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martes, 14 de noviembre de 2017

Teixobactina: cuando lo artificial es mejor que lo natural

Eleftheria terrae, una betaproteobacteria productora del antibiótico teixobactina. Origen de la imagen: Science News



En el año 2015 se descubrió la teixobactina, un nuevo tipo de antibiótico producido por la bacteria Gram negativa Eleftheria terrae. Lo más sobresaliente de la teixobactina era que su mecanismo de acción era distinto al de otros antibióticos. Inhibía la función de los lípidos II y III en el transporte de los precursores del peptidoglicano desde el citoplasma al exterior de la célula. Esa especificidad tan grande permitía suponer que no iba a ser fácil que aparecieran resistencias frente a dicho antibiótico.

Mecanismo de actuación de la teixobactina. Clikear para ampliar. A la izquierda se representa une esquema de la bacteria Gram negativa Eleftheria terrae secretando el antibiótico y éste uníéndose a las moléculas objetivo (rectángulo con la palabra TEIX). A la derecha tenemos una visión ampliada del mecanismo de acción sobre el lípido II y el lípido III que se encuentran localizados en la membrana plasmática. El interior celular estaría en la parte inferior y el exterior en la superior. En el esquema representan de manera simplificada los pasos de síntesis de los monómeros que formarán el peptidoglicano (hexágonos azules y verdes) y de los monómeros que formarán los ácidos teicoicos (elipses rojas y azules).  También se muestra el sitio de unión de la vancomicina (rectángulo rojo), que aunque afecte a la misma molécula, lo hace en un lugar diferente. Fuente: Sci-news.com 


Pero hay otros factores a tener en cuenta para que una molécula que se descubre de una bacteria del suelo llegue hasta los estantes de las farmacias. Uno de los principales es la cantidad de antibiótico que se puede obtener de un cultivo del microorganismo productor. Y aquí había dos inconvenientes: el primero es que Eleftheria terrae no es precisamente un buen microorganismo industrial de fácil crecimiento, el segundo es que la teixobactina no era sencilla de purificar a partir de los cultivos de dicha bacteria.

Evidentemente más de un grupo se ha puesto a buscar formas de producir mayor cantidad del antibiótico. Una por ejemplo es clonar los genes responsables de la biosíntesis del antibiótico en otro microorganismo que sea mucho más fácil de crecer en condiciones industriales. Otros han buscado formas de purificar más eficientemente el antibiótico. Y finalmente hay otra forma: sintetizar la teixobactina de forma artificial.

La síntesis de antibióticos artificiales no es nueva. El cloranfenicol originariamente fue descrito como un antibiótico producido por Streptomyces venezuelae, pero ahora resulta mucho más barato producirlo enteramente mediante síntesis química. Quizás pueda suceder lo mismo con la teixobactina, aunque sea un depsipéptido macrocíclico algo complejo. De hecho, las primeras pruebas para sintetizar químicamente la teixobactina no funcionaron ya que uno de los aminoácidos precursores, la enduracidina, era muy difícil de obtener.

Síntesis artificial del cloranfenicol. Fuente: Michigan State University


Pero el grupo liderado por Ishwar Singh, de la Universidad de Lincoln en el Reino Unido ha encontrado que la enduracidina puede ser sustituida por otro tipo de aminoácidos, incluyendo aminoácidos apolares como la leucina o la valina. Lo que se obtiene no es exactamente la teixobactina natural ya que su composición química es distinta, pero las nuevas moléculas funcionan igual de bien frente a las bacterias. Pero las ventajas son evidentes. Los aminoácidos utilizados son muchísimo más baratos y esto permite pensar en que probablemente se establecerá una ruta de síntesis química para producir industrialmente los análogos de teixobactina. Eso permitirá que en breve se pueda pensar en diseñar ensayos clínicos con humanos.

Teixobactina natural (izquierda) y teixobactina sintética (derecha). En rojo se indican  los D-aminoácidos y en negro los L. En azul se indica la posición de la enduracina en la teixobactina natural. En la artificial, dicho aminoácido se ha sustituido por la leucina. Fuente: Parmar et al. 2017.


Además, este avance ha permitido entender en parte como puede ser el mecanismo de acción de la teixobactina. Hasta ahora se pensaba que los aminoácidos catiónicos que presenta eran los responsables de su actuación, pero los aminoácidos usados no están cargados, así que eso parece indicar que las cargas catiónicas no están involucradas en la unión al objetivo molecular. Una nueva vía de investigacións e abre.

martes, 7 de noviembre de 2017

Altruismo microbiano

Chlorochromatium aggregatum. Las bacterias autótrofas epibiontes rodean a una betaproteobacteria móvil. Lo único que se ve de ella es el flagelo a la derecha (Fuente: Small Things Considered)


Un consorcio microbiano es una comunidad formada por un pequeño número de especies de microorganismos, generalmente dos. Su relativa simplicidad es una ventaja para su estudio experimental en el campo de la ecología microbiana. Hay varios ejemplos de consorcios microbianos, el más famoso es el que está representado en la fotografía de arriba y que se denomina Chlorochromatium aggregatum (ahora C. chlorochromatii). Está formado por unas bacterias vede del azufre fotoautótrofas (el epibionte) que rodean a una betaproteobacteria flagelada quimiorganotrofa.

