Las bacterias son microorganismos con un tamaño de unos pocos micrómetros, entre 0,5 y 5 µm en longitud de promedio. Por lo general, carecen de núcleo y orgánulos celulares rodeados por una membrana; particularidades de organismos eucariotas. Estas características, y bajo una visión antropocéntrica, hacen que consideremos a las bacterias como entidades sencillas y poco desarrolladas. Pero nada más lejos de la realidad.

Las bacterias están omnipresentes en todos los hábitats terrestres y acuáticos; siendo capaces de soportar condiciones ambientales muy adversas. Son organismos autónomos y multitud de publicaciones científicas han demostrado que estas entidades microscópicas han desarrollado mecanismos enormemente sofisticados para controlar, por ejemplo, su tasa de crecimiento, metabolismo, estilo de vida, tolerancia a estreses ambientales y su capacidad para desplazarse mediante el empleo de diferentes tipos de motilidad. La compleja coordinación de todas estas actividades la llevan a cabo mediante un amplio número de proteínas sensoras que actúan como receptores de una extensa variedad de estímulos ambientales, tanto químicos como físicos. Así, las bacterias tienen la capacidad para responder a la disponibilidad de diferentes nutrientes (ej. azúcares, amino ácidos, ácidos orgánicos), presencia de compuestos volátiles, alteraciones en el pH, la temperatura y la salinidad del entorno, percibir una amplia gama de longitudes de onda de luz, detectar el contacto con una superficie e incluso existen evidencias de su capacidad para detectar y responder a las ondas sonoras. Podríamos reivindicar que las bacterias tienen sus propios cinco sentidos.

En los laboratorios del Dr. Miguel A. Matilla y el Prof. Tino Krell en la Estación Experimental del Zaidín (EEZ), y del Dr. José A. Gavira en el Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra (IACT), nos servimos de aproximaciones experimentales multidisciplinares para investigar los mecanismos mediante los cuales las bacterias detectan diferentes señales ambientales, así como para estudiar las respuestas metabólicas y fisiológicas que resultan de la detección de los mismos. Nuestras investigaciones, recientemente publicadas en revistas de alto prestigio internacional, han permitido descifrar cómo ciertas bacterias que promueven el crecimiento vegetal o que son causantes de enfermedades en humanos reconocen compuestos producidos por los organismos que colonizan. Es decir, sus hospedadores. La detección de estas señales químicas causa el movimiento de la bacteria hacia ambientes con mayores concentraciones de estos compuestos - un proceso conocido como quimiotaxis. Gracias a la quimiotaxis, las bacterias son capaces desplazarse hacia ambientes que son más favorables para su desarrollo y supervivencia, por ejemplo, aquellos que presentan altas concentraciones de nutrientes. Este desplazamiento ocurre mediante el control preciso del movimiento de los flagelos, unos apéndices largos a modo de cola que permiten a las bacterias nadar hacia el lugar de origen de estas moléculas atrayentes. La velocidad de este movimiento es muy elevada y con frecuencia supera una velocidad equivalente a 50 veces el tamaño de la bacteria por segundo. Esto es, comparativamente, una velocidad superior a la que puede alcanzar un coche de carreras.  

En un primer estudio, hemos identificado que bacterias de la especie Pseudomonas putida que viven en interacción con plantas se mueven empleando la quimiotaxis hacia compuestos secretados por las raíces - los denominados exudados radiculares. Hasta el 30% del carbono fijado en la fotosíntesis se puede excretar a través de las raíces; permitiendo atraer y nutrir a miles de millones de microorganismos que existen por gramo de raíz y generando así su propia microbiota. Entre estos microorganismos se encuentras bacterias promotoras del crecimiento vegetal, las cuales estimulan el crecimiento de la planta a través de distintos mecanismos. Por ejemplo, favoreciendo la captación de nutrientes o protegiendo a las plantas frente a patógenos. La composición de los exudados radiculares es altamente compleja y entre sus componentes se encuentran distintas hormonas vegetales (fitohormonas) como el ácido indolacético y el ácido salicílico – moléculas señal que son clave para el crecimiento, desarrollo y la protección de las plantas frente a los patógenos. Nuestras investigaciones han identificado que Pseudomonas putida utiliza para detectar la presencia del ácido indolacético y del ácido salicílico una proteína sensora denominada PcpI. En respuesta a la presencia de estas fitohormonas en el ambiente radicular (rizosfera), la bacteria se mueve quimiotácticamente hacia ellas, permitiendo potencialmente una colonización más eficiente de su hospedador vegetal. Nuestros resultados demostraron por primera vez que un único receptor bacteriano puede mediar quimiotaxis a dos fitohormonas diferentes.

