El término kamikaze, de origen japonés, fue utilizado para referirse a los ataques suicidas efectuados por pilotos de una unidad especial de la Armada Imperial Japonesa contra embarcaciones de la flota de los aliados a finales de la Segunda Guerra Mundial. Ahora, los investigadores han diseñado y construido un nuevo sistema biológico que permite a una bacteria detectar al patógeno Pseudomonas aeruginosa, explotar ella misma y soltar sustancias antimicrobianas para matar a Pseudomonas. Un auténtico kamikaze bacteriano.

El USS Bunker Hill fue atacado por dos aviones suicidas en menos de 30 segundos de diferencia el 11 de mayo de 1945 (Fuente: Wikipedia).

Los resultados, publicados en Molecular Systems Biology, sugieren que la bacteria manipulada puede ser empleada para prevenir o tratar las infecciones de Pseudomonas aeruginosa en humanos. Se trata de un trabajo de biología sintética en el que manipulan un microbio para que lleve a cabo funciones nuevas que normalmente no es capaz de realizar, como es el caso de matar a otra bacteria.

En concreto, han manipulado la bacteria Escherichia coli (una cepa inocua no patógena) para hacerla capaz de detectar determinadas moléculas que produce Pseudomonas aeruginosa. Estas moléculas desencadenan que E. coli produzca a su vez una proteína con acción antibiótica capaz de matar a Pseudomonas. En condiciones normales E. coli no es capaz de producir esta proteína, denomina piocina (al contrario de lo que ocurre con los antibióticos tradicionales, la resistencia a las piocinas es infrecuente). En este proceso E. coli estalla liberando la proteína tóxica y muriendo ella misma también. Según esta estrategia, E. coli libera la piocina tóxica solo en presencia de Pseudomonas. Además, la piocina no afecta a otros microbios, lo que significa que este tratamiento no debería matar a otras bacterias beneficiosas del organismo.

El sistema podría ser modificado para activarse frente a otras moléculas parecidas producidas por otros patógenos como Vibrio cholera (que provoca el cólera) o Helicobacter pylori (gastritis crónica).

Los investigadores han demostrado que este sistema no solo funciona cuando Pseudomonas crece libremente en medios de cultivo líquidos, sino que también actúa cuando la bacteria forma biofilms o biopelículas como cuando se multiplica dentro del organismo. Todavía no se ha probado en infecciones experimentales con animales, si funciona se podría pensar en administrar como bebida pro biótica a pacientes inmunocomprometidos para prevenir la infección con Pseudomonas.

Este nuevo diseño, denominado Pathogen Sensing and Killing’ system, funciona en varias etapas: 1) la bacteria “kamikaze” (E. coli) detecta las moléculas de AHL que produce Pseudomonas; 2) entonces, se activa en E. coli la producción de la proteína tóxica piocina S5; 3) y la acción de otra proteína E7 que hace que E. coli estalle y se lise; 4) esto libera la piocina S5 al medio externo y mata a Pseudomonas.

Pseudomonas aeruginosa es una bacteria capaz de colonizar el sistema respiratorio y gastrointestinal humano y que desarrolla muy rápidamente resistencia a los antibióticos. Causa cerca del 10% de todas las infecciones adquiridas en los hospitales y es especialmente grave en pacientes inmunocomprometidos, con las defensas debilitadas. Normalmente el tratamiento de estas infecciones es a base de antibióticos, pero estos también eliminan las bacterias beneficiosas de nuestro organismo, lo que hace a nuestro cuerpo más susceptible de ser colonizado por bacterias patógenas. Por esta razón, esta nueva estrategia antimicrobiana de luchar contra la bacteria patógena empleando otra bacteria es muy prometedora.

Engineering microbes to sense and eradicate Pseudomonas aeruginosa, a human pathogen. N. Saeidi y col. Molecular Systems Biology, 2011,7: 521.

doi:10.1038/msb.2011.55

Se ha publicado en Nature un trabajo en el que se describe cómo Pseudomonas aeruginosa es capaz de inhibir la proliferación de otras células rivales. Esta bacteria posee en su envoltura externa un complejo sistema de secreción (Sistema de Secreción de Tipo VI, T6SS) que actúa como una auténtica jeringuilla capaz de contactar con otras bacterias de alrededor e inyectarles unas toxinas denominadas Tse1 y Tse3.

