Los microorganismos participan en una amplia variedad de interacciones sociales, incluida la cooperación . Una conducta cooperativa es aquella que beneficia a un individuo (el receptor) distinto del que realiza la conducta (el actor). [1] Este artículo describe las diversas formas de interacciones cooperativas ( mutualismo y altruismo ) observadas en los sistemas microbianos, así como los beneficios que podrían haber impulsado la evolución de estas conductas complejas.
Los microorganismos, o microbios, abarcan los tres dominios de la vida : bacterias , arqueas y muchos eucariotas unicelulares, incluidos algunos hongos y protistas . Los microorganismos, que suelen definirse como formas de vida unicelulares que solo se pueden observar con un microscopio, fueron las primeras formas de vida celular y fueron fundamentales para crear las condiciones para la evolución de formas multicelulares más complejas.
Aunque los microbios son demasiado pequeños para verlos a simple vista, representan la abrumadora mayoría de la diversidad biológica y, por lo tanto, sirven como un excelente sistema para estudiar cuestiones evolutivas. Uno de esos temas que los científicos han examinado en los microbios es la evolución de los comportamientos sociales, incluida la cooperación. Una interacción cooperativa beneficia a un receptor y se selecciona en función de eso. En los sistemas microbianos, se ha documentado que las células que pertenecen al mismo taxón participan en interacciones cooperativas para realizar una amplia gama de comportamientos multicelulares complejos, como la dispersión, la búsqueda de alimento, la construcción de biopelículas , la reproducción, la guerra química y la señalización. Este artículo describirá las diversas formas de interacciones cooperativas observadas en los sistemas microbianos, así como los beneficios que podrían haber impulsado la evolución de estos comportamientos complejos.
Desde un punto de vista evolutivo, una conducta es social si tiene consecuencias de aptitud tanto para el individuo que la realiza (el actor) como para otro individuo (el receptor). Hamilton primero clasificó las conductas sociales según si las consecuencias que conllevan para el actor y el receptor son beneficiosas (aumentan la aptitud directa) o costosas (disminuyen la aptitud directa). [2] Con base en la definición de Hamilton, existen cuatro tipos únicos de interacciones sociales: mutualismo (+/+), egoísmo (+/−), altruismo (−/+) y rencor (−/−) (Tabla 1). El mutualismo y el altruismo se consideran interacciones cooperativas porque son beneficiosas para el receptor, y serán el foco de este artículo.
Explicar la cooperación sigue siendo uno de los mayores desafíos para la biología evolutiva, independientemente de si el comportamiento se considera mutuamente beneficioso o altruista. Según la teoría evolutiva clásica, un organismo solo se comportará de maneras que maximicen su propia aptitud . Por lo tanto, el origen de las interacciones cooperativas, o acciones de individuos que resultan en que otros individuos reciban beneficios de aptitud, parece contraintuitivo.
Las explicaciones teóricas de la evolución de la cooperación pueden clasificarse en dos categorías: beneficios directos de la aptitud o beneficios indirectos de la aptitud. Esto se desprende de la idea de Hamilton de 1964 de que los individuos obtienen aptitud inclusiva directamente a través de su impacto en su propia reproducción (efectos directos de la aptitud), así como a través de su impacto en la reproducción de individuos con genes relacionados (efectos indirectos de la aptitud). [2]
Tal vez las interacciones cooperativas más comunes que se observan en los sistemas microbianos son las de beneficio mutuo . Las interacciones sociales de beneficio mutuo brindan un beneficio directo en términos de aptitud física a ambos individuos involucrados, al mismo tiempo que compensan cualquier costo de realizar la conducta. [3] En un entorno con microbios individuales, el mutualismo se realiza con mayor frecuencia para aumentar el beneficio de aptitud física individual. Sin embargo, en una comunidad, los microorganismos interactuarán a gran escala para permitir la persistencia de la población, lo que de ese modo aumentará su propia aptitud física. [4]
La mayoría de las veces, los organismos que participan en estas conductas tienen un interés compartido en la cooperación. En los sistemas microbianos, esto se observa a menudo en la producción de moléculas metabólicamente costosas, conocidas como bienes públicos. Muchos microbios, especialmente las bacterias, producen numerosos bienes públicos que se liberan al entorno extracelular. La difusión que se produce permite que los organismos vecinos los utilicen, a pesar de que se producen para el individuo.
