5.2: La capacidad de adherirse a las células hospedadoras y resistir la eliminación física

Objetivos de aprendizaje

1. Describa brevemente 3 mecanismos diferentes por los cuales las bacterias pueden adherirse a las células hospedadoras y colonizar y afirmar cómo esto puede promover la colonización.
2. Indicar una ventaja para las bacterias al poder cambiar las puntas adhesivas de sus pili.
3. Definir la biopelícula y declarar al menos 3 beneficios asociados con bacterias que viven como comunidad dentro de una biopelícula.

Bacteria Destacada

1. Lee la descripción de Neisseria memingitidis yempareja la bacteria con la descripción del organismo y la infección que causa.

Una de las defensas inmunes innatas del cuerpo es la capacidad de eliminar físicamente las bacterias del cuerpo a través de medios tales como el desprendimiento constante de células epiteliales superficiales de la piel y las membranas mucosas, la eliminación de bacterias por medios tales como tos, estornudos, vómitos y diarrea, y eliminación bacteriana por fluidos corporales como saliva, sangre, mucosidad y orina. Las bacterias pueden resistir esta eliminación física produciendo pili, proteínas adhesinas de la pared celular y/o cápsulas productoras de biopelícula. Además, la unión física de las bacterias a las células hospedadoras también puede servir como señal para la activación de genes involucrados en la virulencia bacteriana. Este proceso se conoce como transducción de señales.

Uso de Pili (fimbrias) para adherirse a las células hospedadoras

Como se ve en la Unidad 1, los pili permiten que algunos organismos se adhieran a los receptores de las células hospedadoras diana (Figura\(\PageIndex{5}\) .2.1) y así colonizar y resistir el rubor del cuerpo. Los pili son tubos finos de proteínas que se originan en la membrana citoplasmática y se encuentran en prácticamente todas las bacterias Gram-negativas, pero no en muchas bacterias Gram-positivas.

Figura\(\PageIndex{5}\) .2.1: Adherencia Bacteriana con Pili

El pilus tiene un eje compuesto por una proteína llamada pilina. Al final del eje se encuentra la estructura de punta adhesiva que tiene una forma correspondiente a la de receptores específicos de glicoproteínas o glicolípidos en una célula hospedadora (Figura\(\PageIndex{5}\) .2.3). Debido a que tanto las bacterias como las células huésped tienen una carga negativa, los pili pueden permitir que las bacterias se unan a las células hospedadoras sin tener que acercarse inicialmente lo suficiente como para ser empujadas por repulsión electrostática. Una vez unidos a la célula huésped, los pili pueden despolimerizarse y permitir adherencias en la pared celular bacteriana para hacer un contacto más íntimo. También hay evidencia de que la unión de pili a receptores de células hospedadoras puede servir como desencadenante para activar la síntesis de algunas adhesinas de la pared celular.

Figura\(\PageIndex{5}\) .2.3: Al alterar genéticamente las puntas adhesivas de sus pili, ciertas bacterias son capaces de: 1) adherirse y colonizar diferentes tipos de células con diferentes receptores, y 2) evadir anticuerpos hechos contra los pili anteriores.

Las bacterias están constantemente perdiendo y reformando pili a medida que crecen en el cuerpo y la misma bacteria puede cambiar las puntas adhesivas de los pili para adherirse a diferentes tipos de células y evadir las defensas inmunitarias (Figura\(\PageIndex{2}\) .2.3). E. coli, por ejemplo, es capaz de hacer más de 30 tipos diferentes de pili.

Figura5). La ilustración superior muestra una bacteria arrastrándose a sí misma o “arrastrándose” a lo largo de una superficie. Las bacterias con pili polares también son capaces de tirarse erguidas y “caminar” a lo largo de la superficie como se muestra en la ilustración inferior.

