El nacimiento de una bacteria

M. en C. Luz Adriana Vega Cabrera*

¿Cómo nace una bacteria? ¿Por qué es importante saberlo?

Las bacterias son organismos unicelulares que carecen de un núcleo rodeado por membranas y son llamados “procariotas”. Un conjunto de bacterias da origen a una colonia, si crece en un ambiente sólido, o a un cultivo, si su crecimiento se da en medio líquido. Si consideramos que cada colonia proviene de una sola bacteria, tenemos que el resto de las células que la conforman son clones de la primera, es decir, bacterias idénticas que contienen una copia exacta de su material genético.

¿Cuáles son las moléculas que permiten que una bacteria se divida? El proceso de división celular en una bacteria es complejo e involucra un gran número de proteínas. Su estudio se facilita al elegir un organismo modelo y experimental con él. En nuestro caso, consideraremos como organismo modelo a Bacillus subtilis, que es una bacteria con forma de bastón, que requiere oxígeno para crecer (aerobia), que se encuentra normalmente en el suelo.

Cada bacteria está cubierta por una pared celular rígida, que tiene una función de barrera que la protege del medio externo y le permite mantener su forma. B. subtilis tiene dos etapas de crecimiento: la etapa vegetativa y la etapa de esporulación.

La etapa vegetativa

Durante su vida vegetativa esta bacteria se divide mediante un proceso llamado fisión binaria, que ocurre aproximadamente cada 30 minutos. El proceso de división de B. subtilis inicia con la replicación de su material genético y el crecimiento de la célula -cerca del doble de su tamaño inicial-; después, una copia del cromosoma duplicado se reparte en cada célula “hija”, y éstas finalmente se separan para generar dos nuevas células independientes. La división ocurre gracias a la formación de una estructura llamada septo, en la parte media de la célula. Para la formación del septo intervienen un conjunto de proteínas las cuales llamaremos “divisoma”.

Para que la división proceda, primero la célula tiene que asegurarse que la replicación del ADN ha sido exitosa y que el septo está ubicado en la posición correcta, es decir, en la parte media de la célula. Los sistemas llamados de “Oclusión del Nucleoide” (“NOC”) y aquel compuesto por las proteínas denominadas “MinCDJ”, son los encargados de que la división ocurra en la posición adecuada. Una vez que el sitio es el correcto, ahora es el turno del divisoma. La primera proteína del divisoma en ensamblarse se llama FtsZ, que forma un anillo en el sitio de división, llamado el anillo Z; FtsZ no puede unirse por sí mismo a la membrana, lo cual es necesario para que se lleve a cabo la constricción. Es ahí donde los “elementos tempranos” del divisoma entran en acción para establecerlo y fijarlo en la membrana. Una vez que el anillo Z se ha establecido, se reclutan los “elementos tardíos” del divisoma. La función de estos elementos permitirá la construcción del anillo y la síntesis de pared celular nueva, que dará lugar a la separación completa de las dos células “hijas”.

La etapa de esporulación

Adicionalmente al crecimiento vegetativo, cuando las condiciones del medio son desfavorables, B. subtilis experimenta un proceso de diferenciación conocido como esporulación. La formación de la espora permite a la bacteria resistir condiciones adversas hasta que nuevamente encuentra un ambiente adecuado para crecer, ya que las esporas son altamente resistentes al calor y a la desecación. La esporulación involucra la generación de dos células, una célula “madre” y una “prespora”, y todo inicia con la formación de un septo. A diferencia de la fisión binaria, el posicionamiento del septo durante la esporulación debe ocurrir en un extremo (o polo) de la célula y no en la región media de ella. Los elementos tempranos que componen el septo en ambas condiciones, son prácticamente los mismos, lo que diferencia a uno y otro proceso son los elementos que determinan en dónde se va a localizar el septo. Como dijimos antes, los sistemas “NOC” y “MinCDJ” participan en la etapa vegetativa, mientras que durante la esporulación, la proteína denominada SpoIIE se encarga de movilizar al anillo Z de la parte medial de la célula hacia un polo. A diferencia de la división medial, durante la esporulación no se constriñe el anillo Z, sino que la separación de las células ocurre gracias a la ruptura de la célula “madre” que permite la liberación de una espora madura (Figura 1). La división polar es la parte inicial y es solamente una pequeña parte de la esporulación.