En un reciente artículo de Nature Microbiology describen el estudio metagenómico de un consorcio microbiano que degrada la celulosa en condiciones aeróbicas y que está presente durante el compostaje de residuos agrícolas. Lo que han encontrado es que la dinámica de la comunidad es consistente con el desarrollo de una sucesión de microorganismos heterótrofos. Es decir, primero aparecen una serie de microorganismos degradadores que van a descomponer los polímeros biológicos en moléculas más simples, a continuación otros microorganismos degradadores y finalmente tendremos a los productores de ácidos húmicos.

Las diferentes etapas del compostaje. En la primera parte (1 a 2 semanas) intervienen los mesófilos. Posteriormente microorganismos termófilos que completan la degradación de la materia orgánica. Finalmente tenemos la etapa de maduración con la formación de los ácidos húmicos.


Lo que han encontrado estos investigadores es que al principio se establece una población pionera a la que han denominado "Candidatus Reconcilibacillus cellulovorans" y que posee un "cluster" genético que codifica para diversas hidrolasas glicosídicas, las enzimas responsables de las primeras etapas de degradación de la celulosa. Eso indica que no hay un solo tipo de hidrolasas sino varios, por lo que hay varias reacciones degradadoras de la celulosa que pueden llevarse a cabo gracias a esa población pionera. Eso es una ventaja si consideramos que el material de partida que se debe compostar suele tener un origen diverso. Pero además, dichas enzimas se organizan en grandes complejos macromoleculares muy estables que permanecen durante todo el proceso de compostaje aunque la población microbiana que los ha sintetizado ya no esté presente. Es decir, esos complejos multidominio poseen diversas capacidades celulolíticas y son una especie de “bien común” que va a beneficiar a toda la comunidad microbiana responsable del proceso de compostaje. Una lección de altruismo a pequeña escala.

Arriba (a). Abundancia relativa de las poblaciones microbianas dominantes al final de las dos semanas de compostaje. Muestras de DNA fueron recogidas a diferentes tiempos para la secuenciación metagenómica. Centro (b) Actividades de la Carboximeti-celulasa (rojo) y de la xilanasa (verde) a lo largo de los días que duró el experimento. Abajo (c) Abundancia relativa diaria de una de las poblaciones de Paenibacillaceae (rojo) comparado el resto del consorcio microbiano creciendo sobre celulosa. Nótese que las actividades enzimáticas permanecen aunque la población productora está muy disminuida. Fuente: Kolinko et al. (2017)


martes, 31 de octubre de 2017

Sentido y sensibilidad (bacterianos)



La formación de biofilms bacterianos (o biopelículas) es un área en la que están trabajando varios grupos investigadores. Uno de los motivos es porque el 80% de las infecciones resistentes a los antibióticos son causadas por bacterias que forman biofilms. Así que conocer cómo se forman los biofilms podría permitir el desarrollo de métodos para destruirlos de manera eficaz.

Uno de los organismos modelo para estudiar la formación de biofilms es la bacteria acuática Caulobacter crecentus. No es una bacteria patógena, y por ello es bastante fácil de trabajar con ella en los laboratorios. En el último número de Science se han publicado dos artículos sobre cómo hace esta bacteria para “sentir” una superficie a la cual adherirse.

Caulobacter viene al mundo como una bacteria nadadora (swarmer cell) que posee un flagelo en uno de los polos. El flagelo está acompañado de un par de pili que tienen la peculiaridad de ser retractables (pilus tipo IV). La célula nada y cuando encuentra una superficie adecuada lo que hace es pegarse a ella por el polo que tiene el flagelo. Entonces suceden unas cuantas cosas. Lo primero es que pierde el flagelo polar y a continuación comienza a secretar en ese mismo sitio un exopolisacárido pegajoso formando un botón adhesivo (holdfast). Una vez se ha fijado, en ese polo comienza a crecer una prosteca también denominada pedúnculo (stalk). En paralelo, el DNA comienza a replicarse y el cuerpo de la bacteria comienza a elongarse. Cuando su tamaño es del doble entonces se genera un flagelo en el polo que está libre, se reparte el cromosoma y comienza la división celular. Al final tendremos dos células: una fija al sustrato (stalked cell) que seguirá reproduciéndose y una célula nadadora que volverá a repetir el ciclo.

Ciclo de Caulobacter. Fuente de la imagen: Microbewiki


Lo que se describe en ambos artículos es que tanto el pilus como el flagelo son necesarios para que la célula sea "sensible" a su entorno y “sienta” que hay una superficie a la que adherirse. En el caso del flagelo lo que ocurre es que si choca contra la superficie su rotación se ve alterada y eso dispara una respuesta para adherirse. Lo han demostrado utilizando ensayos basados en dinámica de microfluidos y mutantes que eran defectivos en algunos de los componentes del flagelo. Si lo que les faltaba a los mutantes eran las partes externas del flagelo la adhesión no se veía alterada. Pero si lo que le faltaba eran las proteínas que forman el “rotor” y el “stator” entonces la adhesión no se efectuaba. En el caso del pilus lo que han visto es que si se altera el mecanismo de retractación la bacteria no es capaz de adherirse porque no se activa la producción del exopolisacárido.

Como hace Caulobacter para "sentir" una superficie a la que adherirse. Cuando una célula nadadora choca con una superficie, o bien su flagelo ve interrumpida su rotación, o bien su pilus ve inhibida su retracción, o ambos. Esto desencadena una cascada de eventos que estimulan la producción de un exopolisacárido que formará un botón de anclaje adhesivo (holdfast). Fuente: Science


Basado en el artículo: “The bacterium has landed

miércoles, 15 de marzo de 2017

En el principio... no había fosfato

La portada de Cell nos recuerda que las cerillas inicialmente usaban azufre en lugar de fósforo. Algo similar pudo haber sucedido con el origen de la vida.


