Cómo las bacterias latentes vuelven a la vida

Resulta que estos sensores funcionan como canales a través de la membrana y permanecen cerrados durante la inactividad, pero se abren rápidamente cuando detectan nutrientes. Una vez abiertos, los canales permiten que los iones cargados eléctricamente fluyan a través de la membrana celular, poniendo en marcha el desprendimiento de las capas protectoras de esporas y el encendido de los procesos metabólicos después de años, o incluso siglos, de latencia.

Los hallazgos del equipo, publicados el 28 de abril en Cienciapodría ayudar a informar el diseño de formas de evitar que las esporas bacterianas peligrosas permanezcan inactivas durante meses, incluso años, antes de despertarse nuevamente y causar brotes.

«Este descubrimiento resuelve un rompecabezas que tiene más de un siglo», dijo el autor principal del estudio, David Rudner, profesor de microbiología en el Instituto Blavatnik del HMS. «¿Cómo detectan las bacterias los cambios en su entorno y toman medidas para salir de la inactividad cuando sus sistemas están casi completamente apagados dentro de una carcasa protectora?»

Cómo las bacterias durmientes vuelven a la vida

Para sobrevivir en condiciones ambientales adversas, algunas bacterias entran en estado latente y se convierten en esporas, con procesos biológicos suspendidos y capas de armadura protectora alrededor de la célula.

Estas mini fortalezas biológicamente inertes permiten que las bacterias esperen los períodos de hambruna y se protejan de los estragos del calor extremo, los períodos secos, la radiación ultravioleta, los productos químicos agresivos y los antibióticos.

Durante más de un siglo, los científicos han sabido que cuando las esporas detectan nutrientes en su entorno, se despojan rápidamente de sus capas protectoras y vuelven a encender sus motores metabólicos. Aunque el sensor que les permite detectar nutrientes se descubrió hace casi 50 años, los medios para enviar la señal de alerta y cómo esa señal desencadena la reactivación bacteriana sigue siendo un misterio.

En la mayoría de los casos, la señalización se basa en la actividad metabólica y, a menudo, involucra genes que codifican proteínas para producir moléculas de señalización específicas. Sin embargo, todos estos procesos se interrumpen dentro de una bacteria inactiva, lo que plantea la cuestión de cómo la señal induce a las bacterias dormidas a despertarse.

En este estudio, Rudner y su equipo descubrieron que el sensor de nutrientes en sí se ensambla en un conducto que abre la celda para que vuelva a funcionar. En respuesta a los nutrientes, se abre el conducto, un canal de membrana, que permite que los iones escapen del interior de la espora. Esto inicia una cascada de reacciones que permiten que la célula latente se desprenda de su armadura protectora y reanude su crecimiento.

Los científicos utilizaron múltiples vías para seguir los giros y vueltas del misterio. Desplegaron herramientas de inteligencia artificial para predecir la estructura del complejo sensor intrincadamente plegado, una estructura hecha de cinco copias de la misma proteína sensora. Aplicaron el aprendizaje automático para identificar las interacciones entre las subunidades que componen el canal. También utilizaron técnicas de edición de genes para inducir a las bacterias a producir sensores mutantes como una forma de probar cómo se desarrollaban las predicciones basadas en computadora en las células vivas.

«Lo que me encanta de la ciencia es cuando haces un descubrimiento y de repente todas estas observaciones dispares que no tienen sentido de repente encajan», dijo Rudner. «Es como si estuvieras trabajando en un rompecabezas, y encuentras dónde va una pieza y de repente puedes encajar seis piezas más muy rápidamente».

Rudner describió el proceso de descubrimiento en este caso como una serie de observaciones confusas que tomaron forma lentamente, gracias a un equipo de investigadores con diversas perspectivas que trabajaron juntos de manera sinérgica.

En el camino, siguieron haciendo observaciones sorprendentes que los confundieron, pistas que sugerían respuestas que no parecían tener la posibilidad de ser ciertas.

Uniendo las pistas

Una de las primeras pistas surgió cuando Yongqiang Gao, un investigador del HMS en el laboratorio de Rudner, estaba realizando una serie de experimentos con el microbio. Bacillus subtilis, comúnmente encontrado en el suelo y un primo de la bacteria que causa el ántrax. Gao introdujo genes de otras bacterias que forman esporas en B. subtilis para explorar la idea de que las proteínas no coincidentes producidas interferirían con la germinación. Para su sorpresa, Gao descubrió que, en algunos casos, las esporas bacterianas se despertaban sin problemas con un conjunto de proteínas de una bacteria lejanamente relacionada.