Los  Sistemas de Secreción de Tipo VI bacterianos son similares a los que emplean los virus para inyectar su ADN a las bacterias (imagen izquierda). En las bacterias sirven para entrar en contacto con otras bacterias e inyectarles determinadas proteínas (imagen derecha).

Estas toxinas son enzimas líticas que degradan y deshacen el peptidoglicano. El peptidoglicano es un componente exclusivo y principal de la pared celular que envuelve a las bacterias. Forma una red compacta en el exterior de la membrana citoplasmática, a modo de “cáscara”, que mantiene la forma de la bacteria y previene su lisis. (De hecho, muchos antibióticos actúan sobre el peptidoglicano y por eso son capaces de matar las bacterias).

Lo curioso es que el peptidoglicano de Pseudomonas aeruginosa también es susceptible de ser atacado por estas toxinas Tse1 y Tse3 que ella misma produce. Para protegerse la bacteria sintetiza el “antídoto”: otras proteínas que la inmunizan del efecto tóxico, las denominadas Tsi1 y Tsi3, que interactúan específicamente con las toxinas y las inactivan. De esta forma, Pseudomonas aeruginosa inyecta a las bacterias vecinas competidoras unas enzimas que les rompen su pared celular y, al mismo tiempo, ella misma produce el “antídoto” para protegerse de esas toxinas. Como ves, un bicho muy listo.

En un ambiente como el cuerpo humano, Pseudomonas tiene que competir con otras bacterias para colonizar los tejidos del cuerpo. Un sistema tan “inteligente” como el que emplea Pseudomonas puede ser determinante para conseguir que progrese la infección. Pseudomonas aeruginosa es una bacteria Gram-negativa, patógeno oportunista de individuos inmunocomprometidos, capaz de causar infecciones pulmonares, urinarias, en heridas, … Puede ser resistente a muchos antibióticos y causa muchas infecciones hospitalarias y en pacientes con quemaduras graves. Entender las estrategias de este patógeno nos puede ayudar en el futuro a diseñar nuevas fórmulas para combatirlo.

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Algunas bacterias son capaces de agruparse formando biofilms o biopelículas en las que varios microorganismos se asocian sobre una superficie envueltos en una matriz normalmente de polisacáridos (azúcares), producidos por las mismas bacterias. Las bacterias deben poder moverse a través de esa superficie, para lo que emplean distintos tipos de apéndices. Un tipo concreto de movimiento ocurre como a trompicones, la bacteria parece que tiembla y a continuación de un salto más o menos brusco. Esto es posible por la acción de estructuras filamentosas, parecidas a pelos situados sobre la superficie de la bacteria, que se denominan pili de tipo IV. 

Investigadores del Departamento de Bioingeniería de la Universidad de California han identificado la secuencia de movimientos de Pseudomonas aeruginosa, una bacteria patógena oportunista capaz de formar biofilms y responsable de infecciones mortales en pacientes con fibrosis quística (publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences). Empleando cámaras de filmación de alta velocidad y algoritmos matemáticos, han descubierto que la bacteria posee una sorprendente capacidad de movimiento sobre los biofilms. Las imágenes se interpretan como si la bacteria utilizara los pili de tipo IV como auténticos garfios de escalada que puede extender, anclar sobre la superficie, replegarlos y arrastrar la célula hacia delante. 

Además, la capacidad de dar la vuelta y cambiar de dirección es esencial para que la bacteria se adapte a las condiciones cambiantes del biofilm. Para ello, la bacteria realiza dos tipos de movimientos: uno lineal a velocidad constante que suele durar entre 0,3 y 10 segundos, seguido de un movimiento brusco de rotación mucho más rápido (20 veces) y que solo dura unos 100 milisegundos. Los investigadores encontraron que mediante este mecanismo Pseudomonas aeruginosa se puede mover de forma mucho más fácil a través de los polisacáridos que ella misma segrega durante la formación del biofilm.