Un ejemplo muy popular de interacciones microbianas mutuamente beneficiosas implica la producción de sideróforos . Los sideróforos son moléculas que eliminan el hierro producidas por muchos taxones microbianos , incluidas las bacterias y los hongos. Estas moléculas se conocen como agentes quelantes y desempeñan un papel importante al facilitar la absorción y el metabolismo del hierro en el medio ambiente, ya que normalmente existe en forma insoluble. [5] Para que las bacterias accedan a este factor limitante, las células fabricarán estas moléculas y luego las secretarán en el espacio extracelular. [6] Una vez liberados, los sideróforos secuestrarán el hierro y formarán un complejo, que es reconocido por los receptores de las células bacterianas. Luego puede transportarse a la célula y reducirse, lo que hace que el hierro sea metabólicamente accesible para las bacterias. La producción de sideróforos se utiliza a menudo como un ejemplo de mutualismo, ya que los compuestos no están restringidos al uso individual. Siempre que el organismo posea un receptor para el complejo sideróforo-Fe (III), pueden absorberse y utilizarse. [7]
Existen muchas explicaciones que justifican la evolución de interacciones mutuamente beneficiosas. La más importante es que, para que la producción de bienes públicos sea beneficiosa desde el punto de vista evolutivo, la conducta debe proporcionar un beneficio directo al desempeño reproductivo del actor que supere el costo de realizar la conducta. [5] Esto se observa con mayor frecuencia en el caso del beneficio directo de la aptitud. Como las bacterias se encuentran con mayor frecuencia en colonias, es probable que las bacterias vecinas expresen una similitud genética. Por lo tanto, al aumentar las posibilidades de que una bacteria cercana crezca y se divida, el huésped aumenta su propio paso de material genético. En el caso de los sideróforos, se encontró una correlación positiva entre el parentesco entre linajes bacterianos y la producción de sideróforos. [6]
Sin embargo, las comunidades microbianas no solo se interesan por la supervivencia y la productividad de su propia especie. En una comunidad mixta, se ha descubierto que diferentes especies bacterianas se adaptan a distintas fuentes de alimento, incluidos los productos de desecho de otras especies, para evitar una competencia innecesaria. [8] Esto permite una mayor eficiencia para la comunidad en su conjunto.
Tener una comunidad equilibrada es muy importante para el éxito microbiano. En el caso de la producción de sideróforos, debe haber un equilibrio entre los microbios que gastan su energía para producir los agentes quelantes y aquellos que pueden utilizar los xenosideróforos. De lo contrario, los microbios explotadores acabarían superando a los productores, dejando una comunidad sin organismos capaces de producir sideróforos y, por tanto, incapaces de sobrevivir en condiciones de bajo contenido de hierro. Esta capacidad de equilibrio entre las dos poblaciones se está investigando actualmente. Se cree que se debe a la presencia de receptores de baja afinidad en los no productores, o a que los productores generan un mecanismo de interferencia mediado por toxinas. [9]
Si bien la producción de bienes públicos tiene como objetivo beneficiar a todos los individuos, también conduce a la evolución de tramposos, o individuos que no pagan el costo de producir un bien, pero aún así reciben beneficios (Figura 1). Para minimizar los costos de aptitud, la selección natural favorecerá a los individuos que no secretan mientras aprovechan las secreciones de sus vecinos. En una población de células secretoras de sideróforos, las células mutantes no secretoras no pagan el costo de la secreción, pero aún obtienen el mismo beneficio que los vecinos de tipo salvaje. Recientemente, Griffin et al. (2004) investigaron la naturaleza social de la producción de sideróforos en Pseudomonas aeruginosa . [10] Cuando las células se cultivaron en cultivo puro y se colocaron en un entorno limitante de hierro, las poblaciones de células que secretaban sideróforos ( tipo salvaje ) superaron a una población de mutantes no secretores. Por lo tanto, la producción de sideróforos es beneficiosa cuando el hierro es limitante. Sin embargo, cuando las mismas poblaciones se colocaron en un ambiente rico en hierro, la población mutante superó a la población de tipo salvaje, lo que demuestra que la producción de sideróforos es metabólicamente costosa. Finalmente, cuando tanto las bacterias de tipo salvaje como las mutantes se colocaron en la misma población mixta, los mutantes pueden obtener el beneficio de la producción de sideróforos sin pagar el costo y, por lo tanto, aumentar su frecuencia. Este concepto se conoce comúnmente como la tragedia de los comunes .
