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Laboratorio de estudios de estrés osmótico en bacterias Gram positivas |
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Bacterias saladas El grupo liderado por las doctoras Carmen Sánchez de Rivas y Sandra Ruzal estudia los mecanismos involucrados en la respuesta de las bacterias, Bacillus subtilis y Lactobacillus casei, ante el estrés sufrido en condiciones de alta salinidad. Es sabido que el estrés no es exclusivo de los seres humanos ni de los animales superiores. De hecho, las bacterias también se estresan cada vez que su ambiente se modifica drásticamente. Y esta propiedad, la de estresarse ante ciertos entornos como la falta de agua o el exceso de sal, puede ser aprovechado por los investigadores, por ejemplo, para conocer más acerca de los procesos involucrados en la respuesta que da el organismo ante una “agresión” del medio, pero, también, para lograr que una bacteria determinada haga una tarea en forma más eficiente, como por ejemplo, degradar compuestos para la maduración del queso. El Grupo de Estudios de estrés osmótico en bacterias Gram positivas, dirigido por las doctoras Carmen Sánchez de Rivas y Sandra Ruzal, se ocupa, precisamente, del estrés osmótico en varias especies bacterianas. Pero ¿qué es el estrés osmótico? Es lo que le sucede a una célula cuando, por el fenómeno de ósmosis, el agua sale de su interior porque afuera hay alta concentración de un soluto, por ejemplo la sal. Así como una planta sufre estrés hídrico cuando la cantidad de agua en el ambiente es inferior a la necesaria para vivir, una bacteria padece estrés osmótico cuando hay un cambio en la salinidad del medio. Esta condición se aprovecha para preservar la carne: se le agrega una gran cantidad de sal, lo que provoca que las bacterias comiencen a liberar agua y se resequen. Del mismo modo, si un pez de agua dulce llega al mar, se deseca, pues sus células pierden agua. También, si una persona bebe agua de mar, cuando ésta llega al estómago, la ósmosis hace que el agua de las células del estómago salga hacia el interior de ese órgano, donde se encuentra el agua salada. Así, las células estomacales se resecan, al igual que la persona. Las investigadoras trabajan con un microorganismo modelo, Bacillus subtilis, y con él pueden estudiar, en detalle, qué cambios se producen en la maquinaria celular para hacer frente al estrés.. Pero las investigadoras se ocupan también del Lactobacilus casei, que es pariente de los que se emplean para fabricar algunos productos lácteos. En este caso, la idea es aplicar los conocimientos para resolver un problema concreto: acelerar los tiempos de maduración de los quesos. Grupo Estudios de estrés osmótico en bacterias Gram positivas El grupo que dirigen las doctoras Carmen Sánchez de Rivas y Sandra Ruzal trabaja con Bacillus subtilis como microorganismo modelo, una bacteria Gram positiva, así definida en función de ciertos rasgos, como por ejemplo el tipo de envoltura. Esta consiste en una membrana y una gruesa pared que permite que la bacteria pueda soportar con entereza el estrés osmótico. No le sucede lo mismo a la Escherichia coli, Gram negativa, a la cual, debido a su pared más delgada, le resulta más difícil sobrevivir en un ambiente salino. La otra propiedad importante de los Bacillus es la esporulación. Frente a condiciones de falta de alimento (estrés nutricional) estas bacterias, en lugar de morir, desarrollan un proceso de diferenciación que les permite formar una estructura inerte, la espora, que los cobija. Con ella, espera condiciones de vida mejores para volver a multiplicarse. Este rasgo resulta interesante pues, al igual que la mayoría de las bacterias, B. subtilis posee un solo cromosoma, y esa información genética la puede modular para crecer libremente en forma bacilar o para formar esporas. Es decir, esta bacteria puede llevar a cabo un proceso de diferenciación, aunque en pequeña escala, al igual que los organismos superiores. Las investigadoras pudieron determinar que, frente a una situación de estrés osmótico, la bacteria desencadena toda una cascada de señales que es similar a la que se lleva a cabo en el proceso de la esporulación y con el cual comparte algunos reguladores. Es decir, en situaciones de extrema salinidad, el Bacillus no forma una estructura inerte, sino que desencadena un conjunto de acciones que le permiten sobrevivir. ¿Cómo hace el B. subtilis para enfrentar el estrés osmótico y salir airoso? El primer evento es una variación en la composición y estructura de sus envolturas, que son las primeras en percibir el cambio. Además, en la envoltura se encuentran los transportadores de los metabolitos que se encuentran en el medio y los “sensores” que van a transmitir señales al interior de la bacteria para que modifique su metabolismo y se adapte. Estos hacen que aumente rápidamente la concentración de ciertos compuestos que le permiten retener el agua y no variar su volumen de manera de no deformarse y no arrugarse. Estos compuestos no deben alterar la carga neta ni la configuración de las macromoléculas (como el ADN y las proteínas) y se los conoce como osmocompatibles (iones potasio, prolina, glutamato, trehalosa, betaína, sacarosa, entre otros). La mayoría de las células utiliza estos mismos compuestos para el mismo fin. Algunos de ellos, como la trehalosa y la sacarosa, también son utilizados frente al estrés por frío, cuando es necesario preservar las mismas macromoléculas. En ese sentido, señalan las investigadoras, varias de las funciones desencadenadas por un primer estrés (calor, frío, hambre) permiten una mejor adaptación al estrés salino, y viceversa. Casualmente se mostró en vegetales transgénicos que la introducción de un gen de resistencia a la sequía y a la salinidad también aumenta la resistencia al frío. Pero ¿cómo obtiene la bacteria estos compuestos? Si el medio es suficientemente rico, como por ejemplo, un caldo de hidrolizado de proteínas, los encuentra allí y los transporta activamente. Si no los encuentra, por tratarse de un medio pobre, compuesto sólo por sales, la bacteria empieza a sintetizarlos. En realidad, tiene varias alternativas que utilizará según el ambiente en que se encuentre. Grupo Estudios de estrés osmótico en bacterias Gram positivas El estrés que sufren las bacterias ante los cambios drásticos que se producen en el medio puede tener aplicaciones prácticas, por ejemplo, en la industria láctea. En tal sentido, el estudio de los lactobacilos, empleados para la fabricación de quesos, podría aportar conocimiento para acelerar los procesos industriales. La desventaja de los lactobacilos es que son un poco caprichosos a la hora de ser cultivados. A diferencia de Bacillus subtilis, que es capaz de crecer con nutrientes mínimos, los “fastidiosos” lactobacilos requieren medios muy ricos en nutrientes y aminoácidos esenciales, y crecen muy lentamente. Además, carecen de mecanismos sencillos de transferencia genética, es decir, no es fácil insertarles un gen con el fin de conferirles determinada propiedad. A pesar de todas estas desventajas, estos microorganismos participan en numerosos procesos útiles en la industria alimenticia, donde la sal es un factor importante, como por ejemplo, la producción de chacinados, quesos y yogures, entre otros. Las doctoras Carmen Sánchez de Rivas y Sandra Ruzal trabajan con Lactobacillus casei con el fin de averiguar cómo se las arregla en condiciones de estrés salino. En esa situación los lactobacilos, al igual que Bacillus subtilis, cambian la estructura y composición de sus envolturas. Pero, además, en ellos se activa una enzima (proteasa), que se encuentra en sus envolturas. Estas bacterias producen normalmente esa proteasa, pues, como no “saben” sintetizar casi ningún compuesto, se ven obligadas a incorporar todo lo que encuentren afuera. Las proteínas en particular constituyen un elemento importante de su alimentación y tienen que ser degradadas para conseguir los aminoácidos; estos a su vez los utilizan también para generar la energía necesaria para su metabolismo. El problema es que las proteínas son demasiado grandes y tienen una estructura globular que no les permite entrar a la célula. Por ello, deben ser cortadas en trocitos (péptidos) para que puedan ingresar al interior de la célula bacteriana. Para realizar ese recorte, la bacteria se vale de la proteasa de su envoltura, la cual, frente al estrés osmótico, incrementa su eficiencia y de este modo aumenta la concentración de péptidos intracelulares. En condiciones de estrés osmótico, esos péptidos no son degradados fácilmente y constituyen un buen osmoprotector. Estas investigadoras mostraron que la clave de este proceso de respuesta se encuentra en la pared celular que recubre a la bacteria, porque allí se producen importantes cambios, y ellos repercuten en las proteínas asociadas, como la proteasa, que se sobreactiva cuando se encuentra en ese entorno. Pero esos cambios no están activados por la expresión de un gen, sino que se trata, exclusivamente, de la modificación de la estructura del constituyente de la pared celular que afecta la estructura de la proteína. ¿Cómo se sabe que la proteína modifica su estructura? Porque aumenta su velocidad de reacción al degradar compuestos del medio, sin cambiar su afinidad ni su concentración. Si el cambio de eficiencia de la proteína de pared estuviera gobernado por un aumento en la actividad del gen codificante correspondiente sería más sencillo para las investigadoras producir modificaciones genéticas para inducir una mayor producción de esa enzima. Sin embargo, ése no es el caso. En resumen, ante una situación de estrés osmótico, el Lactobacillus casei produce modificaciones importantes de sus envolturas que afectan una proteína esencial para su crecimiento, con lo cual puede degradar compuestos proteicos de manera más rápida. El aumento de velocidad hace inferir que se trata de un cambio en la estructura de la proteína. En tal sentido, no parece que la solución sea la de producir mayor cantidad de proteasa (que le puede servir para degradar proteínas de la leche o para madurar productos cárnicos); pero la adaptación previa de las células a un estrés salino podría lograr que un queso madurara en pocos días, en lugar de las varias semanas que lleva este proceso. Por otro lado, las células se tornan más frágiles cuando crecen con mucha sal, lo que favorecería la liberación de enzimas intracelulares que pueden beneficiar el procesamiento de algunos péptidos asociados al sabor amargo, que es otro factor importante en el desarrollo de estos alimentos. “Role of anionic phospholipids in the adaptation of Bacillus subtilis to high salinity.” Microbiology. (2006) 152:605-16. “Biosorption of copper by Paenibacillus polymyxa cells and their exopolysaccharide.” World Journal of Microbiology and Biotechnology (2005) 21: 1157–1163. “Cell-wall modifications during osmotic stress in Lactobacillus casei.” “Effect of glutamate synthase (Gogat) activity in Bacillus subtilis spore properties.” "Biochemical and biophysical studies of Bacillus subtilis envelops under hyerosmotic stress". “Variations of the envelope composition of Bacillus subtilis during growth in hyperosmotic medium”. "Role of DegU, in the osmotic stress response of Bacillus subtilis”. “Osmotic strength blocks sporulation at stage II by impeding activation of early sigma factors in Bacillus subtilis.” "Genetic and physiological characterization of the osmotic stress response in B.subtilis." Centro de Divulgación Científica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de Buenos Aires |
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