En el campo de la evolución prebiótica una de las principales discusiones es decidir qué fue primero: el metabolismo o la autorreplicación. Es la típica situación del huevo y la gallina: necesitamos un metabolismo para replicar la información que codifica los componentes capaces de realizar ese metabolismo. Por simplificar, a los del metabolismo se les conoce como los defensores del Mundo Hierro/Azufre y a los de la autorreplicación como los defensores del Mundo RNA.

¿Qué fue primero? ¿La autorreplicación o el metabolismo? En la hipótesis del mundo RNA la capacidad de autorreplicación precede a la aparición de las enzimas y la aparición de las redes metabólicas. En la hipótesis metabólica, primero aparecen dichas redes y posteriormente las moléculas con capacidad replicativa (origen de la imagen: Phys.Org)


La hipótesis de "primero el mundo RNA" es muy atractiva porque en una misma molécula tenemos ambas funciones: replicativa y catalítica. Pero lo cierto es que cada vez se están acumulando más indicios que apuntan a que el metabolismo fue previo a la autorreplicación. El último es un artículo publicado en Cell por Joshua E. Goldford, Hyman Hartman, Temple F. Smith y Daniel Segrè y su título lo dice todo: Remnants of an Ancient Metabolism without Phosphate. Esta claro que si no hay fosfato no puede haber RNA, así que el metabolismo precedió al mundo RNA.

¿Fosfato? No, gracias. En la figura tenemos a cuatro de los compuestos semilla utilizados en el algoritmo para identificar las reacciones metabólicas primordiales. Los otros cuatro usados fueron el agua, el dióxido de carbono, el carbonato y el nitrógeno (fuente: Goldford et al. 2017)


La verdad es que el concepto de que el fosfato no sea necesario para el origen de la vida es muy atrevido. Desde pequeñitos nos enseñan que los bioelementos principales son seis: C,H,O, N, P y S. Y si atendemos a sus proporciones un mol de vida estaría compuesto por C1H1,8O0,5N0,2P0,03S0,02. Es decir, en un ser vivo, por cada dos átomos de azufre hay tres de fósforo. Para rematar, cuando estudiamos el metabolismo nos dicen que el ATP es la moneda biológica de energía gracias a sus enlaces fosfoester. Entonces ¿por qué han pensado estos investigadores que el fosfato no es necesario para el metabolismo primigenio?

Por una cuestión de química geológica básica. La accesibilidad geoquímica al fósforo es mucho menor que la del azufre. Así que con ese dato en mente se pusieron a mirar las rutas metabólicas en las que el f´sforo no hace falta. Pero no se centraron en las rutas de un puñado de organismos modelo. Lo que hecho es mirar en todas las rutas metabólicas conocidas en todos los seres vivos, lo que denominan un metabolismo a nivel "biosfera". También han tenido en cuenta que las reacciones de hoy, tan específicas y eficientes, debieron de evolucionar a partir de reacciones mucho menos específicas y con moléculas mucho más simples que las presentes. Utilizando herramientas computacionales de biología sintética usaron ocho moléculas simples que podrían estar presentes en la Tierra primigenia y que podrían reaccionar para formar otros compuestos. Esas ocho moléculas "semilla" eran el agua, el sulfihídrico, el dióxido de carbono, el ácido carbónico, el amoniaco, el nitrógeno, el formato y el acetato. La otra condición es que no debía de necesitarse fosfato. A continuación aplicaron lo que ellos llaman un algoritmo de expansión de red de interacciones (network expansion algorithm) para simular la aparición de una red de interacciones metabólicas a partir de dichos compuestos. Lo que hace el algoritmo es añadir metabolitos y reacciones iterativamente y "preguntarse" en cada iteración si con los productos obtenidos y los sustratos presentes, puede darse una nueva reacción que producirá nuevos productos. Al final se va estableciendo un grupo "nuclear" (core) de rutas metabólicas principales dentro de ese "metabolismo de la biosfera", entre ellas las rutas en las que intervienen los cofactores Hierro/Azufre y algunas rutas de biosíntesis de aminoácidos (en concreto G, A, D, N, E, Q, S, T, C, y H) y de ácidos carboxílicos. Para ellos, estas rutas representan un "fósil metabólico" basado en la bioquímica no-enzimática de los enlaces tioester.