Una clase de pili, conocida como pili tipo IV, no solo permite la fijación sino que también permite una motilidad espasmódica. Se localizan en los polos de los bacilos y permiten una motilidad deslizante a lo largo de una superficie sólida como una célula hospedadora. La extensión y retracción de estos pili permite que la bacteria se arrastre a lo largo de la superficie sólida (Figura\(\PageIndex{4}\)). Además, las bacterias pueden usar sus pili tipo IV para “tirachinas” a la bacteria sobre una superficie celular. En este caso, a medida que los pili se contraen se piensa que se tensan como una banda elástica estirada. Cuando un pilus de anclaje se desprende, los pilos tensos “tirachinas” la bacteria en dirección opuesta (Figura\(\PageIndex{5}\)). Este movimiento suele alternar con la motilidad de las sacudidas y permite un movimiento y un cambio de dirección más rápidos que con la motilidad de las sacudidas debido a que el movimiento rápido de tirachinas reduce la viscosidad de la biopelícula circundante.

Figura\(\PageIndex{4}\)) también causada por pili tipo IV y permite un movimiento y cambio de dirección más rápidos que con la motilidad espasmódica debido a que el rápido movimiento de “tirachinas” reduce la viscosidad de la biopelícula circundante.

Esto permite que las bacterias con este tipo de pili dentro de una biopelícula se muevan alrededor de una superficie celular y encuentren un área óptima en esa célula para su unión y crecimiento una vez que se hayan unido inicialmente. Las bacterias con pili tipo IV incluyen Pseudomonas aeruginosa, Neisseria gonorrhoeae, Neisseria meningitidis y Vibrio cholerae.

Ejemplos de bacterias que utilizan pili para colonizar:

1. Para causar infección, Neisseria gonorrhoeae debe colonizar primero una superficie mucosa compuesta por células epiteliales columnares. Los pili permiten esta unión inicial y, de hecho, N. gonorrhoeae es capaz de perder rápidamente pili y sintetizar otros nuevos con una punta adhesiva diferente, permitiendo que la bacteria se adhiera a una variedad de tejidos y células incluyendo esperma, las células epiteliales de las membranas mucosas que recubren la garganta, tracto genitourinario, recto y conjuntiva del ojo. Posteriormente, la bacteria es capaz de hacer un contacto más íntimo con la superficie de la célula hospedadora a través de una adhesina de la pared celular llamada Opa (ver más abajo).

2. Los pili de Neisseria meningitidis le permiten adherirse a las células epiteliales de la mucosa en la nasofaringe donde a menudo es asintomática. A partir de ahí, sin embargo, a veces ingresa a la sangre y a las meninges y provoca septicemia y meningitis. Se cree que los pili tipo IV ayudan a la bacteria a cruzar la barrera hematoencefálica.

Da click en este enlace, lee la descripción de Neisseria meningitidis, y poder hacer coincidir la bacteria con su descripción en un examen.

3. Las cepas uropatógenas de Escherichia coli pueden producir pili que permiten que la bacteria se adhiera al epitelio urinario y provoquen infecciones del tracto urinario. También producen adhesinas afimbriales (ver abajo) para la unión a las células epiteliales. Las E. coli enteropatogénicas (EPEC) utilizan pili para adherirse a las células de la mucosa intestinal.

• Para ver una micrografía electrónica E. coli con pili, consulte Microscopía de Dennis Kunkel en la Universidad de Hawaii-Manoa.
• Para ver micrografías electrónicas de E. coli enteropatogénicas (EPEC) adheridas a células intestinales, consulte Donnenberg Lab Images en la Facultad de Medicina de la Universidad de Maryland.

4. Los pili de Vibrio cholerae le permiten adherirse a las células de la mucosa intestinal y resistir la acción de rubor de la diarrea.
5. Pili de Pseudomonas aeruginosa le permiten colonizar inicialmente heridas o el pulmón.

Uso de adhesinas para adherirse a las células hospedadoras

Las adhesinas son proteínas superficiales que se encuentran en la pared celular de diversas bacterias que se unen a moléculas receptoras específicas en la superficie de las células hospedadoras y permiten que la bacteria se adhiera íntimamente a esa célula para colonizar y resistir la eliminación física (Figura\(\PageIndex{6}\)). Muchas, si no la mayoría de las bacterias probablemente usan una o más adhesinas para colonizar las células hospedadoras.

