La plasticidad morfológica bacteriana se refiere a los cambios en la forma y el tamaño que experimentan las células bacterianas cuando se encuentran con entornos estresantes. Aunque las bacterias han desarrollado estrategias moleculares complejas para mantener su forma, muchas son capaces de alterar su forma como estrategia de supervivencia en respuesta a depredadores protistas , antibióticos , la respuesta inmunitaria y otras amenazas. [1]
Normalmente, las bacterias tienen diferentes formas y tamaños que incluyen cocos, bastones y espirales/helicoidales (entre otras menos comunes) y que permiten su clasificación. Por ejemplo, las formas de bastones pueden permitir que las bacterias se adhieran más fácilmente en entornos con tensión de corte (por ejemplo, en agua corriente). Los cocos pueden tener acceso a poros pequeños, creando más sitios de unión por célula y ocultándose de las fuerzas de corte externas. Las bacterias espirales combinan algunas de las características de los cocos (huellas pequeñas) y de los filamentos (más área de superficie sobre la que pueden actuar las fuerzas de corte) y la capacidad de formar un conjunto ininterrumpido de células para construir biopelículas. Varias bacterias alteran su morfología en respuesta a los tipos y concentraciones de compuestos externos. Los cambios en la morfología bacteriana ayudan a optimizar las interacciones con las células y las superficies a las que se adhieren. Este mecanismo se ha descrito en bacterias como Escherichia coli y Helicobacter pylori. [2]
El estrés oxidativo, la limitación de nutrientes, el daño del ADN y la exposición a antibióticos son ejemplos de factores estresantes que hacen que las bacterias detengan la formación del septo y la división celular. Se ha considerado que las bacterias filamentosas son miembros de la población que sufren estrés excesivo, están enfermas y moribundas. Sin embargo, los miembros filamentosos de algunas comunidades tienen papeles vitales en la existencia continua de la población, ya que el fenotipo filamentoso puede conferir protección contra entornos letales. [3] Las bacterias filamentosas pueden tener más de 90 μm de longitud [4] y desempeñan un papel importante en la patogénesis de la cistitis humana . Las formas filamentosas surgen a través de varios mecanismos diferentes. [5]
Algunas de las estrategias de las bacterias para evadir las defensas del huésped incluyen la generación de estructuras filamentosas. Como se ha observado en otros organismos (como los hongos), las formas filamentosas son resistentes a la fagocitosis. Como ejemplo de esto, durante la infección del tracto urinario, las estructuras filamentosas de E. coli uropatógena (UPEC) comienzan a desarrollarse en respuesta a la respuesta inmune innata del huésped (más exactamente en respuesta al receptor tipo Toll 4- TLR4 ). TLR-4 es estimulado por el lipopolisacárido (LPS) y recluta neutrófilos ( PMN ) que son leucocitos importantes para eliminar estas bacterias. Adoptando estructuras filamentosas, las bacterias resisten a estas células fagocíticas y a su actividad neutralizante (que incluye péptidos antimicrobianos , enzimas degradativas y especies reactivas de oxígeno ). Se cree que la filamentación se induce como respuesta al daño del ADN (por los mecanismos expuestos anteriormente), participando el mecanismo SulA y factores adicionales. Además, la longitud de las bacterias filamentosas podría tener una mayor adherencia a las células epiteliales, con un mayor número de adhesinas participando en la interacción, haciendo aún más difícil el trabajo para los PMN . La interacción entre las células fagocíticas y las bacterias que adoptan forma filamentosa proporciona una ventaja para su supervivencia. En este sentido, la filamentación podría ser no sólo un factor de virulencia, sino también de resistencia en estas bacterias. [5]
