biopelículas?
- ¿Cómo se benefician las células de existir en una biopelícula? ¿Cuáles son los impactos de las biopelículas en los humanos?
- ¿Qué es la detección de quórum? ¿Cómo funciona el mecanismo?
- Describir el ejemplo de Aliivibrio fischeri y el calamar bobtail. ¿Qué papel juega el quórum sensing en la relación entre estos dos organismos?