Figura\(\PageIndex{6}\): Adhesinas Bacterianas. Las proteínas superficiales llamadas adhesinas en la pared celular bacteriana se unen a moléculas receptoras en la superficie de una célula huésped susceptible permitiendo que la bacteria haga contacto íntimo con la célula hospedadora, se adhiera, colonice y resista el rubor.

Por ejemplo:

1. Streptococcus pyogenes (ver micrografía electrónica) (estreptococos beta del grupo A) producen una serie de adhesinas

a. Proteína F que se une a la fibronectina, una proteína común en las células epiteliales. De esta manera es capaz de adherirse a los linfáticos y membranas mucosas del tracto respiratorio superior y provocar faringitis estreptocócica (faringitis estreptocócica).

b. El ácido lipoteicoico se une a la fibronectina en las células epiteliales.

c. La proteína M también funciona como adhesina.

2. La punta de la espiroqueta Treponema pallidum contiene adhesinas que son capaces de unirse a la fibronectina en las células epiteliales.

Micrografía electrónica de barrido de T. pallidum adherida a una célula hospedadora por su punta.

3. La punta de la espiroqueta Borrelia burgdorferi contiene adhesinas que pueden unirse a diversas células hospedadoras.

4. Escherichia coli O157 utiliza un sistema de secreción tipo 3 para inyectar proteínas efectoras en las células epiteliales intestinales. Algunos de estos causan polimerización de actina en la superficie celular y esto empuja la membrana citoplásmica de la célula huésped hasta formar un pedestal. Otra proteína efectora se inserta en la membrana del pedestal para servir como molécula receptora de adhesinas de E. coli (Figura\(\PageIndex{7}\)).

Figura\(\PageIndex{7}\): E. coli utilizando un sistema de secreción tipo 3 para inducir la formación de pedestal en una célula hospedadora. Escherichia coli O157 utiliza un sistema de secreción tipo 3 para inyectar proteínas efectoras en las células epiteliales intestinales. Algunos de estos causan polimerización de actina en la superficie celular y esto empuja la membrana citoplásmica de la célula huésped hasta formar un pedestal. Otra proteína efectora se inserta en la membrana del pedestal para servir como molécula receptora de adhesinas de E. coli

5. Helicobacter pylori utiliza un sistema de secreción tipo 4 para inyectar proteínas efectoras en las células epiteliales del estómago para inducir a estas células hospedadoras a mostrar más receptores en su superficie para las adhesinas de H. pylori.

Figura\(\PageIndex{8}\): Bordetella pertussis usando Adhesinas para Adherirse a una Célula Epitelial Ciliada. Bordetella pertussis produce varias adhesinas: (1) La hemaglutinina filamentosa es una adhesina que permite que la bacteria se adhiera a los residuos de galactosa de los glicolípidos en la membrana de las células epiteliales ciliadas del tracto respiratorio. (2) La toxina pertussis también funciona como adhesina. Una subunidad de la toxina pertussis permanece unida a la pared celular bacteriana, mientras que otra subunidad se une a los glicolípidos en la membrana de las células epiteliales ciliadas del tracto respiratorio. (3) B. La tos ferina también produce una adhesina llamada pertactina que además permite que la bacteria se adhiera a las células.

6. Bordetella pertussis produce varias adhesinas (Figura\(\PageIndex{8}\)):

a. La hemaglutinina filamentosa es una adhesina que permite que la bacteria se adhiera a los residuos de galactosa de los glicolípidos en la membrana de las células epiteliales ciliadas del tracto respiratorio.
b. La toxina pertussis también funciona como adhesina. Una subunidad de la toxina pertussis permanece unida a la pared celular bacteriana mientras que otra subunidad se une a los glicolípidos en la membrana de las células epiteliales ciliadas del tracto respiratorio.
c. B. La tos ferina también produce una adhesina llamada pertactina que además permite que la bacteria se adhiera a las células.