Las bacterias presentan un alto grado de "plasticidad morfológica" que las protege de la depredación. La captura bacteriana por parte de los protozoos se ve afectada por el tamaño y las irregularidades en la forma de las bacterias. Las bacterias de gran tamaño, filamentosas o protésicas pueden ser demasiado grandes para ser ingeridas. Por otro lado, otros factores como células extremadamente pequeñas, movilidad a alta velocidad, adherencia tenaz a las superficies, formación de biopelículas y conglomerados multicelulares también pueden reducir la depredación. Varias características fenotípicas de las bacterias están adaptadas para escapar de la presión de pastoreo de los protistas. [10] [11]
El pastoreo de protistos o bacterivoría es un protozoo que se alimenta de bacterias. Afecta el tamaño de los procariotas y la distribución de los grupos microbianos. Existen varios mecanismos de alimentación que utilizan para buscar y capturar presas, porque las bacterias tienen que evitar ser consumidas por estos factores. Kevin D. Young enumera seis mecanismos de alimentación. [2]
Las respuestas bacterianas se obtienen dependiendo de las combinaciones de depredador y presa porque los mecanismos de alimentación difieren entre los protistos. Además, los protistos que pastan también producen subproductos, que conducen directamente a la plasticidad morfológica de las bacterias presa. Por ejemplo, los fenotipos morfológicos de Flectobacillus spp. se evaluaron en presencia y ausencia del pastoreo flagelado Orchromonas spp. en un laboratorio que tiene control ambiental dentro de un quimiostato . Sin pastoreo y con un suministro adecuado de nutrientes, Flectobacillus spp. creció principalmente en bastones de tamaño mediano (4-7 μm), permaneciendo con una longitud típica de 6,2 μm. Con el depredador, el tamaño de Flectobacillus spp. se alteró a un promedio de 18,6 μm y es resistente al pastoreo. Si las bacterias están expuestas a los subproductos solubles producidos por el pastoreo de Orchromonas spp. y pasan a través de una membrana de diálisis, la longitud bacteriana puede aumentar a un promedio de 11,4 μm. [12] La filamentación ocurre como una respuesta directa a estos efectores que son producidos por el depredador y existe una preferencia de tamaño para el pastoreo que varía para cada especie de protisto. [1] Las bacterias filamentosas que tienen más de 7 μm de longitud generalmente no son comestibles para los protistos marinos. Esta clase morfológica se llama resistente al pastoreo . [13] Por lo tanto, la filamentación conduce a la prevención de la fagocitosis y la matanza por parte del depredador. [1]
El efecto bimodal es una situación en la que las células bacterianas de un tamaño intermedio son consumidas más rápidamente que las muy grandes o las muy pequeñas. Las bacterias, que tienen un diámetro inferior a 0,5 μm, son consumidas por los protistos entre cuatro y seis veces menos que las células más grandes. Además, las células filamentosas o las células con diámetros superiores a 3 μm suelen ser demasiado grandes para ser ingeridas por los protistos o son consumidas a tasas sustancialmente inferiores a las de las bacterias más pequeñas. Los efectos específicos varían con la relación de tamaño entre el depredador y la presa. Pernthaler et al. clasificaron las bacterias susceptibles en cuatro grupos según su tamaño aproximado. [14]
Las presas filamentosas son resistentes a la depredación de los protistas en varios ambientes marinos. De hecho, no existe ninguna bacteria que sea completamente segura. Algunos depredadores rozan los filamentos más grandes hasta cierto punto. La plasticidad morfológica de algunas cepas bacterianas puede manifestarse en diferentes condiciones de crecimiento. Por ejemplo, a tasas de crecimiento mejoradas, algunas cepas pueden formar morfotipos grandes similares a filamentos. Mientras que la formación de filamentos en subpoblaciones puede ocurrir durante la inanición o en condiciones de crecimiento subóptimas. Estos cambios morfológicos podrían ser desencadenados por señales químicas externas que podrían ser liberadas por el propio depredador. [11]
