Bacillus anthracis es una bacteria grampositiva con forma de bastónque causa el ántrax , una enfermedad mortal para el ganado y, ocasionalmente, para los humanos. Es el único patógeno permanente ( obligado )dentro del género Bacillus . Su infección es un tipo de zoonosis , ya que se transmite de animales a humanos. [1] Fue descubierta por el médico alemán Robert Koch en 1876 y se convirtió en la primera bacteria en demostrarse experimentalmente como patógeno. El descubrimiento fue también la primera evidencia científica de la teoría de los gérmenes en las enfermedades . [2]
B. anthracis mide alrededor de 3 a 5 μm de largo y de 1 a 1,2 μm de ancho. El genoma de referencia consta de un cromosoma circular de 5.227.419 pb y dos plásmidos de ADN extracromosómicos , pXO1 y pXO2, de 181.677 y 94.830 pb respectivamente, [3] que son responsables de la patogenicidad. Forma una capa protectora llamada endospora por la que puede permanecer inactiva durante muchos años y repentinamente se vuelve infectiva en condiciones ambientales adecuadas. Debido a la resistencia de la endospora, la bacteria es una de las armas biológicas más populares . La cápsula proteica (ácido poli-D-gamma-glutámico) es clave para evadir la respuesta inmune. Se alimenta del hemo de la proteína sanguínea hemoglobina utilizando dos proteínas sideróforas secretoras , IsdX1 e IsdX2.
La infección por B. anthracis no tratada suele ser mortal. La infección está indicada por lesiones inflamatorias, negras y necróticas ( escaras ). Las llagas suelen aparecer en la cara, el cuello, los brazos o las manos. Los síntomas mortales incluyen fiebre parecida a la gripe, malestar en el pecho, diaforesis (sudoración excesiva) y dolores corporales. La primera vacuna animal contra el ántrax fue desarrollada por el químico francés Louis Pasteur en 1881. Actualmente se encuentran disponibles diferentes vacunas animales y humanas. La infección se puede tratar con antibióticos comunes como penicilinas , quinolonas y tetraciclinas .
B. anthracis son bacterias con forma de bastón , de aproximadamente 3 a 5 μm de largo y de 1 a 1,2 μm de ancho. [4] Cuando se cultivan , tienden a formar largas cadenas de bacterias. En placas de agar forman grandes colonias de varios milímetros de diámetro, generalmente de color blanco o crema. [4] La mayoría de las cepas de B. anthracis producen una cápsula que da a las colonias una apariencia viscosa parecida a una mucosidad. [4]
Es una de las pocas bacterias que se sabe que sintetiza una cápsula proteica antifagocítica y débilmente inmunogénica (ácido poli-D-gamma-glutámico) que disfraza la bacteria vegetativa del sistema inmunológico del huésped. [5] La mayoría de las bacterias están rodeadas por una cápsula de polisacárido en lugar de ácido poli-gD-glutámico, lo que proporciona una ventaja evolutiva a B. anthracis . Los polisacáridos están asociados con la adhesión de defensinas secretadas por neutrófilos que inactivan y degradan las bacterias. Al no contener esta macromolécula en la cápsula, B. anthracis puede evadir un ataque neutrofílico y seguir propagando la infección. La diferencia en la composición de la cápsula también es significativa porque se ha planteado la hipótesis de que el ácido poli-gD-glutámico crea una carga negativa que protege la fase vegetativa de las bacterias de la fagocitosis por parte de los macrófagos . [6] La cápsula se degrada a una masa molecular más baja y se libera de la superficie de la célula bacteriana para actuar como un señuelo para proteger a las bacterias del complemento . [7]
Al igual que Bordetella pertussis , forma una exotoxina de adenilato ciclasa dependiente de calmodulina conocida como factor de edema del ántrax , junto con el factor letal del ántrax . Tiene un gran parecido genotípico y fenotípico con Bacillus cereus y Bacillus thuringiensis . Las tres especies comparten dimensiones celulares y morfología . Todos forman esporas ovaladas ubicadas centralmente en un esporangio no hinchado . Las endosporas de B. anthracis , en particular, son muy resistentes y sobreviven a temperaturas extremas, ambientes bajos en nutrientes y tratamientos químicos agresivos durante décadas o siglos. [ cita necesaria ]