El "núcleo metabólico" que no necesita fosfato. El algoritmo hace reaccionar a los compuestos simples (metabolitos "semilla", marcados en azul al fondo a la izquierda). Los metabolitos que aparecen van interconectándose a través de las reacciones en las cuales o bien son sustratos o bien productos. Los colores indican el tiempo (iteración) en el cual el metabolito aparece. Arriba a la izquierda vemos la escala temporal. Los metabolitos principales (piruvato, glutamato, glicina) se alcanzan al cabo de unas pocas iteraciones a partir de los metabolitos "semilla". (fuente: Goldford et al. 2017)


Pero no se han quedado ahí. Utilizando el mapa del "metabolismo de la biosfera" han eliminado todas las reacciones en las cuales interviene el fosfato e incluso han considerado aquellas reacciones en las que el fosfato no es esencial. Por ejemplo, la coenzima-A lleva fosfato en su composición, pero éste no interviene en su función, la parte importante de dicha molécula es el éster de azufre. De hecho, la coenzima-A puede ser sustituida por la panteteina. Al realizar estos cambios y aplicar el algoritmo la expansión de la red metabólica se incrementa hasta incluir tres veces más metabolitos, entre ellos cinco aminoácidos (K, R, L, V, y P), el uracilo y la ribosa

Metabolismo global sin fosfato. Al eliminar todas la reacciones en las que la intervención del fosfato es esencial (líneas grises) todavía queda una gran red de reacciones metabólicas. Las líneas rojas son las reacciones identificadas como "nucleares" (ver figura anterior). Las reacciones marrones son aquellas que son accesibles desde el "núcleo metabólico". Las azules y púrpuras aquellas que están acopladas a la coenzima-A o a las coenzimas de flavina/nicotinamida respectivamente. (fuente: Goldford et al. 2017)


Los autores reconocen que no pueden descartar otra interpretaciones y que quizás la rutas que usan fosfato pudieron evolucionar gradualmente y de manera paralela o consecutiva. Pero lo que parece claro es que estos resultados nos permiten intuir que el protometabolismo pudo estar basado en reacciones con el enlace tioester como portador de energía y que la diversidad de compuestos que se producen podrían ser los precursores sobre los cuales posteriormente aparecería toda la bioquímica de los ácidos nucleicos como portadores de información. Queda claro que todavía hay muchos huecos que rellenar en esta historia.




Esta entrada participa en la LXIII edición del Carnaval de Química, alojada en el blog ‘Cardescu Web‘ de @CienciaNformas

viernes, 17 de febrero de 2017

Tomando forma

Manos dibujándose de MC Escher (origen)


En la entrada "De la forma" comentamos la importancia evolutiva que tiene la forma de las bacterias y que la morfología bacteriana era mucho más diversa de lo que en un principio se pensaba.

Pero, ¿cómo se forma una bacteria? La verdad es que sabemos más bien poco ya que lo que se conoce se basa en el estudio de unas cuantas bacterias: los cocos Streptococcus pneumoniae y Staphylococcus aureus; los bacilos Escherichia coli y Bacillus subtilis; las curvas y espirales formadas por Helicobacter pylori, Caulobacter crecentus o Borrelia burgdorferi. Del resto de morfologías no se conoce mucho. Así que quizás habría que replantearse la pregunta y elaborar alguna más simple que sí podamos contestar. Por ejemplo:

En el aspecto de la morfogénesis ¿qué tienen en común todas las bacterias?
  • Todas tienen paredes de peptidoglicano (salvo los micoplasmas y los termoplasmas) y la forma viene dada por cómo está construida dicha macromolécula a nivel molecular. Así que no es de extrañar que el equipamiento bioquímico responsable de la síntesis de esa pared se haya conservado entre los diversos phyla bacterianos. A nivel molecular, ese equipamiento enzimático se coloca en una determinada “zona” de la bacteria y es allí donde ejerce su función. Es lo que podría denominarse una "síntesis zonal"


  • La maquinaria de síntesis de la pared debe de asegurar que se mantenga la forma y que se incremente el tamaño de la bacteria gracias a la elongación, pero también debe permitir la reproducción celular mediante la septación. Basta cambiar mínimamente la orientación de la síntesis de peptidoglicano para pasar de elongar a septar. Lo que sí es necesario es que ambos procesos deben de estar coordinados tanto en el espacio como en el tiempo para asegurar la supervivencia de la bacteria.


Maquinaria de síntesis de peptidoglicano en la bacteria Escherichia coli. La elongación la lleva a cabo el elongasoma y la división el divisioma. En ambos casos se necesita un armazón citoplasmático que va a dirigir la localización de la síntesis del peptidoglicano (color naranja) y que reclutaran los diversos componentes como los elementos de membrana que incluyen proteínas reguladoras y sintetizadoras de elementos precursores (color azul) y proteínas sintetizadoras y modificadoras del peptidoglicano (color rojo). De todas estas proteínas, las más conservadas en todos los grupos bacterianos son FtsZ (naranja) y FtsK (azul-4). Origen de la imagen: Amelia M. Randich e Yves V. Brun 2015


Podríamos decir que esas son las "reglas básicas" que toda bacteria tiene que seguir. Quizás, cada grupo bacteriano tenga además algunas reglas específicas que expliquen las diferencias morfológicas. O quizás, uno podría esperar que si dos bacterias tienen una forma bacilar será porque ambas siguen el mismo juego de reglas. El mejor ejemplo es Escherichia coli (Gram negativa) y Bacillus subtilis (Gram positiva). Ambas realizan la elongación gracias a que sus equipos enzimáticos se colocan en unas zonas que siguen una pauta espiral y así sintetizan el nuevo peptidoglicano siguiendo dicha pauta.

Incorporación del peptidoglicano en diferentes bacterias morfológicamente distintas. En A se representa la elongación, en B la división. Tanto en Escherichia coli como en Bacillus subtilis, las zonas de elongación se disponen a lo largo de una espiral. Cuando las células se van a dividir la síntesis zonal se localiza solamente en el centro de la bacteria. En el caso de Streptococcus pneumoniae, la elongación se produce al insertar nuevo material en el llamado anillo ecuatorial. Según se va insertando el nuevo material los anillos resultantes se separana señalando el futuro lugar de septación. En el caso de Staphylococcus aureus no parece haber elongación, tan sólo síntesis de peptidoglicano septal. Origen de la imagen Dirk-Jan Scheffers1 y Mariana G. Pinho. 2005.