Además del tamaño bacteriano, hay varios factores que afectan la depredación de los protistos. La forma bacteriana, la morfología espiral puede desempeñar un papel defensivo contra la alimentación depredatoria. Por ejemplo, Arthrospira puede reducir su susceptibilidad a la depredación alterando su paso espiral. Esta alteración inhibe alguna característica geométrica natural del aparato de ingestión del protisto. Los complejos multicelulares de células bacterianas también cambian la capacidad de ingestión del protisto. Las células en biopelículas o microcolonias suelen ser más resistentes a la depredación. Por ejemplo, las células de enjambre de Serratia liquefaciens resisten la depredación de su depredador, Tetrahymenu . Debido a que las células de tamaño normal que primero entran en contacto con una superficie son las más susceptibles, [15] las bacterias necesitan células de enjambre que se alarguen para protegerlas de la depredación hasta que madure la biopelícula. [16] Las bacterias acuáticas pueden producir una amplia gama de sustancias poliméricas extracelulares (EPS), que comprenden proteínas , ácidos nucleicos , lípidos , polisacáridos y otras macromoléculas biológicas . La secreción de EPS protege a las bacterias del pastoreo de HNF. Las bacterias planctónicas productoras de EPS suelen desarrollar subpoblaciones de células individuales y microcolonias que están incrustadas en una matriz de EPS. Las microcolonias más grandes también están protegidas de la depredación flagelada debido a su tamaño. El cambio al tipo colonial puede ser una consecuencia pasiva de la alimentación selectiva de células individuales. Sin embargo, la formación de microcolonias puede inducirse específicamente en presencia de depredadores mediante la comunicación célula-célula ( detección de quórum ). [15]
En cuanto a la motilidad bacteriana, las bacterias con motilidad de alta velocidad a veces evitan el pastoreo mejor que sus cepas no móviles o más lentas [5] [11] especialmente las bacterias más pequeñas y rápidas. Además, la estrategia de movimiento de una célula puede ser alterada por la depredación. Las bacterias se mueven por la estrategia de correr y revertir, lo que las ayuda a batirse en retirada apresurada antes de ser atrapadas en lugar de moverse por la estrategia de correr y dar volteretas . [17] Sin embargo, hay un estudio que mostró que la probabilidad de contactos aleatorios entre depredadores y presas aumenta con la natación bacteriana, y las bacterias móviles pueden ser consumidas a tasas más altas por los HNF. [18] Además, las propiedades de la superficie bacteriana afectan a la depredación, así como a otros factores. Por ejemplo, hay evidencia que muestra que los protistas prefieren bacterias gramnegativas que bacterias grampositivas. Los protistas consumen células grampositivas a tasas mucho más bajas que las células gramnegativas. Los nanoflagelados heterotróficos también evitan activamente el pastoreo de actinobacterias grampositivas. El pastoreo de células grampositivas requiere un tiempo de digestión más largo que el de las gramnegativas. [11] [19] Como resultado de esto, el depredador no puede controlar más presas hasta que el material ingerido previamente sea consumido o expulsado. Además, también se ha sugerido que la carga superficial celular bacteriana y la hidrofobicidad podrían reducir la capacidad de pastoreo. [20] Otra estrategia que las bacterias pueden utilizar para evitar la depredación es envenenar a su depredador. Por ejemplo, ciertas bacterias como Chromobacterium violaceum y Pseudomonas aeruginosa pueden secretar agentes tóxicos relacionados con la detección de quórum para matar a sus depredadores. [11]
Los antibióticos pueden inducir una amplia gama de cambios morfológicos en las células bacterianas, incluyendo la formación de esferoplastos , protoplastos y células ovoides, filamentación (elongación celular), hinchazón localizada, formación de abultamiento, formación de ampollas , ramificación, curvatura y torsión. [21] [4] Algunos de estos cambios están acompañados de una susceptibilidad alterada a los antibióticos o una virulencia bacteriana alterada. En pacientes tratados con antibióticos β-lactámicos , por ejemplo, es común encontrar bacterias filamentosas en sus muestras clínicas. La filamentación está acompañada tanto de una disminución de la susceptibilidad a los antibióticos [1] como de un aumento de la virulencia bacteriana. [22] Esto tiene implicaciones tanto para el tratamiento de la enfermedad como para su progresión. [1] [22]
