Quorum sensing, el lenguaje bacteriano.

quorum sensing bacteria

Si hay algo de lo que podemos estar seguros es de la capacidad de comunicación que tiene el ser humano. Una de las formas de relacionarnos con el entorno y con todos los que nos rodean es mediante el habla y el uso del lenguaje. No solo nos comunicarnos verbalizando lo que queremos decir o lo que nos sucede, existen otras muchas formas de comunicación, como el lenguaje escrito, el lenguaje de signos e, incluso, el lenguaje no verbal.

Por supuesto, esto no es exclusivo del ser humano, el resto de animales y las plantas también tienen formas de comunicarse. Un claro ejemplo de ellos son los sonidos producidos por la siringe en los pájaros, lo que les permite comunicarse . También los insectos, que se comunican mediante feromonas, o la increíble forma de comunicación que usan ciertas plantas que se conoce como alelopatía.

Pero vayamos un poco más allá, dónde nuestra vista no alcanza. ¿Qué pasa con los microorganismos? ¿Las bacterias “hablan”? ¿Los seres microscópicos se comunican? Desde luego la respuesta es sí, y en este articulo hablaremos del quorum sensing, o como en el gremio de biólogos nos gusta llamarlo, “el lenguaje bacteriano”.

¿Qué es el Quorum Sensing?

En microbiología, se denomina quorum sensing o autoinducción a la comunicación bacteriana. Es la forma que tienen las bacterias de comunicarse entre ellas para que sean capaces de producir una respuesta conjunta y que puedan cooperar. A fin de cuentas esta cooperación es clave para que puedan sobrevivir y continuar con su ciclo vital.

¿Cómo se produce el Quorum Sensing?

Algunas bacterias se reproducen a unas velocidades vertiginosas. A partir de la división de una sola célula, en cuestión de horas pueden encontrarse miles, incluso millones de ellas. Debido a su rápido crecimiento, y en respuesta a la densidad de población celular, las bacterias producen unas proteínas reguladoras denominadas autoinductores. Estas proteínas reguladoras sirven para inducir o activar una expresión génica comunitaria. Es decir, son la llave que abre la puerta para poder expresar colectivamente una serie de genes que harán posible ciertos procesos, como el género Salmonella que es capaz de coordinar un ataque contra los organismos que hospedan. Son la señal perfecta en el momento indicado para que todas trabajen como un gran equipo, eficiente y coordinado.

Estás proteínas autoinductoras dan información acerca de la densidad celular en un momento determinado. Cuanto mayor sea el número de células más alta será la concentración de proteínas autoinductoras. De forma que, cuando esta concentración de proteínas autoinductoras alcanza un punto crítico, se considera que la población ha llegado entonces al quorum. Al alcanzar este punto las bacterias comenzarán a expresar diferentes tipos de genes, que de otra manera estarían silenciados.

Esto permite realizar, entre otros, la liberación de tóxicos para matar organismos y alimentarse más tarde de ellos. Por ejemplo, el género Pfiesteria, un dinoflagelado asociado con la mortalidad de los peces. Este género ha causado brotes tóxicos entre los años 80 y 90 en la bahía de Carolina del Norte, convirtiéndose en el principal responsable del aumento de la tasa de mortalidad de los peces de esa zona. Sus tóxicos causaban parálisis en el sistema respiratorio de los peces para posteriormente poder alimentarse de ellos.

La siguiente imagen (imagen 1) te ayudará a entender mejor el quorum sensing. En la imagen de la izquierda se muestra una densidad bacteriana baja, y por lo tanto una concentración de proteínas autoinductoras (azul) baja. En cambio, la imagen de la derecha muestra una densidad bacteriana alta, y por lo tanto una concentración de proteínas más elevada. Eso permite la expresión de genes comunitarios (rojo).

La densidad bacteriana y la concentración de proteínas autoinductoras en el fenomeno del quorum sensing son directamente proporcionales.
Imagen 1. Relación entre la densidad bacterina, proteínas autoinductoras (azul) y expresión de genes comunitarios (rojo). Fuente: Wikipedia.

Las proteínas autoinductoras y su función.

Son sólo unas pocas las proteínas que poseen la función de autoinducción. Puesto que las bacterias se dividen en dos grandes grupos (grampositivas y gramnegativas), cada grupo posee sus propias proteínas autoinductoras. Principalmente, en este artículo me centraré en dos: la acil-homoserina lactona y los oligopéptidos autoinductores.