El dato de que dos bacterias tan alejadas filogenéticamente entre sí, han resuelto el mismo problema de la misma manera puede apuntar a que dicha "solución" apareció hace mucho tiempo. Pero cuando se observa con detalle lo que ocurre en otros grupos taxonómicos (ver el árbol filogenético de la 1ª parte), lo que a primera vista parece una conservación evolutiva es más bien una convergencia evolutiva. Entre una y otra especie nos encontramos con una miríada de morfologías. Observar una convergencia evolutiva nos indica otra cosa distinta: si se reposiciona la maquinaria de síntesis zonal se pueden generar un gran diversidad de formas bacterianas todas ellas derivadas de la morfología bacilar. Por ejemplo, si la síntesis zonal se restringe a uno sólo de los polos podemos obtener una prosteca como la de Caulobacter crescentus. En cambio, si la síntesis zonal se distribuye a lo largo de la longitud de un filamento se pueden conseguir las ramificaciones que se observan en las Actinobacterias. Bastaría con usar las reglas básicas de diferente forma para obtener las diversas morfologías bacterianas.

Síntesis zonal del peptidoglicano y morfología bacteriana. En las Alfaproteobacterias prostecadas basta reposicionar la maquinaria de síntesis del peptidoglicano (en verde) para que aparezcan diferentes fenotipos. A: Caulobacter crescentus prosteca polar. B: Asticcacaulis excentricus, prosteca subpolar. C: Asticcacaulis biprosthecum prostecas bipolares. En D tenemos el fenotipo ramificado de la actinobacteria Streptomyces coelicolor. Origen de la imagen: David T. Kysela et al. 2016.


Combinando tecnologías genómicas de una sola célula (single-cell genomics) con las tecnologías de microscopía de alta resolución, el grupo de Yves Brunn ha conseguido estudiar la evolución de la prosteca entre las especies pertenecientes a los Caulobacterales. Observando el árbol filogenético que se muestra más abajo, puede verse que primero apareció la prosteca polar (presente en Caulobacter crescentus). En algunas especies esa prosteca se ha convertido en una zona especializada en la reproducción por gemación (Hirschia baltica) pero en otras lo que ha pasado es que se ha perdido y la bacteria ha vuelto a una morfología bacilar (C. segnis). En otras especies, la síntesis zonal se reposicionó de manera supolar (Asticcacaulis excentricus) y a partir de este grupo volvió a reposicionarse a bilateral aumentando su número (A. biprosthecum). Al examinar con más detalle dicha transición, lo que se encontraron es que hay una proteína, denominada SpmX, que es la responsable de coordinar la síntesis del peptidoglicano en la prosteca. Dicha proteína tiene una región que es diferente en cada una de esas especies y que determina la localización de la síntesis zonal

Arbol filogenético de los Caulobacterales y morfología celular. 1. prosteca bilateral, Asticcacaulis biprosthecum (Chao Jiang, Stanford University). 2. prosteca subpolar, Asticcacaulis excentricus (Chao Jiang, Stanford University). 3. prosteca polar, Caulobacter crescentus (Paul Caccamo, Indiana University). 4. prosteca polar, Maricaulis maris (Patrick Viollier, University of Geneva). 5. prosteca polar pequeña, Brevundimonas subvibriodes (Brynn Heckel, Indiana University). 6. Prosteca polar para reproducción por gemación, Hirschia baltica. Origen de la imagen: David T. Kysela et al. 2016.


¿Podría explicarse la gran diversidad de morfologías bacterianas en base a la síntesis zonal de peptidoglicano? Pues es muy probable que la combinación de métodos genómicos con las nuevas tecnologías microscópicas den lugar a nuevas aproximaciones experimentales que permitan dar respuesta a esa pregunta y estudiar porqué las bacteria son como son e incluso abordar el problema de relacionar la morfogénesis bacteriana y las fuerzas de selección que actúan sobre ella. Puede afirmarse que este campo de investigación va tomando forma

Esta entrada y su primera parte han sido traducidas y publicadas en el blog Small Things Considered

sábado, 11 de febrero de 2017

La historia de Lydia Rabinovich-Kempner

Lydia Rabinovich-Kemper (fuente)


Cuando escribí la entrada dedicada a Alice Catherine Evans comenté que fue una de las dos mujeres que asistieron al Primer Congreso Internacional de Microbiología celebrado en París en el año 1930. La otra científica fue Lydia Rabinovich-Kempner. Me quedé con el nombre pensando en dedicarle alguna entrada futura, pero hace cinco años no encontré mucha información. Eso ha cambiado recientemente gracias a que se ha publicado un artículo sobre ella y ha aparecido una entrada en la Wikipedia. Lo único malo es que tanto el artículo como la entrada de la Wikipedia están en alemán, así que he tenido que basarme en el traductor de Google para elaborar esta entrada. También he encontrado otras fuentes bibliográficas que son citadas al final