El dilema del prisionero es otra forma en que los biólogos evolutivos explican la presencia de trampas en los sistemas microbianos cooperativos. Originalmente formulado por Merrill Flood y Melvin Dresher en 1950, el dilema del prisionero es un problema fundamental en la teoría de juegos y demuestra que dos individuos podrían no cooperar incluso si es en el mejor interés de ambos hacerlo. En el dilema, dos individuos eligen si cooperar con el otro individuo o hacer trampa. La cooperación de ambos individuos da la mayor ventaja promedio. Sin embargo, si un individuo decide hacer trampa, obtendrá una mayor ventaja individual. Si el juego se juega solo una vez, hacer trampa es la estrategia superior ya que es la estrategia superior. Sin embargo, en situaciones biológicamente realistas, con interacciones repetidas (juegos), mutaciones y entornos heterogéneos, a menudo no hay una única solución estable y el éxito de las estrategias individuales puede variar en ciclos periódicos o caóticos interminables. La solución específica del juego dependerá fundamentalmente de la forma en que se implementen las iteraciones y de cómo se traduzcan los resultados en dinámicas de población y comunidad.
En la bacteria Escherichia coli , se puede observar una situación de dilema del prisionero cuando mutantes que exhiben un fenotipo de ventaja de crecimiento en fase estacionaria (GASP) [11] compiten con una cepa de tipo salvaje (WT) en un cultivo por lotes. [12] En tales entornos de cultivo por lotes, donde el entorno de crecimiento se homogeneiza agitando los cultivos, las células WT cooperan deteniendo el crecimiento bacteriano para evitar el colapso ecológico mientras que los mutantes GASP continúan creciendo desertando al mecanismo regulador de tipo salvaje. Como consecuencia de tal deserción a la autorregulación del crecimiento por parte de las células GASP, aunque se logran densidades celulares más altas en el corto plazo, se alcanza un colapso poblacional en el largo plazo debido a la tragedia de los comunes (Figura 1). Por el contrario, aunque las células WT no logran densidades poblacionales tan altas, sus poblaciones son sostenibles a la misma densidad en el largo plazo. Como lo predice la teoría, [13] en un entorno espacial como los implementados experimentalmente por los chips de microfluidos , la coexistencia entre las dos cepas es posible debido a la localización de las interacciones y la segregación espacial de los tramposos. [14] Cuando se les proporciona un entorno espacial de este tipo, las bacterias pueden autoorganizarse en patrones dinámicos de agregación celular, desegregación que garantizan que las células WT cooperadoras puedan cosechar los beneficios de la cooperación (Figura 2).
Greig y Travisano (2004) abordaron estas ideas con un estudio experimental sobre la levadura Saccharomyces cerevisiae . [15] S. cerevisiae posee múltiples genes que producen cada uno invertasa , una enzima que se secreta para digerir la sacarosa fuera de la célula. Como se discutió anteriormente, esta producción de bien público crea el potencial para que las células individuales hagan trampa robando el azúcar digerido por sus vecinas sin contribuir con la enzima ellas mismas. Greig y Travisano (2004) midieron la aptitud de un tipo tramposo (que poseía un número reducido de genes de invertasa) en relación con un cooperador (que contenía todos los genes de invertasa posibles). [15] Al manipular el nivel de interacción social dentro de la comunidad variando la densidad de población, encontraron que el tramposo es menos apto que el cooperador en niveles bajos de sociabilidad, pero más apto en comunidades densas. Por lo tanto, proponen que la selección para "hacer trampa" causa una variación natural en la cantidad de genes de invertasa que un individuo puede poseer, y que la variación en los genes de invertasa refleja una adaptación constante a un entorno biótico en constante cambio que es una consecuencia de la inestabilidad de las interacciones cooperativas.
