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22 febrero 2016

Quorum Sensing: la comunicación microbiana

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Los seres vivos pueden ser clasificados en dos grandes grupos: los organismos unicelulares, formados por una célula única e independiente (Ej. Bacteria); y los organismos pluricelulares, formados por un conjunto de células dependientes unas de otras, debido a que cada tipo de célula realiza una función especializada (Ej. El ser humano).

En los seres pluricelulares, la comunicación entre las diversas células se realiza constantemente con la finalidad de mantener el equilibrio u homeostasis de todas las funciones del organismo. Cuando recibimos un estímulo como por ejemplo elevadas temperaturas, células especializadas de nuestro cuerpo liberan moléculas encargadas de promover la sudoración en las células apropiadas, con el fin de reducir la temperatura corporal. Esta comunicación se hace tan indispensable que, cuando ocurre un fallo en la trasmisión del mensaje, el equilibrio del organismo se ve afectado y la supervivencia del individuo se ve comprometida. En el caso de los organismos unicelulares, se pensaba que dentro de una población, cada célula actuaba independiente del resto y no podía ser influida por las células vecinas. Sin embargo, se ha descubierto que estas células mantienen mecanismos de comunicación a fin de ejercer acciones conjuntas que favorezcan el desarrollo de toda la población.

Este mecanismo es conocido como quorum sensing (QS) y ha permitido que cierto tipos de bacterias patógenas adquieran resistencia a los antibióticos, reduciendo la eficiencia de los tratamientos e incrementando el desarrollo de la enfermedad. Conocer como funciona el QS ayudará a determinar los puntos vulnerables del proceso donde pueden ser aplicadas las nuevas terapias anti-infecciosas. Por otra parte, comprender cómo se organiza el QS permite su aplicación en otras áreas, como por ejemplo, como herramienta en la organización de redes informáticas y sistemas robóticos.

¿Qué es el quorum sensing?

El QS es un mecanismo que regula la expresión de los genes en función de la densidad celular. Este mecanismo tiene lugar gracias a la liberación de moléculas señal denominadas ‘autoinductores’, llamadas así porque pueden actuar sobre la misma célula que los liberó, y son capaces de desencadenar la expresión genética en toda la población, provocando una respuesta global.

La concentración del autoinductor será determinante para el inicio del QS, mientras mayor sea la densidad poblacional (mayor número de individuos), mayor será la concentración del autoinductor en el medio externo estimulando la expresión de los genes.

Bacteria Patógena / Dominio Público

El QS fue descubierto en una bacteria marina que coloniza de forma simbiótica un calamar. Esta bacteria libera las moléculas del autoinductor que se  acumulan en el medio externo durante la fase de mayor crecimiento, la alta concentración de autoinductor permite la expresión del gen que codifica la luciferasa, enzima responsable de la oxidación de la luciferina en oxiluciferina, finalmente una cantidad de luz es emitida cuando la oxiluciferina pierde su estado excitado, dicho fenómeno es conocido como biolumniscencia.

Cuando la densidad poblacional bacteriana es muy baja, el autoinductor no alcanza concentraciones significativas para desencadenar la expresión genética y entonces la bacteria no producirá luz. Por el contrario, en altas densidades bacterianas la concentración del autoinductor también se incrementa y consigue difundir al interior de la bacteria desencadenando la bioluminiscencia.

Tipos de quorum sensing

Diferentes formas de QS se han descubierto en diversos géneros bacterianos. Las diferencias entre uno y otro radica en el tipo de molécula autoinductora empleada y en la respuesta global que desencadena en la bacteria. Una amplia variedad de respuestas puede ser generada, tales como: biolumniscencia, virulencia, swarming, esporulación y formación de biopelículas.

Los dos tipos más comunes de QS

  • Biopelículas: Los microrganismos que usan este tipo de QS suelen crecer de forma silenciosa mientras la densidad poblacional es baja, esto les permite pasar desapercibidos frente al sistema inmune. Una vez alcanzada una alta densidad poblacional, los autoinductores iniciarán la liberación de polímeros formando una red que permitirá agrupar a toda la población y adherirla al tejido vivo. La caries dental es un ejemplo clásico de biopelícula.

Las biopelícula causan alrededor del 80% de las enfermedades infecciosas y son 1000 veces más resistentes a los antibióticos que cuando están en su forma libre [1].

  • Swarming: Se trata más bien de un fenómeno de movimiento colectivo en medio de cultivo sólido cuando se alcanza alta densidad celular. Este fenómeno puede ser observado directamente sin la ayuda de aparatos y se presenta como círculos concéntricos alrededor de la colonia que se extienden por toda la placa.

Finalmente, los diversos mecanismos de QS de los que disponen las bacterias patógenas, les han otorgado la capacidad de resistir a los antibióticos. Sin embargo, el estudio se ha volcado en una nueva clase de moléculas antibióticas denominadas Inhibidores de Quorum Sensing, las cuales actuarían en puntos específicos del proceso de expresión genética, evitando que se complete el proceso.

 

Omar Santiago Pillaca Pullo

Químico y Farmacéutico

Referencias:

[1] Vipin C. K. Quorum sensing vs Quorum Quenching: A battle with No End in Sight. 2015. Springer India. DOI: 10.1007/978-81-322-1982-8_1

 

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