Lydia Rabinovich nació en la ciudad de Kaunas el 22 de agosto del año 1871. Era la menor de nueve hermanos. Desde pequeña demostró una gran capacidad como estudiante, pero aunque su familia era adinerada sus posibilidades de continuar sus estudios en una universidad eran prácticamente nulas por dos motivos. El primero por ser mujer, el segundo por ser judía. En esa época, Lituania pertenecía al Imperio Ruso, y desde el pogromo de 1881 el acceso de los judíos a la universidad estaba muy restringido. Para una mujer judía era un imposible. Así que Lydia cogió las maletas y en 1889 se fue a Suiza. Se matriculó en la Facultad de Artes de Berna donde estudió pedagogía, estudios alemanes y ciencias naturales. Como muchas otras mujeres de esa época parecía que su destino sería ser maestra en algún instituto para jovencitas. Sin embargo Lydia pasó un año y medio en la Universidad de Zurich aprendiendo botánica y microbiología. A su vuelta a Berna se puso a realizar su tesis en el desarrollo de los cuerpos fructíferos de los Gasteromicetales. En 1894 la defendió obteniendo el grado summa cum laude y se convirtió en uno de las primeras doctoras en el campo de la microbiología.

El hongo Lycoperdum perlatum o pedo de lobo. En el siglo XIX estaba clasificado dentro de la clase de los Gasteromicetales. Ahora pertenece a la clase de los Basidiomicetales. Fuente: Wikipedia


Ese mismo año Lydia se mudó a Berlin. Quería trabajar en el Instituto de Enfermedades Infecciosas fundado por Robert Koch. Lydia hizo lo mismo que otras científicas de su tiempo como Lise Meitner: trabajar de gratis hasta que consiguió demostrar su valía investigadora. Es lo que la historiadora de la ciencia Annete Vogt describió como “usar la puerta trasera para llegar al portal principal”. Para conseguir el puesto en el Instituto, Lydia tuvo que firmar un acuerdo que se hacía firmar a todos los solicitantes, sin importar que fueran hombres o mujeres.

   El abajo firmante cede sus derechos sobre los resultados obtenidos por su trabajo a la dirección del Instituto de Enfermedades    Infecciosas de Berlín, y se compromete a someter dicho trabajo para su aprobación antes de su publicación. Asimismo, cuando    deje su puesto en el Instituto se compromete a ceder a la dirección, toda la información necesaria sobre los resultados    conseguidos por su trabajo así como todas las notas y apuntes realizados.

Lydia tuvo que ser una excelente investigadora porque en 1895 publicó su primer artículo. Por si fuera poco, comenzó una colaboración con el laboratorio de bacteriología de la Facultad de Medicina para Mujeres de Pensilvania y se le ofreció un puesto de profesora e investigadora para los meses de invierno. Los meses de verano volvía a Alemania a trabajar. En 1898 consiguió una plaza fija de profesora e investigadora en los Estados Unidos, puesto que nunca ocupó. En abril de 1898, aprovechando que estaba en el IX Congreso Internacional de Higiene y Demografía que se celebraba en Madrid, se casó con el bacteriólogo Walter Kempner que trabajaba con Koch en Berlin. Lydia dejó su puesto en los USA y se fue a Berlín a vivir con su esposo y fundar una familia. Tuvieron tres hijos: Robert (1899 - 1993), Nadja (1901-1932) y Walter (1903-1977). Pero al contrario de lo que ocurría con otras mujeres de su tiempo, que en cuanto se casaban dejaban de lado su carrera profesional, Lydia acababa de empezar un nuevo capítulo de la suya. El matrimonio Kempner se convirtió en una reconocida autoridad en la investigación sobre la tuberculosis. Por si no bastaba, Lydia se comprometió en el movimiento por la igualdad de las mujeres, defendiendo el derecho femenino al voto - llegó a presentar una comunicación sobre el trabajo de las mujeres en la medicina en el Congreso Internacional de la Mujer. Junto con la física Elsa Neumann fundó una asociación para proporcionar becas para que las mujeres pudieran estudiar carreras universitaria.

Fue el propio Robert Koch el que encargó a Lydia su primer proyecto sobre la tuberculosis. Desde 1884, Koch sospechaba que el bacilo de la tuberculosis podía ser transferido desde las vacas a los humanos. Lydia debía de encontrar si dicho bacilo estaba presente en la leche o en productos lácteos frescos. Algo muy frecuente en las ciudades alemanas de aquellos tiempos era ver a pequeños carromatos vendiendo leche, queso y hortalizas frescas. Lydia se puso a ello y en 1901 publicó sus resultados. Fue la primera persona en describir la acción de un adyuvante inmunitario al descubrir que la mantequilla que contenía bacilos de Mycobacterium butyricum podía activar una fuerte respuesta inmunitaria. Usando la prueba de la tuberculina en vacas, encontró que Mycobacterium bovis estaba presente en la leche y en la mantequilla proveniente de las vacas infectadas y por lo tanto eso podía suponer un riesgo para los humanos. También encontró que pasteurizando la leche se podía destruir al bacilo y evitar subsiguientes infecciones.

Carromato repartidor de leche fresca de la empresa Bolle. (Fuente)


Sin embargo, sus resultados no fueron recibidos con mucha alegría. La protesta de las compañías ganaderas y de productos lácteos fue de tal magnitud que hasta el propio Robert Koch cambió de opinión y declaró que el bacilo de la tuberculosis humana no era el mismo que se encontraba en las vacas, sólo una especie relacionada. Sin embargo, Lydia se mantuvo en sus trece y aseguró que sí era el mismo. Tras la creación de una comisión de salud pública se confirmó que Lydia tenía razón. La leche debía de ser pasteurizada antes de ser consumida o usada para elaborar productos lácteos.