7. Neisseria gonorrhoeae produce una adhesina llamada Opa (proteína II) que permite a la bacteria hacer un contacto más íntimo con la célula huésped después de que se adhiere por primera vez con sus pili. Al igual que con las puntas adhesivas de pili, N. gonorrhoeae tiene múltiples alelos para las adhesinas de proteína Opa que permiten que la bacteria se adhiera a una variedad de tipos de células hospedadoras.

8. Staphylococcus aureus utiliza la proteína A como adhesina para adherirse a diversas células hospedadoras. También ayuda a la bacteria a resistir la fagocitosis.

Uso de biopelículas para adherirse a las células hospedadoras

Muchas bacterias normales de la flora producen una matriz capsular de polisacárido o glicocáliz para formar una biopelícula en el tejido del huésped. Las biopelículas son grupos de bacterias unidas a una superficie y encerradas en una matriz adhesiva secretada común, típicamente polisacáridos en la naturaleza. Muchas bacterias patógenas, así como flora normal y muchas bacterias ambientales, forman comunidades bacterianas complejas como biopelículas.

Las bacterias en las biopelículas a menudo son capaces de comunicarse entre sí mediante un proceso llamado detección de quórum y son capaces de interactuar y adaptarse a su entorno como una población de bacterias en lugar de como bacterias individuales. Al vivir como una comunidad de bacterias como biopelícula, estas bacterias son más capaces de:

• resistir el ataque por antibióticos;
• atrapar nutrientes para el crecimiento bacteriano y permanecer en un nicho favorable;
• adherirse a las superficies ambientales y resistir el lavado;
• vivir en estrecha asociación y comunicarse con otras bacterias en la biopelícula; y
• resistir la fagocitosis y el ataque por las vías del complemento del cuerpo.

Las biopelículas son, por lo tanto, comunidades bacterianas funcionales, interactuantes y en crecimiento. Las biopelículas incluso contienen sus propios canales de agua para entregar agua y nutrientes en toda la comunidad de biopelículas.

• Micrografía electrónica de una biopelícula de Haemophilus influenzae de BiomedCentral.com
• Fotomicrografía de una biopelícula con canales de agua de los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades Rodney M. Donlan: “Biofilms: Vida Microbiana en Superficies”
• Biofilm de Pseudomonas aeruginosa del Laboratorio Ausubel, Departamento de Biología Molecular, Hospital General de Massachusetts
• Micrografía electrónica de barrido de Staphylococcus aureus formando una biopelícula en un catéter permanente cortesía de CDC.
• Biofilm de Staphylococcus aureus de la Universidad Estatal de Montana

Por ejemplo:

1. Streptococcus mutans y Streptococcus sobrinus, dos bacterias implicadas en el inicio de la caries dental, descomponen la sacarosa en glucosa y fructosa. Streptococcus mutans puede utilizar una enzima llamada dextransacarasa para convertir la sacarosa en un polisacárido pegajoso llamado dextrano que forma una biopelícula que permite que las bacterias se adhieran al esmalte del diente e inicien la formación de placa.

Esta malla de dextrano atrapa a S. mutans y S. sobrinus, junto con otras bacterias y escombros, y forma placa. S. mutans y S. sobrinus también fermentan glucosa para producir energía. La fermentación de la glucosa da como resultado la producción de ácido láctico que se libera sobre la superficie del diente e inicia caries.

• Micrografía electrónica de barrido de Streptococcus creciendo en el esmalte de un diente. © Lloyd Simonson, autor. Licencia para su uso, ASM MicrobeLibrary.
• Micrografía electrónica de barrido de placa dental .© H. Busscher, H. van der Mei, W. Jongebloed, R Bos, autores. Licencia para su uso, ASM MicrobeLibrary.

2. La mayoría de los niños que sufren de infección crónica del oído (otitis media) tienen una biopelícula de bacterias en el oído medio. Esta biopelícula contiene bacterias como Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae y Moraxella catarrhalis y permite que las bacterias colonicen crónicamente el oído medio, así como resistir las defensas corporales y los antibióticos.

