¿Qué es la detección de quórum?

Las bacterias se comunican a través de la detección de quórum, que es un proceso dependiente de la densidad celular que se utiliza para comunicarse entre sí a fin de regular la expresión génica.

¿Recuerda los buenos tiempos en los que salir con amigos y familiares no era una propuesta arriesgada? Regrese a cuando era normal coordinar planes para grupos grandes. A pesar de lo alegres que fueron las reuniones grupales, una cosa que estoy seguro de que nadie se pierde es lo difícil que fue alinear los horarios de todos y elegir una fecha común. No importa que todos acuerden mutuamente un lugar o restaurante. ¡La comunicación dentro de grupos grandes es una gran habilidad!

La comunicación parece simple, pero en realidad es bastante compleja. ¿Alguna vez le preguntó a su pareja “¿Qué pasa?” cuando parecían estar de mal humor, solo para que gritaran “¡Nada!”

Los seres humanos, que se encuentran en la cima de la cadena alimentaria con el cerebro y las estructuras sociales más desarrolladas, todavía luchan por transmitir sus mensajes a otros de su clase. ¿Qué pasaría si te dijera que las humildes bacterias unicelulares ya lo han logrado? Han desarrollado una forma de comunicarse entre ellos en perfecta armonía. Sin discusiones, sin desacuerdos, simplemente transmitiendo el mensaje de una manera clara. Impactante, ¿no?

Esta minúscula y pequeña forma de vida de sólo una célula del tamaño, no tiene oídos ni boca, y no tiene un gran cerebro para decodificar signos y símbolos. Entonces, ¿cómo “habla” con otros de su tipo? En pocas palabras, las bacterias usan sustancias químicas para enviarse mensajes entre sí, en un proceso llamado Quorum Sensing (QS).

¿Qué es la detección de quórum?

La detección de quórum, como implica la palabra quórum, es una forma de contar la población bacteriana en un sitio determinado, con el fin de activar colectivamente ciertos comportamientos grupales.

Muchas bacterias tienden a formar un grupo y realizar su tarea juntas. Tienen sistemas que les hacen expresar diferentes comportamientos en diferentes densidades de población. La detección de quórum es la forma en que todos saben qué tan grande es su grupo en un lugar en particular, lo que luego estimula algunos comportamientos colectivos que están programados en sus genes.

Estos comportamientos colectivos incluyen tareas como bioluminiscencia (producción de luz), producción de antibióticos, formación de biopelículas, infección del huésped e incluso el intercambio de información genética (conjugación), solo por nombrar algunos.

¿Cuándo se descubrió este modo de comunicación?

En algún momento del siglo pasado, los científicos estaban desconcertados sobre una especie de bacteria bioluminiscente: Vibrio Fischeri.

V. fischeri es una especie de bacteria bioluminiscente marina que se puede encontrar flotando en el agua del océano o en capas sobre calamares. Están en relaciones simbióticas con diferentes animales marinos para ofrecer esta luz a cambio de alimento y refugio. Durante el día, producen luz para camuflar a sus anfitriones, mientras que por la noche, facilitan la visualización de sus anfitriones.

Estas bacterias en particular producen su luz brillante característica, pero solo en ciertas densidades de población. Los científicos no pudieron lograr que produjeran esta bioluminiscencia en cantidades más pequeñas, lo que los dejó rascándose la cabeza. Finalmente, en 1970, descubrieron la respuesta: detección de quórum.

Los calamares tienen una relación simbiótica con V. fischeri donde les permite vivir en sus cuerpos. A cambio, los calamares aprovechan la luz que producen. (Crédito de la foto: Narrissa Spies / Wikimedia Commons)

El mecanismo de detección de quórum

La clave para la detección de quórum es tener una congregación bacteriana lo suficientemente grande como para que ocurra el comportamiento. Cada bacteria marca su presencia liberando moléculas de señalización especiales conocidas como autoinductores en el entorno que lo rodea. Estos son el equivalente bacteriano de las moléculas de hormonas animales.

Las bacterias producen y liberan naturalmente estos autoinductores, que entran y salen libremente de la célula mediante el proceso de difusión. A medida que las bacterias continúan multiplicándose y aumentando en número, más de estas moléculas de señalización se producen y liberan al medio ambiente. Todas las bacterias pueden sentir esta cantidad creciente de moléculas de señalización a través de receptores en su superficie. Finalmente, se alcanza una cierta concentración, conocida como concentración umbral.