Es muy posible que el enfrentamiento con Koch fuera la causa de que Lydia abandonara el Instituto de Enfermedades Infecciosas de Berlin. En 1903 comenzó a trabajar con el profesor Johannes Orth en el Instituto de Patología Charité. Gracias a sus numerosos artículos en 1906 se la nombró como miembro permanente del Comité Central Internacional para la lucha contra la Tuberculosis y de la Sociedad Central de Medicina Veterinaria de Francia. En 1912, el kaiser Guillermo II la honró concediéndole el título de “Profesora de la Universidad de Berlín” sin que tuviera que presentarse a un proceso de habilitación. Sin embargo el claustro de la Facultad de Medicina de la Universidad de Berlin nunca permitió que accediera al puesto debido al antisemitismo de la época. Lydia continuó con sus trabajos y en 1914 se la nombró miembro del comité editorial del “Zeitschrift für Tuberkulose” (Revista sobre la Tuberculosis).

Portada de la revista científica "Zeitschrift für Tuberkulose". (Fuente: Kropp y Hansen Schaberg. 2017


1920 debió de ser un año crítico en la vida de Lydia. Su marido murió en febrero de ese año debido a un cáncer de laringe, con lo que la familia Kempner se quedó sin sustento.Por sorprendente que pueda parecernos, hasta ese momento era el sueldo de Walter como médico el único dinero que entraba en el hogar. Lydia no había sido contratada hasta entonces en ningún puesto remunerado. Evidentemente la situación había cambiado y Lydia consiguió un puesto como directora del laboratorio bacteriológico del Hospital Municipal en Berlín-Moabit. En el año 1924 la Federación Alemana de Médicos le concedió el título de Doctora en Medicina Honoris Causa junto a Franziska Tiburtius En el año 1930 actuó como experta en la comisión que estudió el conocido como “desastre de Lübeck”. 251 recién nacidos fueron vacunados frente a la tuberculosis con unos viales que luego se demostró que estaban contaminados con una cepa virulenta. 72 de los niños murieron y 173 desarrollaron la enfermedad.

El desastre de Lübeck. Seguimiento de los recién nacidos a los que se les inoculó una vacuna antituberculosa defectuosa.
Salvo 6 niños, todos los que sobrevivieron hasta septiembre de 1933 consiguieron una remisión clínica completa. Las cinco categorías de la derecha indican: "Sin síntomas y positivos para tuberculina, enfermedad suave, enfermedad moderada, enfermedad grave y muerte". (Fuente: Fox et al. 2016).


En 1932 su hija Nadja también falleció de tuberculosis. Pero las desgracias no habían acabado. En 1933, tras la llegada de los nazis al poder, sufrió el destino de muchos profesionales judíos. Fue forzada a abandonar su puesto como directora de laboratorio del hospital de Moabit. También fue expulsada del comité editorial del “Zeitschrift für Tuberkulose”. Franz Redeker, el nuevo editor, borró su nombre de los registros como si nunca hubiera existido. Sus amigos en los Estados Unidos animaron a Lydia a abandonar Alemania, pero con 61 años y enferma de cáncer de pecho decidió permanecer en Berlín. Lo que sí hizo fue procurar que sus dos hijos, Robert y Walter, emigraran a los Estados Unidos. Su hijo Robert (https://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Kempner) había sido fiscal y en 1928 acusó a Adolf Hitler de alta traición. Cuando Hitler alcanzó el poder, el ministro del interior Wilhem Frick consiguió que le arrebataran la nacionalidad alemana. En los Estados Unidos Robert trabajó como consejero del gobierno estadounidense y volvió a Alemania para los juicios de Nüremberg. Fue uno de los fiscales que llevó la acusación sobre Frick y la persona que encontró los documentos de la llamada “Conferencia de Wansee”.

Lydia murió en Berlín casi con 64 años, el 3 de agosto de 1935. Está enterrada junto con su marido, su hija Nadja y su hijo Robert, en el cementerio de Berlin-Lichterfelde. Una pionera de la microbiología injustamente olvidada.

Tumba de los Kempner en Berlín. Fuente: Wikipedia


Fuentes bibliográficas

Esta entrada participa en las celebraciones del día del Día Internacional de la Mujer y la Niña en la Ciencia #diamujeryciencia #Cientificas11F @11defebreroES

martes, 25 de octubre de 2016

De la forma

¿Quién dijo que las formas de las bacterias eran simples? (origen de la imagen)


Si hay algo que llama la atención del estudio de los eucariotas es la enorme diversidad de morfologías que uno puede encontrar: desde las secuoyas más grandes hasta el radiolario más pequeño. Los procariotas en cambio parecen bastante más simples y aburridos. Si uno abre la página 109 de la 7ª edición del “Microbiología Médica” de Murray, Roshental y Phaller se va a encontrar con que hay solo cuatro morfologías celulares: cocos, bacilos, bacilos curvos y espiroquetas. Pero en realidad, eso es debido a que tradicionalmente, la bacteriología ha sido una disciplina médica y esas son las típicas morfologías de las bacterias patógenas. Otra cosa que ayudó a establecer la idea de que las bacterias son o bien bacilos, o bien cocos, es que los microorganismos modelo de la Biología Molecular son los bacilos Escherichia coli, Bacillus subtilis y el coco Streptococcus pneumoniae. Sin embargo, cuando uno empieza a observar a las bacterias que hay en el medio ambiente lo que se encuentra es que la diversidad de tamaños y formas no tiene nada que envidiar a la de otros seres vivos.