La endospora es una célula deshidratada con paredes gruesas y capas adicionales que se forman dentro de la membrana celular. Puede permanecer inactivo durante muchos años, pero si se encuentra en un entorno favorable, comienza a crecer nuevamente. Inicialmente se desarrolla dentro de una forma en forma de varilla. Características como la ubicación dentro de la varilla, el tamaño y la forma de la endospora y si hace que la pared de la varilla sobresalga o no son características de especies particulares de Bacillus . Dependiendo de la especie, las endosporas son redondas, ovaladas u ocasionalmente cilíndricas. Son altamente refractivos y contienen ácido dipicolínico . Las secciones de micrografía electrónica muestran que tienen una capa externa delgada de endosporas, una corteza de esporas gruesa y una membrana interna de esporas que rodea el contenido de las endosporas. Las endosporas resisten el calor, el secado y muchos desinfectantes (incluido el etanol al 95%). [8] Debido a estos atributos, las endosporas de B. anthracis son extraordinariamente adecuadas para usar (en forma de polvo y aerosol) como armas biológicas . Esta militarización se ha logrado en el pasado mediante al menos cinco programas estatales de armas biológicas (los del Reino Unido , Japón , Estados Unidos , Rusia e Irak ) y ha sido intentada por varios otros. [9]
B. anthracis tiene un solo cromosoma que es una molécula de ADN circular de 5.227.293 pb. [10] También tiene dos plásmidos de ADN bicatenario, extracromosómicos y circulares, pXO1 y pXO2. Tanto el plásmido pXO1 como el pXO2 son necesarios para una virulencia total y representan dos familias de plásmidos distintas. [11]
El plásmido pXO1 (182 kb) contiene los genes que codifican los componentes de la toxina del ántrax : pag (antígeno protector, PA), lef (factor letal, LF) y cya (factor de edema, EF). Estos factores están contenidos dentro de una isla de patogenicidad (PAI) de 44,8 kb . La toxina letal es una combinación de PA con LF y la toxina del edema es una combinación de PA con EF. El PAI también contiene genes que codifican un activador transcripcional AtxA y el represor PagR, los cuales regulan la expresión de los genes de la toxina del ántrax. [11]
pXO2 codifica un operón de cinco genes ( capBCADE ) que sintetiza una cápsula de ácido poli-γ-D-glutámico (poliglutamato). Esta cápsula permite a B. anthracis evadir el sistema inmunológico del huésped protegiéndose de la fagocitosis . La expresión del operón de la cápsula es activada por los reguladores transcripcionales AcpA y AcpB, ubicados en la isla de patogenicidad pXO2 (35 kb). La expresión de AcpA y AcpB está bajo el control de AtxA de pXO1. [11]
Las 89 cepas conocidas de B. anthracis incluyen:
La secuenciación del genoma completo ha hecho que la reconstrucción de la filogenia de B. anthracis sea extremadamente precisa. Un factor que contribuye a la reconstrucción es que B. anthracis es monomórfico, lo que significa que tiene una baja diversidad genética, incluida la ausencia de cualquier transferencia lateral de ADN medible desde su derivación como especie. La falta de diversidad se debe a una corta historia evolutiva que ha impedido la saturación mutacional en polimorfismos de un solo nucleótido . [13]
Un tiempo evolutivo corto no significa necesariamente un tiempo cronológico corto. Cuando se replica el ADN, se producen errores que se convierten en mutaciones genéticas. La acumulación de estas mutaciones con el tiempo conduce a la evolución de una especie. Durante el ciclo de vida de B. anthracis , pasa una cantidad significativa de tiempo en la etapa de depósito de esporas del suelo, en la que no se produce la replicación del ADN. Estos prolongados períodos de latencia han reducido en gran medida el ritmo evolutivo del organismo. [13]
B. anthracis pertenece al grupo de B. cereus formado por las cepas: B. cereus , B. anthracis , B. thuringiensis , B. mycoides y B. pseudomycoides . Las tres primeras cepas son patógenas u oportunistas para insectos o mamíferos, mientras que las tres últimas no se consideran patógenas. Las cepas de este grupo son genética y fenotípicamente heterogéneas en general, pero algunas de las cepas están más estrechamente relacionadas y filogenéticamente entremezcladas a nivel cromosómico. El grupo B. cereus generalmente exhibe genomas complejos y la mayoría porta un número variable de plásmidos. [11]