En este punto, las bacterias se dan cuenta, “¡Oh, espera! Hay tantas moléculas de señalización a mi alrededor y dentro de mí. Eso significa que hay bastantes de mis amigos cerca. Es hora de empezar a trabajar en nuestra tarea de grupo “.

Existen numerosas formas de moléculas de señalización. El tipo producido y liberado depende de la especie de bacteria y de la tarea a realizar.

¿Qué hace que V. fischeri brille?

V. fischeri produce una enzima productora de luz especial llamada luciferasa. Dado que una sola bacteria no puede producir suficiente “luz”, se convierte en un desperdicio de recursos si lo hace sola. La naturaleza es eficiente y ha programado a estas bacterias para que produzcan su luz solo cuando estén en número suficiente para lograr un brillo.

V. fischeri produce una enzima llamada AHL sintasa. La AHL sintasa luego produce AHL (N-acil homoserina lactona), que es el autoinductor que la bacteria libera en su entorno.

A medida que aumenta el número de V. fischeri, aumenta la cantidad de AHL. Finalmente, la concentración de AHL fuera de las células se vuelve mayor que el número en el interior, lo que hace que el gradiente de concentración se invierta y que AHL fluya de regreso a las células bacterianas.

Una vez que la AHL comienza a fluir de regreso al interior de la célula, activa ciertos genes responsables de la producción de luciferasa. De esta manera, esta especie de bacteria comienza a brillar solo en altas densidades de población.

El proceso de detección de quórum en V. fischeri, que conduce a la activación de genes necesarios para la bioluminiscencia. (Crédito de la foto: Caroline Dahl / Wikimedia Commons)

¿Existen otras formas de detección de quórum?

Así como los humanos tienen diferentes lenguajes, las bacterias tienen diferentes tipos de moléculas de señalización. Hay dos tipos de bacterias: gram positivas y gram negativas. La principal diferencia entre los dos es en términos de composición y grosor de la pared celular. Si desea obtener más información sobre las gram naturalezas, consulte este artículo.

El mecanismo de detección de quórum depende de la naturaleza gram de las bacterias. Las bacterias gramnegativas como V. fischeri utilizan autoinductores, como las AHL. Los AHL utilizan la difusión para moverse dentro y fuera del cuerpo bacteriano.

Las bacterias grampositivas tienen un mecanismo ligeramente alterado. Sus moléculas de señalización son péptidos, pequeñas cadenas de aminoácidos, en lugar de AHL. En lugar de difundirse fuera de la célula bacteriana, son expulsados ​​por bombas de transporte.

¿Por qué las bacterias necesitan comunicarse?

Tomemos, por ejemplo, una bacteria patógena que ha entrado en un cuerpo y comienza a expresar sus genes de virulencia (causantes de enfermedades) y, como resultado, alerta al sistema inmunológico del huésped. La pobre bacteria solitaria será golpeada por las células inmunes.

Sin embargo, con la detección de quórum, las bacterias pueden esperar, aumentar su número y luego desatar su dominio sobre el cuerpo.

Las bacterias inicialmente permanecen en silencio, en modo sigiloso, mientras continúan replicándose. Una vez que la comunidad bacteriana es lo suficientemente grande, gana confianza para entablar una pelea con el sistema inmunológico del huésped. Solo entonces activará los genes necesarios para causar una enfermedad.

Otro ejemplo es el de una bacteria muy social Myxococcus xanthus. Estas bacterias están presentes en el suelo y se mueven en grupos en busca de alimento. Ahora, si todo lo que uno hace es moverse en un área pequeña y comer lo que encuentra allí, eventualmente la comida se acaba.

Una vez que esto sucede y estas bacterias comienzan a morir de hambre y comienzan a transmitir un nuevo mensaje dentro de su grupo: “Juntense, acérquense, permanezcan juntos. Formar un cuerpo cohesionado para que podamos viajar colectivamente “. Este mensaje se logra a través de moléculas de señalización que se liberan cuando las bacterias comienzan a morir de hambre.

La falta de alimento activa un programa preestablecido en sus genes y forman lo que se llama “cuerpos fructíferos” —un bulto arrugado de esporas bacterianas inactivas— esperando ser transportados por el viento a otros lugares ricos en alimentos.

Conclusión

Sí, las bacterias se comunican entre sí y han desarrollado sofisticados sistemas de detección de quórum para hacerlo. Al ser organismos unicelulares, las bacterias se comunican a través de la detección de quórum para coordinar el comportamiento y funcionar como una unidad multicelular colectiva.

Los científicos están descubriendo activamente cómo manipular los sistemas QS para desarrollar nuevas estrategias para combatir enfermedades y aumentar la producción de antibióticos.