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).

Las bacterias son organismos microscópicos responsables no solo de causar multitud de enfermedades en animales, plantas o humanos (bacterias patógenas), sino que también participan en numerosos procesos fundamentales para la vida. Así, múltiples bacterias beneficiosas participan en la digestión de nutrientes, en la promoción del crecimiento de plantas o en los ciclos biogeoquímicos de elementos esenciales como el carbono, oxígeno o nitrógeno. Sin embargo, no es tan conocida una habilidad que las bacterias comparten con los humanos y otros seres vivos: su capacidad para nadar.

Aproximadamente, la mitad de las bacterias saben nadar. Esta actividad la realizan mediante la rotación de uno o varios largos filamentos proteicos a modo de cola que se denominan flagelos. Los flagelos permanecen unidos a las bacterias a través de lo que se conoce como “motor flagelar”; una estructura compleja compuesta por al menos 50 proteínas diferentes e insertada en la periferia de la bacteria, la envoltura celular. A modo comparativo, la arquitectura del motor flagelar muestra similitudes con la de un motor eléctrico. Es decir, el motor flagelar está constituido por un anillo proteico denominado “estátor”, el cual presenta en su interior otro anillo que forma el “rotor” al cual está unido el flagelo. En su conjunto, el motor flagelar está propulsado por un gradiente de iones y la precisión de su engranaje permite que pueda girar a una velocidad de hasta 100.000 revoluciones por minuto. Sin embargo, este sistema presenta todavía un nivel superior de complejidad ya que el motor flagelar se encuentra asociado a un sofisticado mecanismo que permite orientar a la bacteria. Para ello, las bacterias poseen una serie de receptores extremadamente sensibles que posibilitan la detección de pequeñas concentraciones de compuestos de interés en su entorno; es decir, unos sensores muy especializados que se encuentran distribuidos por la envoltura celular de la bacteria. La detección de estos compuestos controla la actividad del motor flagelar y, en consecuencia, la dirección hacia donde la bacteria debe nadar; proceso denominado quimiotaxis.

Inicialmente se pensaba que los compuestos detectados eran básicamente “nutrientes” (en términos científicos, fuentes de carbono y nitrógeno). Sin embargo, más recientemente se ha descubierto la existencia de quimiotaxis frente compuestos que la bacteria no puede utilizar como nutrientes pero que, en cambio, le advierten de la presencia de otros organismos. Entre estos compuestos se encuentran, por ejemplo, hormonas de plantas y neurotransmisores humanos.

Un buen número de estudios han revelado que la quimiotaxis es un proceso clave para una multitud de bacterias; tanto beneficiosas como patógenas. Así, por ejemplo, la quimiotaxis juega un papel crucial en la colonización de las raíces de plantas por bacterias beneficiosas. Esta colonización es el resultado de la capacidad que presentan ciertas bacterias de detectar quimiotácticamente compuestos que liberan las plantas a través de sus raíces; los denominados exudados radiculares. Por ello, a través de la quimiotaxis hacia estos exudados, las bacterias acceden a un hábitat rico en nutrientes y adecuado para su crecimiento, mientras que compensan a la planta que colonizan con la promoción de su crecimiento y la protección frente a enfermedades vegetales. Alternativamente, la quimiotaxis también es de gran relevancia en bacterias patógenas. Es el caso de las bacterias que infectan plantas. Así, las superficies foliares suelen presentar una fina capa de agua que es suficiente para que las bacterias puedan nadar y desplazarse por su superficie. Este movimiento facilita la entrada de la bacteria en la planta a través, por ejemplo, de estomas o heridas; aberturas por las que las plantas secretan una serie de compuestos que las bacterias pueden detectar y, mediante quimiotaxis, se desplazan hacia ellas facilitando el proceso de infección. Como muestra de la importancia de la quimiotaxis en el desarrollo de una enfermedad bacteriana, un gran número de estudios ha demostrado que la inactivación de sistema quimiotáctico elimina la patogenicidad de una bacteria.

¿Cuál es la importancia de investigar los procesos quimiotácticos en bacterias? En primer lugar, poder optimizar el comportamiento quimiotáctico, permitiendo así mejorar o incluso programar el movimiento bacteriano hacía compuestos de interés; posibilitando, por ejemplo, una mejor colonización de raíces. En segundo lugar, conocer cómo se pueden bloquear los receptores quimiotácticos de manera específica mediante el empleo de inhibidores. La inhibición de la quimiotaxis permitiría desarrollar estrategias alternativas para combatir bacterias patógenas.

Mas información en:

Matilla ,M.A., Krell, T. (2018) The effect of bacterial chemotaxis on host infection and

pathogenicity. FEMS Microbiology Reviews 42(1). doi: 10.1093/femsre/fux052. PubMed PMID: 29069367