En un segundo estudio hemos identificado que Pseudomonas aeruginosa, una bacteria patógena de humanos frente a la cual la Organización Mundial de la Salud (OMS) urge el desarrollo de nuevos antibióticos, exhibe una fuerte quimiotaxis hacia acetilcolina. La acetilcolina es el principal neurotransmisor del sistema nervioso periférico, siendo la responsable de regular la contracción y relajación muscular; además de participar en otras funciones de relevancia como la percepción del dolor. Nuestras investigaciones posibilitaron la identificación de la proteína sensora PctD como la responsable del movimiento quimiotáctico bacteriano hacia la acetilcolina. El receptor PctD es capaz de unir acetilcolina y la determinación de la estructura tridimensional de la región de PctD que une la acetilcolina nos permitió definir las bases moleculares del reconocimiento de este neurotransmisor. Investigaciones previas en nuestros laboratorios demostraron que Pseudomonas aeruginosa exhibe quimiotaxis a otros dos neurotransmisores: la histamina y el ácido gamma aminobutírico (GABA) - sugiriendo que la quimiotaxis hacia este tipo de moléculas señal esenciales en el hospedador es crucial para la colonización de éste y para la virulencia del patógeno Pseudomonas aeruginosa.

Múltiples estudios han mostrado que la quimiotaxis juega un papel clave en la colonización de plantas por fitobacterias. De hecho, el análisis de miles de genomas bacterianos ha permitido determinar que las bacterias que viven en asociación con plantas presentan un mayor número de receptores implicados en la modulación de los movimientos quimiotácticos que las bacterias que no establecen interacciones con plantas. El conocimiento derivado de la identificación de moléculas quimioatrayentes que están presentes en exudados radiculares permitirá sentar las bases para el desarrollo de estrategias destinadas a optimizar la capacidad colonizadora de plantas por bacterias promotores del crecimiento. Asimismo, la quimiotaxis es esencial durante las fases iniciales de la infección en diferentes patógenos bacterianos de humanos, animales y vegetales, incluyendo Pseudomonas aeruginosa. Por este motivo, se ha propuesto que bloquear el funcionamiento de determinadas proteínas sensoras implicadas en quimiotaxis podría ser una estrategia alternativa al uso de antibióticos para combatir bacterias patógenas; una aproximación que tendría un alto impacto en nuestra salud dado el incremento en la aparición de bacterias multirresistentes a los antibióticos.

En resumen, nuestras investigaciones han permitido identificar a las proteínas PcpI y PctD como los primeros receptores de quimiotaxis que responden al ácido indolacético y la acetilcolina, respectivamente. Su caracterización amplía el abanico de moléculas señal que son reconocidas por quimiorreceptores bacterianos. Nuestros estudios realzan el papel de la detección de hormonas vegetales y neurotransmisores en el reconocimiento de hospedadores bacterianos - un aspecto que posibilita que las bacterias puedan dirigirse hacia ambientes más óptimos para su proliferación.

Información adicional en:

• Matilla, M.A., Velando, F., Martín-Mora, D., Monteagudo-Cascales, E., Krell, T. (2022) A catalogue of signal molecules that interact with sensor kinases, chemoreceptors and transcriptional regulators. FEMS Microbiology Reviews 46: fuab043.

• Rico-Jiménez, M., Roca, A., Krell, T., Matilla, M.A. (2022) A bacterial chemoreceptor that mediates chemotaxis to two different plant hormones. Environmental Microbiology (en prensa). doi: 10.1111/1462-2920.15920.

• Matilla, M.A., Velando, F., Tajuelo, A., Martín-Mora, D., Xu, W., Sourjik, V., José A. Gavira, J.A. y Krell, T. (2022) mBio (en prensa).

El Laboratorio de Estudios Cristalográficos (LEC) es una unidad de investigación del Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra (IACT), un centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad e Granada. El LEC tiene una amplia trayectoria en la investigación de los procesos de nucleación y crecimiento de cristales de prácticamente cualquier tipo de materia, desde la formación de los cristales gigantes de yeso en Naica o en Pulpí a la cristalización de moléculas biológicas como las proteínas.

Aunque estamos muy habituados a la presencia de materiales cristalinos en nuestro entorno, en microchips, joyas, paneles solares, etc., el hecho de cristalizar proteínas puede resultarnos algo más exótico. Sin embargo, aunque muy poco frecuente, las proteínas también pueden presentar un estado cristalino en su entorno fisiológico. Un ejemplo, poco deseado, es la precipitación de la proteína gamma-cristalina en los ojos que aparecen en edades avanzadas y que da lugar a las cataratas. Gracias a que es un material solido, es posible su eliminación quirúrgica. Otro ejemplo es la formación de cristales de insulina en los islotes de Langerhans del páncreas de muchos mamíferos. En este caso parece que estos cristales de insulina se emplean como almacenamiento o como sistema de protección de la insulina frente a enzimas que la puedan degradar (proteasas).