Esto es precisamente lo que describen en el artículo “Diversity Takes Shape: Understanding the Mechanistic and Adaptive Basis of Bacterial Morphology” de David T. Kysela , Amelia M. Randich , Paul D. Caccamo e Yves V. Brun. En el artículo no sólo realizan un pequeño catálogo de las diversas formas bacterianas que uno puede observar, también discuten la importancia que tiene esa morfología desde el punto de vista evolutivo. Recordemos que en biología uno de los paradigmas más importantes es el binomio estructura-función, y si un ser vivo tiene una determinada morfología suele ser porque esa morfología le ha ayudado a sobrevivir mejor en el habitat que ocupa. La forma de las bacterias ha sido moldeada por la selección natural, así que entender cómo pudo haber surgido esa diversidad nos puede dar muchas ideas sobre cómo funcionan las bacterias

Lo cierto es que la morfología bacteriana sí que se usó inicialmente como un carácter taxonómico importante. Todas las bacterias que tenían forma espiral, o que presentaban prostecas, o que eran bacilos helicoidales fototróficos, o cocos que se agrupaban en racimos, o..., acababan formando un taxón de mayor o menor categoría. Sin embargo, cuando llegó la filogenia molecular, muchos de aquellos taxones tuvieron que ser “reestructurados”. En el artículo ponen el ejemplo de las betaproteobacterias Rhodocyclus tenuis y Rubrivivax gelatinosus que antes estaban incluidas dentro del género Rhodospirillum incluido en la clase Alfaproteobacteria. Hablando en términos zoológicos, es como si hubieran descubierto que dos arañas estaban erróneamente clasificadas como insectos.

En la esquina superior izquierda una microfotografía de Rhodocyclus tenuis (barra 5 micras). A la derecha una microfotografía de Rhodospirillum rubrum a la misma escala. La distancia filogenética entre ambas bacterias es la misma que hay entre una araña y una hormiga, pero antes se las clasificaba dentro del mismo género debido, entre otros caracteres, a su morfología tan parecida. (Orígenes de las imágenes. R. tenuis, R. rubrum, araña, hormiga)


Al combinar los datos metagenómicos y los morfológicos se puede construir un árbol filogenético que nos de algo de información de cómo ha ido evolucionando la forma de las bacterias en los distintos phyla (ver el árbol filogenético de la figura inferior). Hay morfologías como las helicoidales (señaladas en verde) o las filamentosas (rojo) que aparecen repartidas por todo el árbol. Eso indica que ese tipo de forma ha aparecido de manera independiente y repetida en la evolución. En ese caso, si dos linajes diferentes llegan a tener la misma morfología ¿está generada dicha forma por una estrategia molecular convergente? ¿o es porque tienen estilos de vida similares?

Árbol filogenético del dominio Bacteria y morfología de diferentes bacterias. Se han representado 26 tipos de morfología (ver tabla de especies). Las abreviaturas indican los taxones principales. Los colores muestran las morfologías de un determinado tipo.  Ver las tablas inferiores para más información. Las diferentes bacterias no están a escala. Clickear encima para ver en mayor detalle. Origen de la imagen Kysela et al.  




Otras veces lo que se ve es que una determinada morfología está agrupada en una región del árbol, por ejemplo las ramificaciones de las actinobacterias (púrpura) o los apéndices de las caulobacterias (azul). En ese caso lo que ha ocurrido es que la morfología ha sido heredada de un ancestro común a todo ese agrupamiento. Las preguntas entonces son algo distintas ¿la persistencia de dicha forma es debida a una presión de selección? Si no todos los miembros de ese grupo son iguales ¿cómo y por qué pueden surgir variaciones morfológicas?

Lo cierto es que no está muy claro el porqué algunas bacterias tienen una determinada morfología y no otra. En líneas generales, los caracteres morfológicos pueden ser atribuidos a la adaptación a fuerzas selectivas tan diferentes como la adquisición de nutrientes, la adhesión a una superficie, la dispersión, la evasión frente a depredadores o la colonización de un hospedador. Si nos fijamos en las morfologías que aparecen en el árbol filogenético algunas son fáciles de asociar a una determinada característica. Por ejemplo, las formas helicoidales son óptimas para nadar en líquidos viscosos; los filamentos grandes suelen funcionar como una adaptación para evitar ser engullidos por protozoos; la ramificación en una bacteria acuática modifica su flotabilidad lo que le permite controlar la profundidad y así situarse en la zona de la columna de agua donde haya nutrientes. Algunas morfologías incluso sirven para cumplir más de una función. Herpetosiphon es una bacteria que forma largos filamentos que se entrecruzan entre si. Eso evita que pueda ser devorada por cualquier protozoo, pero a su vez le permite crear una red en cuyos “huecos” secreta enzimas hidrolíticas que lisan a otras bacterias de las que se alimenta.

Género Herpetosiphon. (a) crecimiento en medio sólido (b) crecimiento en medio líquido. Origen de la imagen


Y si la forma es tan importante en las bacterias ¿cómo consiguen hacerla? Eso lo veremos en una próxima entrada.

Esta entrada y su segunda parte han sido traducidas y publicadas en el blog Small Things Considered