3. Pseudomonas aeruginosa planctónica utiliza su flagelo polar para moverse a través del agua o moco y hacer contacto con una superficie sólida como las membranas mucosas del cuerpo. Luego puede usar pili y adhesinas de pared celular para adherirse a las células epiteliales de la membrana mucosa. La unión activa los genes de señalización y detección de quórum para permitir finalmente que la población de P. aeruginosa comience a sintetizar una biopelícula de polisacáridos compuesta por alginato. A medida que la biopelícula crece, las bacterias pierden sus flagelos para volverse no móviles y secretan una variedad de enzimas que permiten a la población obtener nutrientes de las células hospedadoras. Finalmente, la biopelícula se levanta y desarrolla canales de agua para entregar agua y nutrientes a todas las bacterias dentro de la biopelícula. A medida que la biopelícula comienza a llenarse demasiado de bacterias, la detección de quórum permite que algunas de las Pseudomonas vuelvan a producir flagelos, escapar de la biopelícula y colonizar una nueva ubicación (Ver Figs. 9A-9H).

Muchas infecciones crónicas y difíciles de tratar son causadas por bacterias en biopelículas. Dentro de las biopelículas, las bacterias crecen más lentamente, exhiben diferente expresión génica que las bacterias planctónicas libres, y son más resistentes a los agentes antimicrobianos como los antibióticos debido a la menor capacidad de estos químicos para penetrar en la densa matriz de biopelículas. Las biopelículas han sido implicadas en tuberculosis, cálculos renales, infecciones por estafilococos, legionarios y enfermedad periodontal. Se estima además que hasta 10 millones de personas al año en Estados Unidos pueden desarrollar infecciones asociadas a biopelículas como resultado de procedimientos médicos invasivos e implantes quirúrgicos.

• Micrografía electrónica de barrido de Listeria creciendo sobre una superficie de acero inoxidable. © Amy Lee Wong, autora. Licencia para su uso, ASM MicrobeLibrary.
• Micrografía electrónica de barrido de Pseudomonas creciendo en mucosa bronquial. © Hiroyuki Kobayashi, autor. Licencia para su uso, ASM MicrobeLibrary.
• Micrografía electrónica de barrido de Staphylococcus aureus formando una biopelícula en un catéter permanente cortesía de CDC.
• Artículo y modelo generado por computadora de formación de biopelículas cortesía de NIH.

Película y animación de YouTube: ¿Qué son las biopelículas?

Ejercicio: Preguntas de Pensar Par-Compartir

Pseudomonas aeruginosa, una causa común de infecciones respiratorias graves en personas con fibrosis quística, produce un solo flagelo polar, puede secretar un limo polisacárido compuesto por alginato, y es capaz de producir tanto pili como adhesinas de pared celular. ¿Cómo podría contribuir cada uno de estos factores a la patogenosis de la bacteria y en qué orden podrían utilizarse?

Resumen

1. Una de las defensas inmunes innatas del cuerpo es la capacidad de eliminar físicamente las bacterias del cuerpo.
2. Las bacterias pueden resistir la eliminación física produciendo pili, proteínas adhesinas de la pared celular y/o cápsulas productoras de biopelículas que permiten que las bacterias se adhieran a las células hospedadoras.
3. Al final del eje de un pilus bacteriano hay una estructura de punta adhesiva que tiene una forma correspondiente a la del receptor específico en una célula hospedadora para la unión inicial. Por lo general, las bacterias pueden hacer una variedad de puntas adhesivas diferentes que les permiten unirse a diferentes receptores de células hospedadoras.
4. Las adhesinas de la pared celular son proteínas de superficie que se encuentran en la pared celular de varias bacterias que se unen fuertemente a moléculas receptoras específicas en la superficie de las células hospedadoras. Las bacterias pueden producir típicamente una variedad de adhesinas de pared celular diferentes, lo que les permite unirse a diferentes receptores de células hospedadoras.
5. Las biopelículas son grupos de bacterias unidas a una superficie y encerradas en una matriz adhesiva secretada común, típicamente polisacáridos en la naturaleza. Muchas bacterias patógenas, así como flora normal y muchas bacterias ambientales, forman comunidades bacterianas complejas como biopelículas.
6. Muchas infecciones crónicas y difíciles de tratar son causadas por bacterias en biopelículas.