Lior Artzi, un becario postdoctoral en el laboratorio en el momento de esta investigación, ideó una explicación para el hallazgo de Gao. ¿Y si el sensor fuera una especie de receptor que actúa como una puerta cerrada hasta que detecta una señal, en este caso un nutriente como un azúcar o un aminoácido? Una vez que el sensor se une al nutriente, la puerta se abre y permite que los iones fluyan fuera de la espora.

En otras palabras, las proteínas de bacterias relacionadas de forma lejana no tendrían que interactuar con proteínas no coincidentes. B. subtilis proteínas de la espora, sino que simplemente responden a los cambios en el estado eléctrico de la espora a medida que los iones comienzan a fluir.

Rudner inicialmente se mostró escéptico sobre esta hipótesis porque el receptor no se ajustaba al perfil. No tenía casi ninguna de las características de un canal iónico. Pero Artzi argumentó que el sensor podría estar compuesto por múltiples copias de la subunidad trabajando juntas en una estructura más compleja.

AI ha entrado en el chat

Otro postdoctorado, Jeremy Amon, uno de los primeros en adoptar AlphaFold, una herramienta de inteligencia artificial que puede predecir la estructura de proteínas y complejos de proteínas, también estaba estudiando la germinación de esporas y estaba preparado para investigar el sensor de nutrientes.

La herramienta predijo que una subunidad particular del receptor se ensambla en un anillo de cinco unidades conocido como pentámero. La estructura predicha incluía un canal en el medio que podía permitir que los iones atravesaran la membrana de la espora. La predicción de la herramienta de IA era justo lo que Artzi había sospechado.

Gao, Artzi y Amon luego se unieron para probar el modelo generado por IA. Trabajaron en estrecha colaboración con un tercer postdoctorado, Fernando Ramírez-Guadiana y los grupos de Andrew Kruse, profesor de química biológica y farmacología molecular de HMS, y la bióloga computacional Deborah Marks, profesora asociada de biología de sistemas de HMS.

Diseñaron esporas con subunidades receptoras alteradas que se predijo que ampliarían el canal de la membrana y encontraron que las esporas se despertaron en ausencia de señales de nutrientes. Por otro lado, generaron subunidades mutantes que predijeron que estrecharían la apertura del canal. Estas esporas no pudieron abrir la puerta para liberar iones y despertar de la estasis en presencia de abundantes nutrientes para sacarlos de la inactividad.

En otras palabras, una ligera desviación de la configuración predicha del complejo plegado podría dejar la puerta atascada abierta o cerrada, haciéndola inútil como herramienta para despertar a las bacterias latentes.

Implicaciones para la salud humana y la seguridad alimentaria

Comprender cómo las bacterias latentes vuelven a la vida no es solo un rompecabezas intelectualmente tentador, dijo Rudner, sino uno con importantes implicaciones para la salud humana. Varias bacterias que son capaces de entrar en letargo profundo durante períodos de tiempo son patógenos peligrosos, incluso mortales: la forma blanca en polvo del ántrax armado está compuesta de esporas bacterianas.

Otro patógeno peligroso que forma esporas es Clostridioides difficile, que causa diarrea y colitis potencialmente mortales. enfermedad de C. difficile generalmente ocurre después del uso de antibióticos que matan muchas bacterias intestinales pero son inútiles contra las esporas latentes. Después del tratamiento, C. difficile despierta del letargo y puede florecer, a menudo con consecuencias catastróficas.

La erradicación de las esporas también es un desafío central en las plantas de procesamiento de alimentos porque las bacterias latentes pueden resistir la esterilización debido a su armadura protectora y su estado deshidratado. Si la esterilización no tiene éxito, la germinación y el crecimiento pueden causar enfermedades graves transmitidas por los alimentos y pérdidas financieras masivas.

Comprender cómo las esporas detectan los nutrientes y salen rápidamente de la inactividad puede permitir a los investigadores desarrollar formas de desencadenar la germinación temprano, lo que hace posible esterilizar las bacterias o bloquear la germinación, manteniendo a las bacterias atrapadas dentro de sus caparazones protectores, incapaces de crecer, reproducirse y estropear los alimentos. o causar enfermedad.

Autoría, financiación, divulgaciones

Otros autores incluyen a Kelly Brock y Joshua Cofsky, de HMS.

El apoyo para este trabajo proviene de las subvenciones GM086466, GM127399, GM122512, AI171308 (DZR), AI164647 (DZR, ACK, DSM) de los Institutos Nacionales de Salud y fondos de la Iniciativa del Decano de la Facultad de Medicina de Harvard. Amon fue financiado por la subvención F32GM130003 de los Institutos Nacionales de Salud. Artzi fue miembro de la Fundación Simons de la Fundación de Investigación de Ciencias de la Vida.