  • Acil-homoserina lactona (acil-HSL): esta molécula proteica es característica de las bacterias gramnegativas. Esta proteína autoinductora funciona como una llave. La molécula difunde al interior de la célula objetivo –célula diana-, y cuando se une a su cerradura -receptor– puede abrir la puerta –cambio conformacional-. Esta apertura de puerta o cambio conformacional permite que se trascriban una serie de genes y se produzcan las proteínas que son dependientes de quorum, iniciando así una respuesta fisiológica.
Imagen 2. Molécula de acil-HSL. Fuente: Wikipedia.
  • Oligopéptidos autoinductores: en el caso de las grampositivas interviene un oligopéptido, es decir, emplean otro “idioma”. La diferencia es que este oligopéptido se secreta al exterior (a diferencia de la acil-HSL que difundía hasta el interior celular) y se une a las membranas celulares. Para que quede más claro, es como tocar un timbre. El oligopéptido llega a la puerta –membrana celular– y llama al timbre –se une al receptor de membrana– dentro de la casa se movilizan para poder abrir la puerta –se inicia un sistema de regulación en cascada-. Entonces se activarán un grupo de proteínas reguladoras que se trasportarán hasta el lugar indicado para poder expresar los genes correspondientes. El sistema funciona de la misma manera que el caso anterior, pero en vez de “usar una llave” se “llama al timbre”.
Imagen que muestra los diferentes mecanismos de autoinducción en el proceso de comunicación bacteriana, o quorum sensing.
Imagen 3. Diferentes mecanismos de quorum sensing. Proceso y funcionamiento de las proteínas autoinductoras acil-HSL (izquierda). Proceso y funcionamiento de oligopétidos autoinductores (derecha). Fuente: Flickr.

En la imagen anterior podemos observar este proceso. La parte A nos muestra como funciona la proteína autoinductora acil-HSL. El rombo gris que la representa difunde a través de la membrana, para llegar al receptor específico. Una vez se activa el receptor comienzan a transcribir los genes.

En el caso de la imagen B se trata del oligopéptido: el pentágono gris es la «llave» que se introduce específicamente en su «cerradura». Esto permitirá la activación de proteínas reguladoras que desencadenan la expresión de genes y la posterior síntesis de señales extracelulares.

Procesos controlados por el Quorum Sensing

Apuesto a que alguna vez has visto fenómenos naturales que en realidad están relacionados con el quorum sensing. Algunos de ellos son increíbles, y aunque existan multitud de ejemplos, hablaré sobre algunos que me parecen realmente interesantes.

  • Bioluminiscencia: en el caso del género Aliivibrio la percepción del quorum genera bioluminiscencia. Sí, estas bacterias gracias al sistema de comunicación que tienen les permiten brillar. Son los bacilos responsables del efecto luminiscente de las aguas del mar (mar de ardora) o del éxito como cazador de Euprymna scolopes (imagen 5), un pequeño calamar hawuaiano que se camufla gracias a la bioluminiscencia.
Imagen 4. El fenómeno del quorum sensing produce las denominadas playas bioluminiscentes. Fuente: Piqsel.
Imagen 5. Euprymna scolopes con fotóforos repletos de Aliivibrio fischeri. Fuente: Wikipedia.
  • Formación de biopelículas: gracias a la percepción del quorum algunas bacterias son capaces de generar biopelículas. Son agrupaciones de bacterias, incluso de especies distintas, que se “pegan a las superficies” y secretan una matriz extracelular adhesiva y protectora. Son de especial interés sanitario, industrial y medioambiental. Por ejemplo, la formación de biopelículas en el ámbito hospitalario y su control y eliminación es crucial. Algunos patógenos oportunistas como Pseudomonas o Staphylococcus pueden producir peligrosas infecciones intrahospitalarias o nosocomiales.
Imagen 6. Biopelícula de Staphylococcus aureus. Fuente: PixNio.

La formación de biopelículas está presente en muchos sitios, desde la placa de nuestros dientes a las centrales de depuración de aguas. También son responsables de la corrosión de materiales, la contaminación de alimentos durante su procesado industrial, el colapso de tuberías, en la interacción entre planta y los microorganismo -rizosfera agraria-, el desarrollo de infecciones crónicas sobre tejidos vivos (mastitis, otitis, neumonías, infecciones urinarias y vaginales) o asociadas a implantes o materiales médicos.

Pero no solo tiene un impacto negativo, también son importantes en el ecosistema. Ciertas biopelículas (en función de las especies que contengan) son capaces de degradar compuestos tóxicos e incluso pueden servir para conservar fósiles o reconstruir monumentos de piedra.

  • Virulencia: como los casos de Pseudomonas o Staphylococcus que pueden realizar ataques cooperativos mediante enzimas o toxinas.

Como podemos ver la interacción biológica y las relaciones interespecíficas de las poblaciones microbianas influyen en el resto. No solo en otros animales o plantas, sino también en el ambiente físico o químico, y tiene una serie de consecuencias, al igual que ocurre con el ser humano.

Conclusiones

Tal y como hemos visto, la comunicación abarca mucho más allá de lo que creemos, y no todo lo que es increíble se puede ver a simple vista. Las bacterias “hablan” al igual que nosotros, por lo que la biología y la ciencia demuestran una vez más que muchas veces la realidad supera con creces la ficción. Espero que el mundo de la comunicación bacteriana te haya gustado y que investigues más acerca del tema si te ha resultado interesante. ¡Nos vemos en próximos artículos!

Artículo editado por Iker Ariznabarreta y revisado por Carmen de Jesús Gil.

Referencias

Prescott – Microbiología, 7a edc.

Quorum sensing: El lenguaje de las bacterias. -Ana María Otero Casal-

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2391307/

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Samuel Soria

Graduado Superior en Laboratorio de Análisis Clínicos y Biomédicos, ejerciendo actualmente en el ámbito hospitalario. Estudiante de Ciencias Biológicas en la Universidad Complutense de Madrid. Apasionado de la biología, las células y la genética. Divulgando para que la ciencia esté al alcance de todos.

1 comentario en «Quorum sensing, el lenguaje bacteriano.»

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