Marcela Martínez Valenzuela y Cinthia E. Núñez López

La Dra. Marcela Martínez se graduó en el Instituto de Investigaciones en Ciencias Básicas y Aplicadas de la UAEMor y actualmente es Profesora en la Facultad de Ciencias Químico Biológicas de la Universidad Autónoma de Sinaloa. La Dra. Cinthia E. Núñez es investigadora titular del Departamento de Microbiología Molecular del IBt

¿Recuerdas con base en qué información has tomado alguna decisión importante en tu vida? Seguramente sucedió en un momento crucial o en una situación particular en las que hubo que elegir entre varias alternativas. Si lo miramos bajo esta perspectiva, resulta que los microorganismos como las bacterias, por ejemplo, también se ven expuestas a circunstancias de las que puede depender el rumbo de su existencia. Las bacterias son organismos unicelulares sin estructuras subcelulares especializadas como el núcleo y, a pesar de su aparente simplicidad, realizan una gran cantidad de procesos bioquímicos como los que ocurren en organismos superiores, quienes sí tienen células nucleadas y varios tipos de organelos especializados. Las bacterias poseen una gran flexibilidad metabólica, bioquímica y, en una mayoría de los casos morfológica —formando por ejemplo agregados o biopelículas— lo que está asociado a estrategias para contender con los ambientes siempre cambiantes en los que viven. En un momento dado, deben ‘decidir’ si se multiplican, si se agregan o permanecen en estado latente, dependiendo de la disponibilidad de nutrientes. Esto significa que si un día amanece lloviendo, es probable que bacterias del suelo se adhieran a la superficie formando biopelículas o ¿mejor?, soltarse y nadar en busca de nutrientes. Y esto también significa echar mano de un arsenal diferente de nuevas proteínas para funciones alternativas, mientras que un grupo de estas debe, —para ahorrar energía y materiales—, pasar a segundo plano y degradarse.

¿Cómo se activan los mecanismos de regulación?

Las proteínas son biomoléculas formadas por cadenas de aminoácidos que, dependiendo de su composición, tienen múltiples funciones dentro y fuera de la célula. Una de sus principales funciones es catalizar las reacciones químicas (enzimas); existe otro grupo localizado en la superfcie celular que funciona como detectores/ receptores de señales o de factores ambientales, de modo similar a antenas que pueden ‘medir’ la humedad, o la temperatura o la concentración de algunos compuestos en el medio circundante [Figura 1]. Estas proteínas, llamadas ‘sensoras’, procesan la información del exterior y la transmiten como ‘mensajes’ bioquímicos al interior de la célula, lo que permite moldear la respuesta celular con rapidez y eficacia, tanto a nivel de cambios metabólicos (proteínas y recambio de biomoléculas), como genéticos (expresión o represión de los genes). Pero ¿cómo se transforma una señal ambiental en un cambio en el metabolismo de las bacterias? Al detectar una señal muy particular, algunas proteínas sensoras pueden cambiar alguna parte de su estructura y con ello, afectan la función de otro tipo de moléculas con las que frecuentemente se asocian. Una de las varias posibilidades de respuesta ante el estímulo externo, es que la proteína ‘sensora’ active a un tipo de proteínas llamadas factores de transcripción, cuya función en el ADN bacteriano, es regular, induciendo (+) o reprimiendo (-), la expresión de genes y con ello modifcando el metabolismo de la bacteria.

Los ARN participan como reguladores versátiles

Otro tipo de molécula cuyo rol es central ante la respuesta celular al estímulo ambiental es el ARN (Ácido Ribo-Nucléico). Tal vez te parezca extraño, pues seguro recuerdas que las funciones principales de los ARNs, y que aprendemos en los libros de texto, es que puede servir como molécula mensajera de la información genética guardada en el ADN —recordarás el nombre ARN mensajero o ARN-m, ¿verdad?— o como molécula de transferencia (ARN de transferencia o ARN-t), encargada de “cargar” los aminoácidos para la producción de proteínas, o como ARN ribosomal (ARN-r) que es parte integral de la maquinaria de producción de proteínas (los ribosomas). Sin embargo, el ARN posee otras capacidades que le confieren funciones adicionales. Al explorar la versatilidad de la molécula de ARN, se ha propuesto que desde el origen de la vida en la Tierra el funcionamiento previo a la formación de células completas estuvo basado en ARN, porque esta macromolécula podía realizar actividades como las de autorreplicarse (copiarse a sí misma) en ausencia de las proteínas. Hoy en día sabemos que las llamadas ‘ribozimas’, son catalizadores biológicos hechos de ARN, y que al igual que las proteínas, pueden promover reacciones bioquímicas. Sin embargo, existen otros tipos de ARN llamados ARN-pequeños (o sARN por sus siglas en inglés small RiboNucleic Acid), que son un tipo de polínucleótido de longitud corta con la función especial de regular si progresa o no la expresión de un gen. Esto lo logran al unirse de manera específica a ARN-mensajeros, evitando su traducción o favoreciendo su degradación, o secuestrando a alguna proteína importante para la expresión de algún gen. Cabe puntualizar que estos son solo unos ejemplos de entre una gran diversidad de estrategias por las que los ARN-pequeños afectan la expresión génica para controlar muchos procesos vitales de la célula (ver ”Pescadores de Ácido Ribonucléico”. Biotecnología en Movimiento No. 4).