El segundo tipo de interacciones cooperativas es el altruismo , o interacciones que son beneficiosas para el receptor pero costosas para el actor (-/+). Justificar el beneficio evolutivo del comportamiento altruista es un tema muy debatido. Una justificación común para la presencia de comportamientos altruistas es que proporcionan un beneficio indirecto porque el comportamiento está dirigido hacia otros individuos que llevan el gen cooperativo. [2] La razón más simple y más común para que dos individuos compartan genes en común es que sean parientes genealógicos (parientes), y por eso esto a menudo se denomina selección de parentesco . [16] Según Hamilton, un acto altruista es evolutivamente beneficioso si el parentesco del individuo que se beneficia del acto altruista es mayor que la relación costo/beneficio que impone este acto. Esta lógica se conoce como la regla de Hamilton .
La selección natural normalmente favorece a un gen si aumenta la reproducción, porque la descendencia comparte copias de ese gen. Sin embargo, un gen también puede verse favorecido si ayuda a otros parientes, que también comparten copias. Por lo tanto, al ayudar a un pariente cercano a reproducirse, un individuo sigue transmitiendo sus propios genes a la siguiente generación, aunque de forma indirecta. Hamilton señaló que la selección de parentesco podría ocurrir a través de dos mecanismos: (a) discriminación de parentesco , cuando la cooperación se dirige preferentemente hacia los parientes, y (b) dispersión limitada (viscosidad de la población), que mantiene a los parientes en proximidad espacial entre sí, lo que permite que la cooperación se dirija indiscriminadamente hacia todos los vecinos (que tienden a ser parientes). [2] En los sistemas microbianos, estos dos mecanismos son igualmente importantes. Por ejemplo, la mayoría de las poblaciones microbianas a menudo comienzan a partir de un pequeño número de colonizadores. Debido a que la mayoría de los microbios se reproducen asexualmente , los parientes genéticos cercanos rodearán las células a medida que la población crece. Estas poblaciones clonales a menudo dan como resultado una densidad extremadamente alta, especialmente en sistemas terrestres. Por lo tanto, la probabilidad de que el comportamiento altruista de una célula beneficie a un pariente cercano es extremadamente alta.
Si bien las conductas altruistas son más comunes entre individuos con un alto grado de parentesco genético, no es completamente necesario. Las conductas altruistas también pueden ser beneficiosas desde el punto de vista evolutivo si la cooperación se dirige hacia individuos que comparten el gen de interés, independientemente de si esto se debe a la coascendencia o a algún otro mecanismo. [17] Un ejemplo de esto se conoce como el mecanismo de la " barba verde ", y requiere un solo gen (o varios genes estrechamente vinculados) que cause la conducta cooperativa y que pueda ser reconocida por otros individuos debido a un marcador fenotípico distintivo , como la barba verde. [2]
El moho mucilaginoso más estudiado desde esta perspectiva es Dictyostelium discoideum , un depredador de bacterias que es común en el suelo. Cuando mueren de hambre, las amebas unicelulares generalmente solitarias se agregan y forman una babosa multicelular que puede contener 10 4 –10 6 células. Esta babosa migra a la superficie del suelo, donde se transforma en un cuerpo fructífero compuesto por una punta esférica de esporas y un tallo que consiste en células del tallo no viables que sostienen las esporas en lo alto (Figura 2). Aproximadamente el 20% de las células se desarrollan en el tallo no reproductivo, elevando las esporas y ayudando a su dispersión. [18]
La muerte celular programada (PCD) es otra forma sugerida de comportamiento altruista microbiano. Aunque la muerte celular programada (también conocida como apoptosis o autólisis ) claramente no proporciona ningún beneficio directo de aptitud, puede ser adaptativa evolutivamente si proporciona beneficios indirectos a individuos con alta relación genética ( selección de parentesco ). Se han sugerido varias posibilidades altruistas para la PCD, como proporcionar recursos que podrían ser utilizados por otras células para el crecimiento y la supervivencia en Saccharomyces cerevisiae . [19] [20] Si bien el uso de la selección de parentesco para explicar los beneficios evolutivos de la PCD es común, el razonamiento contiene algunos problemas inherentes. Charlesworth (1978) señaló que es extremadamente difícil que un gen que causa suicidio se propague porque solo los parientes que NO comparten el gen se beneficiarían en última instancia. [21] Por lo tanto, la posible solución a este problema en los microbios es que la selección podría favorecer una baja probabilidad de PCD entre una gran población de células, posiblemente dependiendo de la condición individual, las condiciones ambientales o la señalización.