A pesar de su interés académico, estas observaciones no justificarían el esfuerzo que se ha realizado a nivel mundial, tanto en la sociedad civil como en las industrias farmacéuticas, para la obtención de cristales de proteínas. Mucho más frecuente es la cristalización de proteinas en laboratorio para determinar su estructura a escala atómica mediante la técnica de difracción de Rayos-X. Es lo que en el argot científico denominamos proteomica estructural. Las estructuras de las proteínas, la disposición de los átomos que la componen, es un puzle de miles de piezas que hay que ensamblar. Por poner una analogía un poco absurda seria muy difícil, casi imposible, armar un puzle sin luz y en la mayoría de los casos cuanta mas luz, mas fácil nos será. En el caso de las proteínas nuestra luz es algo especial, son los rayos-X, pero también cuanto mas intensa mejor, por eso empleamos la radiación generada en aceleradores de electrones como es el sincrotrón Alba de Barcelona.

El conocimiento de la disposición atómica en las proteínas, la estructura 3D, es lo que nos ayuda a entender su funcionamiento y lo que nos permite diseñar moléculas, fármacos, que faciliten o inhiban su acción. Por supuesto la cristalografía de rayos X no es la única técnica disponible para determinar la estructura de la proteínas, otras técnicas como la resonancia magnética nuclear (RMN) y la microscopía electrónica (EM) contribuyen a este conocimiento y no requieren de cristales pero tienen otras limitaciones que seguro iremos limando con el tiempo. En definitiva, a día de hoy mas del 90% de las estructuras de proteínas resultas se han generados a partir de los cristales de proteínas, nuestro foco de acción en el LEC. Nuestro grupo es pionero a nivel mundial en el desarrollo de las técnicas contradifusivas de cristalización de proteínas con varias patentes metodológicas y modelos de utilidad. Aunque conceptualmente hay una complejidad inherente para entender el funcionamiento de estas técnicas su implementación es muy fácil. De forma muy escueta y resumida podríamos decir que empleando capilares y geles conseguimos acercarnos a las condiciones de micro-gravedad que han demostrado ser beneficiosas para obtener cristales de buena calidad.

Sin embargo, en el LEC no nos limitamos a la producción de cristales para la determinación estructural, sino que hemos querido explorar otros potenciales usos de los cristales de proteínas dentro de lo que denominamos aplicaciones biotecnológicas y farmacológicas. Todas las insulinas que se usan para tratar la diabetes, salvo las de acción rápida, son en realidad una suspensión de micro-cristales de insulina. Tanto la insulina regular, la intermedia o la lenta son cristales de insulina normal, insulina mutada o complejos de insulina con otras moléculas como la protamina. En nuestro laboratorio hemos conseguido elaborar cristales compuesto de un hidrogel y la insulina normal, no modificada ni mutada, para que ésta se comporte como una insulina de tipo intermedio. El producto generado no solo es compatible con la administración controlada, sino que tiene una mayor estabilidad térmica. Esta prueba de concepto, aunque muy interesante en el caso de la insulina, lo que pone de manifiesto es la potencialidad de esta metodología para obtener productos farmacológicos o biotecnológicos de composición y propiedades controladas.

Por otro lado, en nuestra unidad buscamos como valorizar los cristales de proteínas en diferentes aplicaciones biotecnológicas. En todos los seres vivos la mayoría de las proteínas entran en la categoría de las enzimas. Las enzimas son las proteínas encargadas de crear, romper o modificar enlaces químicos y son por tanto las cadenas de montaje de la vida. Las enzimas son capaces de inducir reacciones químicas de forma más especifica y eficiente que cualquiera de los procesos químicos que hemos desarrollado los humanos. No obstante, son muy delicadas y difíciles de mantener en estado activo. Los cristales de enzima también comparten esa sensibilidad. A pesar de ser un solido, los cristales de proteína se asemejan a una esponja con grandes canales llenos de agua. En el LEC, hemos encontrado la forma de estabilizar estos cristales manteniendo la actividad de las enzimas que lo formana través de de los canales de agua. Recientemente hemos demostrado que podemos producir grandes cantidades de estos cristales enzimáticos de forma económica y potencialmente escalable a nivel industrial.

Así pues, con nuestros estudios hemos incorporado los cristales de proteínas, incluyendo los de enzimas, a la biotecnología, entendida como la explotación de los recursos que nos brindan los procesos biológicos para la obtención de soluciones técnicas o metodológicas aplicables a la obtención de productos y servicios de forma segura, eficaz y sostenible.