¿Por qué es importante saber cómo se divide una bacteria?

Este conocimiento es útil para diversos propósitos. El crecimiento de una población de bacterias es exponencial (una población crece cada vez más rápido conforme se hace más grande), una sola bacteria puede dar origen a millones de ellas en cuestión de pocas horas; esto puede provocar una infección considerable, e incluso, llevar a la muerte, dependiendo de qué tan peligrosa sea esta bacteria para el organismo afectado. Los elementos que participan en la división celular pueden constituir un nuevo blanco para el desarrollo de antibióticos. La investigación más reciente está dirigida a encontrar blancos específicos y con menos probabilidades de generar resistencia. B. subtilis no es un patógeno de humanos; sin embargo, bacterias patógenas como: Escherichia coli enteropatógena, Bacillus anthracis, Staphylococcus aureus o Streptococcus pneumonie tienen en su genoma una copia de FtsZ, que podría ser un blanco efectivo para el desarrollo de nuevos agentes terapéuticos.

El conocimiento de la división celular también puede ser útil en la industria. B. subtilis es un organismo de importancia industrial debido a su utilidad en la producción de proteínas ya sea propias o recombinantes, es decir, proteínas que no son propias de la bacteria. Los compuestos producidos por B. subtilis son muy valorados en la producción de aditivos probióticos, detergentes y polihidroxialcanoatos (PHA) para la síntesis de biopolímeros. Además, algunas variedades de B. subtilis producen compuestos fungicidas naturales que pueden utilizarse en estrategias de control biológico de enfermedades de plantas (ver por ejemplo, Biotecnología en Movimiento No. 4, pág. 9). El control del crecimiento y la división celular en un cultivo puede determinar la cantidad y características de la producción de este tipo de compuestos.

B. subtilis es un modelo de estudio para el proceso de división celular bacteriano y el organismo modelo de elección para el proceso de diferenciación de la esporulación. Actualmente se utilizan tecnologías avanzadas para el análisis de la división celular en bacterias, como la microscopía de súper resolución, que permite el análisis de componentes individuales en las células en momentos tan precisos como la formación de un septo durante la división. Esta técnica, junto con el análisis del conjunto de proteínas que la bacteria sintetiza y sus interacciones, ayudan a determinar nuevos elementos involucrados en el proceso de división celular.

En mi proyecto de doctorado, evalué la participación de la proteína Spo0M en el proceso de división celular de B. subtilis. Spo0M es una proteína que participa en la esporulación. Cuando no está presente en la bacteria o está en exceso, el porcentaje de bacterias que esporulan es muy bajo. Esto indica que debe estar en concentraciones muy precisas y reguladas para llevar a cabo su función. La manera en la que Spo0M participa en la esporulación no se ha caracterizado totalmente y además, no existía ningún reporte que indicara que esta proteína tuviera una función en la etapa de vida vegetativa de la bacteria.

Durante el desarrollo del proyecto, descubrimos que cuando Spo0M está presente, no sólo disminuye el porcentaje de esporulación, sino que las bacterias tienen alteraciones en su morfología durante el crecimiento vegetativo: las bacterias son alargadas y su membrana está curvada (fig. 2). La aparición de bacterias más largas se relaciona con defectos en el proceso de división celular; las bacterias crecen, su material gené- tico se duplica, pero la división no ocurre. Mediante un análisis de iónes de moléculas orgánicas en fase gaseosa, separados de acuerdo a su masa y su carga y detectados por equipos especializados (técnica llamada espectrometría de masas) fue posible determinar que Spo0M podría interaccionar con proteínas que participan en la división celular, como FtsZ o ZapA, y esto fue verificado con experimentos bioquímicos y microscopía de súper resolución. Nuestro trabajo es el primero que se lleva a cabo sobre la función de Spo0M en la vida vegetativa de la bacteria, nuestra pequeña contribución a esta gran historia.

* Se encuentra terminando su doctorado en Ciencias Bioquímicas en el grupo del Dr. Enrique Merino y tiene como tutora a la Dra. Liliana Pardo.

Fuente: Revista Biotecnología en Movimiento

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