La integración de interacciones cooperativas y comunicativas parece ser extremadamente importante para los microbios; por ejemplo, entre el 6 y el 10 % de todos los genes de la bacteria Pseudomonas aeruginosa están controlados por sistemas de señalización célula-célula. [22] Una forma en que los microbios se comunican y organizan entre sí para participar en interacciones cooperativas más avanzadas es a través de la detección de quórum . La detección de quórum describe el fenómeno en el que la acumulación de moléculas de señalización en el entorno circundante permite que una sola célula evalúe el número de individuos (densidad celular) para que la población en su conjunto pueda dar una respuesta coordinada. Esta interacción es bastante común entre los taxones bacterianos e implica la secreción por células individuales de moléculas "señalizadoras", llamadas autoinductores o feromonas . Estas bacterias también tienen un receptor que puede detectar específicamente la molécula de señalización. Cuando el inductor se une al receptor, activa la transcripción de ciertos genes, incluidos los de la síntesis del inductor. Existe una baja probabilidad de que una bacteria detecte su propio inductor secretado. Por lo tanto, para que se active la transcripción génica, la célula debe encontrar moléculas de señalización secretadas por otras células en su entorno. Cuando sólo hay unas pocas bacterias del mismo tipo en las proximidades, la difusión reduce la concentración del inductor en el medio circundante a casi cero, por lo que las bacterias producen poco inductor. Sin embargo, a medida que la población crece, la concentración del inductor pasa un umbral, lo que hace que se sintetice más inductor. Esto forma un bucle de retroalimentación positiva y el receptor se activa por completo. La activación del receptor induce la regulación positiva de otros genes específicos, lo que hace que todas las células comiencen la transcripción aproximadamente al mismo tiempo. En otras palabras, cuando la concentración local de estas moléculas ha alcanzado un umbral, las células responden activando genes particulares. De esta manera, las células individuales pueden detectar la densidad local de bacterias, de modo que la población en su conjunto puede dar una respuesta coordinada. [23]
En muchas situaciones, el costo que pagan las células bacterianas para coordinar comportamientos supera los beneficios a menos que haya un número suficiente de colaboradores. Por ejemplo, la luciferasa bioluminiscente producida por Vibrio fischeri no sería visible si fuera producida por una sola célula. Al utilizar el quorum sensing para limitar la producción de luciferasa a situaciones en las que las poblaciones de células son grandes, las células de V. fischeri pueden evitar desperdiciar energía en la producción de productos inútiles. En muchas situaciones, las actividades bacterianas, como la producción de los bienes públicos mencionados, solo valen la pena como una actividad conjunta de un número suficiente de colaboradores. La regulación mediante quorum sensing permitiría a las células expresar el comportamiento apropiado solo cuando sea efectivo, ahorrando así recursos en condiciones de baja densidad. Por lo tanto, el quorum sensing se ha interpretado como un sistema de comunicación bacteriano para coordinar comportamientos a nivel de población.
La bacteria oportunista Pseudomonas aeruginosa también utiliza el quórum sensing para coordinar la formación de biopelículas , la motilidad de enjambre , la producción de exopolisacáridos y la agregación celular. [24] Estas bacterias pueden crecer dentro de un huésped sin dañarlo, hasta que alcanzan una cierta concentración. Luego se vuelven agresivas, su número es suficiente para superar el sistema inmunológico del huésped y forman una biopelícula, lo que lleva a la enfermedad dentro del huésped. Otra forma de regulación genética que permite a las bacterias adaptarse rápidamente a los cambios circundantes es a través de la señalización ambiental. Estudios recientes han descubierto que la anaerobiosis puede afectar significativamente el principal circuito regulador del quórum sensing. Este importante vínculo entre el quórum sensing y la anaerobiosis tiene un impacto significativo en la producción de factores de virulencia de este organismo. [25] Se espera que la degradación enzimática terapéutica de las moléculas de señalización evite la formación de tales biopelículas y posiblemente debilite las biopelículas establecidas. La interrupción del proceso de señalización de esta manera se denomina inhibición de quórum.
