Científicos develan cómo una bacteria oportunista derrota a sus competidoras

Un estudio realizado en Brasil mostró que la especie Stenotrophomonas maltophilia, común en ambientes hospitalarios, mata a microorganismos rivales aplicándoles un cóctel de toxinas. Este descubrimiento puede resultar en la elaboración de nuevos antibióticos

Por André Julião  |  Agência FAPESP – Un grupo de investigadores de la Universidad de São Paulo (USP) describió un sistema existente en una especie de bacteria oportunista hallada en ambientes hospitalarios que es capaz de inyectarles a otras bacterias competidoras un cóctel de toxinas y eliminarlas completamente. Este descubrimiento podrá ayudar en un futuro en el desarrollo de nuevos compuestos antimicrobianos.

Este estudio, que contó con el apoyo de la FAPESP, salió publicado en la revista PLOS Pathogens y estuvo a cargo de científicos del Instituto de Química y del Instituto de Ciencias Biomédicas, ambos de la USP.

Los investigadores descubrieron que la bacteria Stenotrophomonas maltophilia, al competir con otros microorganismos por espacio y alimento, se vale de un sistema de secreción que produce un cóctel de toxinas para inyectárselo a las rivales. Asimismo, los científicos caracterizaron a una de las 12 proteínas que componen dicho cóctel –Smlt3024– y observaron que esta molécula por sí sola es capaz de hacer disminuir considerablemente el ritmo de replicación de otras bacterias.

“Creemos que estas toxinas podrían explotarse como una forma de tratamiento en el futuro. Debido a que los antibióticos pueden provenir de bacterias, estamos explorando ese arsenal que las propias bacterias utilizan para matar a otras especies”, dijo Ethel Bayer-Santos, investigadora del ICB-USP.

Este trabajo formó parte de su proyecto de posdoctorado en el IQ-USP, que contó con el apoyo de la FAPESP. Actualmente la investigadora cuenta con una Ayuda a la Investigación en la modalidad de Apoyo a Jóvenes Investigadores.

“El sistema de secreción tipo 4 [T4SS, por sus siglas en inglés], tal como se lo conoce, es uno de los existentes en las bacterias y sirve para secretar proteínas y ADN en otras células o en el medio extracelular. Recientemente demostramos que el mismo se encuentra presente en un patógeno de los frutos cítricos: la Xanthomonas citri. Y ahora lo hemos encontrado en esta bacteria, que originariamente vive en el suelo, pero que puede convertirse en un patógeno oportunista en ambientes hospitalarios”, dijo Shaker Chuck Farah, docente del IQ-USP y coordinador del estudio.

Esta investigación está vinculada a dos Proyectos Temáticos financiados por la FAPESP: “La señalización mediante c-di-GMP y el sistema de secreción de macromoléculas tipo IV en Xanthomonas citri” y “La estructura y la función de los sistemas bacterianos de secreción”.

El descubrimiento del sistema en el patógeno de cítricos había sido publicado en Nature Communications. En 2018, el grupo publicó otro artículo en Nature Microbiology, en el cual describió la estructura atómica de gran parte del sistema de secreción empleando la técnica de criomicroscopía electrónica (Cryo-EM), que permite observar la estructura de biomoléculas de forma tridimensional en el estado en que se encuentran.

La guerra bacteriana

La competencia entre microorganismos determina qué especie dominará o será erradicada de un hábitat específico. Para disminuir la multiplicación de las competidoras, o incluso matarlas, las bacterias cuentan a su disposición con diversos mecanismos. Uno de estos es el T4SS, un compuesto de más de 100 componentes provenientes de las 12 proteínas distintas presentes en la superficie de las células.

Los investigadores observaron que, asociados a cada uno de los sistemas de secreción encontrados en X. citri y S. maltophilia, además de las toxinas están sus respectivos antídotos, para proteger al propio organismo productor de las toxinas. Cuando se encuentran cerca de otra especie bacteriana, las portadoras de este sistema inyectan ese cóctel dentro de la competidora tan solo mediante el contacto o valiéndose de un pilus, que es una estructura análoga a una aguja.

Para poner a prueba la acción del sistema, los científicos realizaron una serie de experimentos de competencia entre bacterias. En uno de estos, pusieron en un mismo medio ejemplares de S. maltophilia y de Escherichia coli, una especie bastante utilizada en experimentos de laboratorio. Tan pronto como las E. coli empezaban a multiplicarse, las S. maltophilia se acercaban y las eliminaban. Este mismo efecto se observó contra Klebsiella pneumoniae, Salmonella Typhi y Pseudomonas aeruginosa, esta última conocida por infectar a pacientes con fibrosis quística.

Otro experimento consistió en testear el efecto de la Smlt3024 sola en otras bacterias. Ejemplares de E. coli que expresaban esta toxina en el citoplasma no exhibieron alteraciones en su crecimiento. Sin embargo, cuando tenían una de las denominadas secuencias señales –algunos aminoácidos que alteran la localización de la proteína– aparte del gen Smlt3024, la toxina fue orientada hacia el periplasma (la región ubicada entre la membrana interna y la membrana externa de las bacterias), exactamente como hace el sistema originario de S. maltophilia y X. citri. En este caso, la división celular de las E. coli disminuyó considerablemente, mostrando así el efecto de la proteína.

Pese a que ambas poseen el mismo sistema, S. maltophilia y X. citri pueden matarse una a otra utilizando T4SS, tal como se reveló en el marco de otro experimento. Los estudios mostraron también que componentes esenciales de un sistema pueden reemplazarse por sus homólogos del otro y que el T4SS de una bacteria puede secretar las toxinas de otra.

Estas son evidencias de que existen semejanzas en las estructuras, que podrán estudiarse en el futuro con la mira puesta en la exploración de T4SS similares (homólogos) identificados en decenas de otras especies bacterianas.

Nuevos estudios podrán permitir que otros investigadores desarrollen moléculas con efecto inhibidor de la acción de este sistema, lo cual podría explotarse en nuevos medicamentos.

“Podemos efectuar selecciones de fármacos que puedan unirse en ese sistema e inhibir alguna etapa importante de la transferencia de las toxinas de una célula a otra. Esto podría disminuir la supervivencia de esas bacterias en algunos ambientes”, dijo Chuck Farah.

“La propia toxina podría aplicarse como un agente antimicrobiano, pero deberán realizarse otros estudios para poner a prueba esta posibilidad”, dijo Bayer-Santos.

Este estudio cuenta también con la labor de otros tres autores apoyados por la FAPESP, todos en el IQ-USP. Bruno Yasui Matsuyama, podoctorando, Gabriel Umaji Oka, también posdoctorando, y William Cenens, quien concluyó una pasantía posdoctoral en 2019.

El artículo intitulado The opportunistic pathogen Stenotrophomonas maltophilia utilizes a type IV secretion system for interbacterial killing (doi: 10.1371/journal.ppat.1007651), de Ethel Bayer-Santos, Willian Cenens, Bruno Yasui Matsuyama, Gabriel Umaji Oka, Giancarlo Di Sessa, Izabel del Valle Mininel, Tiago Lubiana Alves y Chuck Shaker Farah, se encuentra disponible en el siguiente en enlace: journals.plos.org/plospathogens/article?id=10.1371/journal.ppat.1007651.