Los biólogos de la Universidad de Columbia han revelado un mecanismo por el cual las células bacterianas se apiñan, Los entornos privados de oxígeno acceden al oxígeno para la producción de energía. asegurando la supervivencia de la célula. El hallazgo podría explicar cómo algunas bacterias, tal como Pseudomonas aeruginosa ( P. aeruginosa ), pueden prosperar en entornos pobres en oxígeno como biopelículas y resistir a los antibióticos.

" P. aeruginosa Las infecciones por biopelículas son una de las principales causas de muerte de las personas que padecen fibrosis quística. una condición genética que afecta los pulmones y el sistema digestivo, "dijo el investigador principal Lars Dietrich, profesor asociado de ciencias biológicas. "Una comprensión de las vías que contribuyen a la supervivencia y virulencia de P. aeruginosa y otras bacterias capaces de existir en entornos carentes de oxígeno podrían informar los enfoques de tratamiento para muchos de estos y otros pacientes inmunodeprimidos ".

El estudio aparece esta semana en la revista eLife .

Las bacterias rara vez viven solas como organismos unicelulares. La mayoría, en cambio, crece en comunidades, Aprovechar la fuerza de los números para formar una biopelícula con propiedades similares a las de un tejido similar a un andamio que sirve para fortalecer la comunidad. haciéndolo hasta 1, 000 veces más resistente a la mayoría de los antibióticos.

Cada célula individual debe extraer por sí misma electrones de los alimentos que luego se transportan a lo largo de la membrana celular hasta que alcanzan una molécula de oxígeno. La energía liberada durante este proceso metabólico se utiliza para mantener la vida. A medida que las comunidades de bacterias continúan creciendo y formando una biopelícula, sin embargo, pueden estar superpoblados, creando un entorno en el que cada célula tiene que competir por nutrientes y oxígeno limitados para sobrevivir.

La investigación ha demostrado que algunas bacterias, incluso P. aeruginosa , han desarrollado diferentes estrategias para responder y hacer frente a las condiciones de bajo oxígeno en las biopelículas. Las comunidades de bacterias pueden, por ejemplo, cambiar la estructura general de la biopelícula para que su relación superficie-volumen sea mayor y una mayor proporción de las células en el interior puedan acceder al oxígeno en el exterior. P. aeruginosa también puede producir moléculas llamadas fenazinas, que ayudan a transportar electrones desde el interior al exterior de la célula y, en última instancia, al oxígeno disponible a distancia. Otra estrategia es hacer versiones alternativas de oxidasas terminales, enzimas en la membrana que transfieren electrones al oxígeno, que usan oxígeno de manera más eficiente o son mejores para eliminar el oxígeno cuando su concentración es baja. Si bien se han realizado numerosos estudios para examinar la importancia de estas enzimas y estrategias para P. aeruginosa crecimiento, en gran parte se han realizado en cultivos líquidos bien oxigenados en el laboratorio. Cuando P. aeruginosa infecta a un anfitrión real, como un humano, a menudo crece como una biopelícula y se encuentra con condiciones muy diferentes.

Con fondos federales de los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencias, Dietrich, primer autor Jeanyoung Jo, y sus colegas se propusieron comprender mejor si las oxidasas terminales específicas son importantes para P. aeruginosa metabolismo en comunidades de biopelículas, cómo las fenazinas pueden compensar los bajos niveles de oxígeno, y cómo estas estrategias adaptadas pueden contribuir a P. aeruginosa la capacidad de causar infecciones.

Descubrieron que la cadena de transporte de electrones tan crítica para la conversión de electrones en energía puede y está operando en las profundidades de la biopelícula privada de oxígeno y que en estos entornos, la bacteria depende de una parte específica de la oxidasa terminal de la cadena, una proteína llamada CcoN4, para acceder al oxígeno y crecer normalmente. Las células que carecen de esta proteína no sobreviven tan bien como las que la contienen, por lo que los investigadores creen que CcoN4 contribuye a la virulencia de la bacteria. También encontraron que CcoN4 juega un papel en el uso óptimo de fenazinas dentro de las biopelículas. Aunque se ha demostrado previamente que estas fenazinas compensan metabólicamente las condiciones de bajo oxígeno en P. aeruginosa biopelículas, el mecanismo que permitía esto había seguido siendo un misterio científico.

"Esta bacteria es una maestra en encontrar diferentes estrategias para acceder al oxígeno, ", Dijo Dietrich." Sabíamos que las fenazinas estaban involucradas y que de alguna manera estaban ayudando a la célula a obtener oxígeno, pero no sabíamos cómo. Parece que provienen de la cadena de transporte de electrones. Esa es una revelación importante. Sabemos que las células bacterianas tienen diferentes formas de metabolizar la energía en ambientes ricos en oxígeno, pero durante mucho tiempo no pudimos averiguar cómo lo hacían cuando era difícil acceder al oxígeno ".

Los hallazgos podrían tener grandes implicaciones para el tratamiento de P. aeruginosa infecciones por biofilm, como una comprensión de las vías que contribuyen a P. aeruginosa la supervivencia y la virulencia podrían informar los enfoques de tratamiento para los pacientes. Desarrollar terapias que bloqueen las oxidasas terminales que contienen CcoN4, por ejemplo, debilitaría la bacteria y su capacidad para causar infección.

"Estamos empezando a comprender cada vez más cómo las células pueden sobrevivir en circunstancias bastante horribles, ", Dijo Dietrich." Estamos entendiendo el mecanismo. Ahora podemos empezar a buscar formas de cerrar ese proceso ".