S. pneumoniae ha desarrollado un sistema cooperativo complejo de detección de quórum que regula la producción de bacteriocinas , así como la entrada en el estado competente necesario para la transformación genética natural . [26] En S. pneumoniae naturalmente competente , el estado competente, en lugar de ser una propiedad constitutiva, es inducido por una feromona peptídica que implica un mecanismo de detección de quórum. [27] La inducción de la competencia provoca la liberación de ADN de una subfracción de la población de S. pneumoniae , muy probablemente por lisis celular. Posteriormente, la mayoría de las células de S. pneumoniae que son inducidas a la competencia actúan como receptoras y absorben el ADN que es liberado por los donantes. [27] La transformación natural en S. pneumoniae es probablemente un mecanismo cooperativo natural para promover la recombinación genética que es similar al sexo en organismos superiores. [27] A pesar de la disponibilidad de vacunas efectivas, S. pneumoniae es responsable de la muerte de más de un millón de personas al año. [28]
V. cholerae tiene la capacidad de comunicarse fuertemente a nivel celular, y este proceso es reconocido como una forma de detección de quórum cooperativa. [29] [30] Dos estímulos diferentes que se encuentran en el intestino delgado, la ausencia de oxígeno y la presencia de sales biliares producidas por el huésped , afectan la función de detección de quórum de V. cholerae y, por lo tanto, su patogenicidad. [31] La detección de quórum cooperativa probablemente contribuye a la transformación genética natural , un proceso que incluye la captación de ADN extracelular de V. cholerae por células ( competentes ) de V. cholerae . [32] V. cholerae es un patógeno bacteriano que causa el cólera , una enfermedad que se asocia con diarrea contagiosa grave que afecta a millones de personas en todo el mundo.
Al menos 80 especies de bacterias parecen ser capaces de transformación, divididas aproximadamente de manera uniforme entre bacterias Gram-positivas y Gram-negativas. [33]
Si bien la evolución de las interacciones cooperativas permitió que los taxones microbianos aumentaran su aptitud, se plantea la hipótesis de que la cooperación proporcionó una causa próxima a otras transiciones evolutivas importantes , incluida la evolución de la multicelularidad . [34] Esta idea, a menudo denominada teoría colonial, fue propuesta por primera vez por Haeckel en 1874 y afirma que la simbiosis de muchos organismos de la misma especie (a diferencia de la teoría simbiótica, que sugiere la simbiosis de diferentes especies) condujo a un organismo multicelular. En algunos casos, la multicelularidad ocurre cuando las células se separan y luego se vuelven a unir (por ejemplo, mohos mucilaginosos celulares), mientras que para la mayoría de los tipos multicelulares, la multicelularidad ocurre como consecuencia de que las células no se separan después de la división. [35] El mecanismo de esta última formación de colonias puede ser tan simple como una citocinesis incompleta, aunque también se considera que la multicelularidad generalmente involucra la diferenciación celular. [36]
La ventaja de la hipótesis de la teoría colonial es que se ha visto que ocurre de forma independiente numerosas veces (en 16 filos diferentes de protoctistanos). Por ejemplo, durante la escasez de alimentos, las células de Dictyostelium discoideum se agrupan en una colonia que se traslada como una sola a una nueva ubicación. Algunas de estas células luego se diferencian ligeramente entre sí. Otros ejemplos de organización colonial en protozoos son Volvocaceae , como Eudorina y Volvox . Sin embargo, a menudo puede ser difícil separar los protistas coloniales de los verdaderos organismos multicelulares, ya que los dos conceptos no son distintos. Este problema afecta a la mayoría de las hipótesis sobre cómo podría haber ocurrido la multicelularización.