Los antibióticos utilizados para tratar la infección por Burkholderia pseudomallei (melioidosis), por ejemplo, β-lactámicos, fluoroquinolonas e inhibidores de la síntesis de timidina , pueden inducir la filamentación y otros cambios fisiológicos. [22] La capacidad de algunos antibióticos β-lactámicos para inducir la filamentación bacteriana es atribuible a su inhibición de ciertas proteínas de unión a la penicilina (PBP). Las PBP son responsables del ensamblaje de la red de peptidoglicano en la pared celular bacteriana. La inhibición de PBP-2 cambia las células normales a esferoplastos , mientras que la inhibición de PBP-3 cambia las células normales a filamentos. PBP-3 sintetiza el tabique en las bacterias en división, por lo que la inhibición de PBP-3 conduce a la formación incompleta de tabiques en las bacterias en división, lo que resulta en la elongación celular sin separación. [23] Se ha demostrado que la ceftazidima , la ofloxacina , la trimetoprima y el cloranfenicol inducen la filamentación. El tratamiento a la concentración inhibitoria mínima (CIM) o por debajo de ella induce la filamentación bacteriana y disminuye la muerte dentro de los macrófagos humanos . Los filamentos de B. pseudomallei vuelven a sus formas normales cuando se eliminan los antibióticos, y las células hijas mantienen la capacidad de división celular y la viabilidad cuando se vuelven a exponer a los antibióticos. [22] Por lo tanto, la filamentación puede ser una estrategia de supervivencia bacteriana. En Pseudomonas aeruginosa , la filamentación inducida por antibióticos parece desencadenar un cambio de la fase de crecimiento normal a la fase de crecimiento estacionario. Las bacterias filamentosas también liberan más endotoxina (lipopolisacárido), una de las toxinas responsables del choque séptico . [23]
Además del mecanismo descrito anteriormente, algunos antibióticos inducen la filamentación a través de la respuesta SOS . Durante la reparación del daño del ADN, la respuesta SOS ayuda a la propagación bacteriana al inhibir la división celular. El daño del ADN induce la respuesta SOS en E. coli a través del sistema de transducción de señales de dos componentes DpiBA , lo que lleva a la inactivación del producto del gen ftsL, la proteína de unión a la penicilina 3 (PBP-3). El gen ftsL es un grupo de genes sensibles a la temperatura de filamentación que se utilizan en la división celular. Su producto (PBP-3), como se mencionó anteriormente, es una transpeptidasa de membrana necesaria para la síntesis de peptidoglicano en el tabique. La inactivación del producto del gen ftsL requiere los genes promotores de SOS recA y lexA, así como dpiA, e inhibe transitoriamente la división celular bacteriana . El DpiA es el efector del sistema de dos componentes DpiB. La interacción de DpiA con los orígenes de replicación compite con la unión de las proteínas de replicación DnaA y DnaB. Cuando se sobreexpresa, DpiA puede interrumpir la replicación del ADN e inducir la respuesta SOS, lo que da como resultado la inhibición de la división celular. [24]
El estrés nutricional puede cambiar la morfología bacteriana. Una alteración común de la forma es la filamentación, que puede ser provocada por una disponibilidad limitada de uno o más sustratos, nutrientes o aceptores de electrones. Dado que el filamento puede aumentar el área de superficie de absorción de una célula sin cambiar significativamente su volumen, la filamentación beneficia a las células bacterianas que se adhieren a una superficie porque aumenta el área de superficie específica en contacto directo con el medio sólido. Además, la filamentación puede permitir que las células bacterianas accedan a los nutrientes al mejorar la posibilidad de que parte del filamento entre en contacto con una zona rica en nutrientes y pase compuestos al resto de la biomasa celular. [2] Por ejemplo, Actinomyces israelii crece como varillas filamentosas o ramificadas en ausencia de fosfato, cisteína o glutatión. Sin embargo, vuelve a una morfología regular similar a una varilla cuando se le agregan nuevamente estos nutrientes. [25]