Seleccionando el menú

Pues bien, en nuestro grupo de investigación en microbiología molecular estudiamos el mecanismo por el que un grupo de bacterias elige el tipo de alimento que va a consumir y, de manera interesante, encontramos que utiliza un sistema de control complejo basado en ARN-pequeños. En este caso nos referimos al sistema de las bacterias de nombre Azotobacter vinelandii, que tienen capacidades biotecnológicas muy importantes, pues produce biopolímeros, como el plástico biodegradable poli-ß-hidroxibutirato y el polisacárido alginato. Comprender cómo las bacterias seleccionan una fuente de carbono preferente, nos ayudará a diseñar cepas con capacidades mejoradas en la producción de compuestos de interés industrial (ver “Entendiendo como una bacteria del suelo selecciona su alimento para producir biopolímeros”, Biotecnología en Movimiento, No.12, 2018). En sustratos naturales, A. vinelandii tiene una amplia variedad de moléculas orgánicas para asimilar (p. ej.: azúcares, aminoácidos o acetato, que está presente en el vinagre), que utiliza preferentemente unas antes que otras; digamos que está ‘acostumbrada’ más a la o las que le es más fácil de procesar y, como las A. vinelandii viven en el suelo, parecen estar habituadas a consumir fuentes simples, como el acetato (CH3 -COO¯ ). Así pues, la bacteria expresa primero proteínas encargadas de transportar y procesar el acetato y simultáneamente, reprime la producción de las proteínas involucradas en utilizar otros alimentos, como azúcares. Siguiendo nuestra investigación, nos preguntamos cuáles moléculas participan en la represión. Hallamos que un par de proteínas que trabajan en equipo, que se han descrito como ‘represores catabólicos’ y denominadas Crc y Hfq, son parcialmente responsables porque de algún modo impiden que las células de Azotobacter se alimenten libremente de cualquier alimento disponible [Figura 2]. Claro que es necesario que este dúo, reciba información sobre la disponibilidad del acetato en el medio, y así evitar que se sinteticen las enzimas y los transportadores necesarios para alimentarse de las fuentes ‘no preferidas’, bloqueando la traducción de los ARN mensajeros correspondientes. Pero luego ¿qué sucede cuando se acaba el acetato?, ¿cómo es que la bacteria se percata de su carencia? Cuando el acetato exterior se agota y solo queda —por ejemplo glucosa, que es un azúcar que se utiliza por medio de otro proceso— sale a escena una proteína sensora de esas que están ancladas en la membrana celular y la atraviesan, de modo que miran afuera y adentro. Al no detectar acetato, porque de algún modo estima su carencia, hace algún “giño molecular” (lo llamamos en serio ‘cambio conformacional’), que es capaz de modificar químicamente a otra proteína del citoplasma. Esta activación genera al final, la síntesis de un tipo específico de ARN-pequeño (que no codifica para otra proteína), pero que por sí mismo, tiene una alta afinidad por el par de proteínas Crc-Hfq. Es decir, se les pega fácilmente y las despega de otras y así, se produce un ‘secuestro doble’ que las releva de su bloqueo previo y libera a unos ARN-mensajeros, para reiniciar el funcionamiento de la síntesis de proteínas que incorporan y consumen glucosa. Este es un mecanismo regulador de estas bacterias, seleccionado evolutivamente para controlar, como en este caso, al ‘complejo represor’ Crc-Hfq y permitir la asimilación de fuentes de energía preferenciales (acetato) y luego recurrir a otras secundarias (azúcares).

¿Cómo funciona la Represión Catabólica de Azotobacter en cultivo?

En una publicación reciente reportamos que la cantidad de los ARN-pequeños de este sistema de control en A. vinelandii varían de manera significativa en respuesta a las distintas fuentes de alimento disponible en cultivos celulares. En presencia del ‘alimento preferencial’ acetato, la cantidad de estos ARN-pequeños es reducida, por lo cual la actividad represora del dúo Crc-Hfq es muy notoria, y la expresión de enzimas y transportadores necesarios para asimilar fuentes de energía no preferentes como la glucosa, está muy abatida. Sin embargo, una vez que se acaba el acetato del medio de cultivo y en presencia de la glucosa sobrante, la cantidad de los ARN-pequeños de este circuito, ¡se eleva hasta 40 veces!, y entones la pareja Crc-Hfq es atrapada, permitiendo así el consumo de azúcar. Analizando todas estas estrategias bioquímicas intracelulares, tal vez supongas que habría un ‘controlador inicial’ que sería la proteína de membrana que funciona como un sensor capaz de detectar el “menú del día”. Aunque no sabemos actualmente cuál es la señal precisa que inicia el proceso, esta proteína es la que finalmente toma las primeras ‘decisiones’ para que las bacterias se alimenten con el recurso preferencial disponible, consumiendo primero el acetato y después los azúcares. Lo relevante aquí es haber confirmado la versatilidad de especies de ARN para funciones alternativas en la regulación genética y metabólica que, por un lado, fortalece la hipótesis de un papel mucho más decisivo de estas moléculas desde el origen de la vida y por otro, la relevancia de investigaciones sobre estrategias para mejorar la producción de biopolímeros.

Fuente: Biotecnología en Movimiento