B. cereus es una bacteria que habita en el suelo y que puede colonizar el intestino de los invertebrados como simbionte [14] y es una causa frecuente de intoxicación alimentaria [15] . Produce una toxina emética, enterotoxinas y otros factores de virulencia. [16] Las enterotoxinas y los factores de virulencia están codificados en el cromosoma, mientras que la toxina emética está codificada en un plásmido de 270 kb, pCER270. [11]
B. thuringiensis es un microorganismo patógeno y se caracteriza por la producción de cristales paraesporales de toxinas insecticidas Cry y Cyt. [17] Los genes que codifican estas proteínas se encuentran comúnmente en plásmidos que pueden perderse del organismo, lo que los hace indistinguibles de B. cereus . [11]
Un análisis filogenómico del clado Cereus combinado con un análisis de identidad de nucleótidos promedio (ANI) reveló que la especie B. anthracis también incluye cepas anotadas como B. cereus y B. thuringiensis. [18]
PlcR es un regulador transcripcional global que controla la mayoría de los factores de virulencia secretados en B. cereus y B. thuringiensis . Está codificado cromosómicamente y es ubicuo en toda la célula. [19] Sin embargo, en B. anthracis , el gen plcR contiene un cambio de base única en la posición 640, una mutación sin sentido, que crea una proteína disfuncional. Si bien el 1% del grupo B. cereus porta un gen plcR inactivado , ninguno de ellos porta la mutación específica que se encuentra únicamente en B. anthracis . [20]
El gen plcR es parte de un operón de dos genes con papR . [21] [22] El gen papR codifica una pequeña proteína que se secreta desde la célula y luego se reimporta como un heptapéptido procesado formando un sistema de detección de quórum. [22] [23] La falta de PlcR en B. anthracis es una característica principal que lo diferencia de otros miembros del grupo B. cereus . Mientras que B. cereus y B. thuringiensis dependen del gen plcR para la expresión de sus factores de virulencia, B. anthracis depende de los plásmidos pXO1 y pXO2 para su virulencia. [11] Bacillus cereus biovar anthracis , es decir, B. cereus con los dos plásmidos, también es capaz de causar ántrax.
B. anthracis posee una cápsula antifagocítica esencial para una virulencia total. El organismo también produce tres exotoxinas codificadas por plásmidos: factor de edema, una adenilato ciclasa dependiente de calmodulina que causa la elevación del AMPc intracelular y es responsable del edema severo que generalmente se observa en las infecciones por B. anthracis , toxina letal que es responsable de causar necrosis tisular, y antígeno protector, llamado así debido a su uso en la producción de vacunas protectoras contra el ántrax, que media la entrada celular del factor de edema y la toxina letal. [ cita necesaria ]
Los síntomas del ántrax dependen del tipo de infección y pueden tardar desde 1 día hasta más de 2 meses en aparecer. Todos los tipos de ántrax tienen el potencial, si no se tratan, de propagarse por todo el cuerpo y causar enfermedades graves e incluso la muerte. [24]
Se reconocen cuatro formas de enfermedad del ántrax humano según su puerta de entrada.
Se han desarrollado varias vacunas contra el ántrax para uso preventivo en ganado y humanos. La vacuna contra el ántrax adsorbida (AVA) puede proteger contra el ántrax cutáneo y por inhalación. Sin embargo, esta vacuna sólo se usa en adultos en riesgo antes de la exposición al ántrax y no ha sido aprobada para su uso después de la exposición. [25] Las infecciones por B. anthracis se pueden tratar con antibióticos β-lactámicos como la penicilina y otros que son activos contra las bacterias grampositivas. [26] B. anthracis resistente a la penicilina se puede tratar con fluoroquinolonas como la ciprofloxacina o antibióticos de tetraciclina como la doxiciclina . [ cita necesaria ]
Los componentes del té , como los polifenoles , tienen la capacidad de inhibir considerablemente la actividad tanto de B. anthracis como de su toxina; las esporas, sin embargo, no se ven afectadas. La adición de leche al té inhibe completamente su actividad antibacteriana contra el ántrax. [27] La actividad contra B. anthracis en el laboratorio no prueba que beber té afecte el curso de una infección, ya que se desconoce cómo estos polifenoles se absorben y distribuyen en el cuerpo. B. anthracis se puede cultivar en agar PLET, un medio selectivo y diferencial diseñado para seleccionar específicamente B. anthracis .
Los avances en los métodos de genotipado han llevado a un mejor análisis genético de la variación y la relación. Estos métodos incluyen análisis de repetición en tándem ( MLVA ) de número variable de locus múltiples y sistemas de tipificación que utilizan polimorfismos canónicos de un solo nucleótido . El cromosoma ancestro de Ames fue secuenciado en 2003 [10] y contribuye a la identificación de genes implicados en la virulencia de B. anthracis . Recientemente, se aisló B. anthracis aislado H9401 de un paciente coreano que padecía ántrax gastrointestinal. El objetivo de la República de Corea es utilizar esta cepa como cepa de desafío para desarrollar una vacuna recombinante contra el ántrax. [12]
La cepa H9401 aislada en la República de Corea se secuenció utilizando tecnología 454 GS-FLX y se analizó utilizando varias herramientas bioinformáticas para alinear, anotar y comparar H9401 con otras cepas de B. anthracis . El nivel de cobertura de secuenciación sugiere una proporción molecular de pXO1:pXO2:cromosoma de 3:2:1 que es idéntica a las cepas Ames Florida y Ames Ancestor. H9401 tiene una homología de secuencia del 99,679 % con Ames Ancestor con una homología de secuencia de aminoácidos del 99,870 %. H9401 tiene un cromosoma circular (5.218.947 pb con 5.480 ORF predichos ), el plásmido pXO1 (181.700 pb con 202 ORF predichos) y el plásmido pXO2 (94.824 pb con 110 ORF predichos). [12] En comparación con el cromosoma Ames Ancestor anterior, el cromosoma H9401 es aproximadamente 8,5 kb más pequeño. Debido a la alta patogenicidad y similitud de secuencia con Ames Ancestor, la República de Corea utilizará H9401 como referencia para probar la eficacia de las vacunas candidatas contra el ántrax. [12]
Desde que se secuenció el genoma de B. anthracis, se están buscando formas alternativas de combatir esta enfermedad. Las bacterias han desarrollado varias estrategias para evadir el reconocimiento del sistema inmunológico. El mecanismo predominante para evitar la detección, empleado por todas las bacterias, es el camuflaje molecular. Ligeras modificaciones en la capa exterior que hacen que las bacterias sean prácticamente invisibles para las lisozimas. [28] Tres de estas modificaciones han sido identificadas y caracterizadas. Estos incluyen (1) N-glicosilación del ácido N-acetil-murámico, (2) O-acetilación del ácido N-acetilmurámico y (3) N-desacetilación de N-acetil-glucosamina. La investigación durante los últimos años se ha centrado en inhibir tales modificaciones. [29] Como resultado, se está investigando el mecanismo enzimático de las polisacáridos desacetilasas, que catalizan la eliminación de un grupo acetilo de la N-acetil-glucosamina y el ácido N-acetil-murámico, componentes de la capa de peptidoglicano. [ cita necesaria ]
Como ocurre con la mayoría de las otras bacterias patógenas, B. anthracis debe adquirir hierro para crecer y proliferar en el entorno de su huésped. Las fuentes de hierro más fácilmente disponibles para las bacterias patógenas son los grupos hemo utilizados por el huésped en el transporte de oxígeno. Para eliminar el hemo de la hemoglobina y la mioglobina del huésped , B. anthracis utiliza dos proteínas sideróforas secretoras , IsdX1 e IsdX2. Estas proteínas pueden separar el hemo de la hemoglobina, permitiendo que las proteínas de superficie de B. anthracis lo transporten al interior de la célula. [30]
B. anthracis debe evadir el sistema inmunológico para establecer una infección exitosa. Las esporas de B. anthracis son fagocitadas inmediatamente por macrófagos y células dendríticas una vez que ingresan al huésped. Las células dendríticas pueden controlar la infección mediante una eliminación intracelular eficaz, pero los macrófagos pueden transportar las bacterias directamente al interior del huésped atravesando una fina capa de células epiteliales o endoteliales para llegar al sistema circulatorio. [31] Normalmente, en el proceso de fagocitosis, el patógeno es digerido tras su internalización por el macrófago. Sin embargo, en lugar de degradarse, las esporas de ántrax secuestran la función del macrófago para evadir el reconocimiento del sistema inmunológico del huésped. La fagocitosis de las esporas de B. anthracis comienza cuando los receptores transmembrana de la membrana extracelular del fagocito interactúan con una molécula de la superficie de la espora. CD14, una proteína extracelular incrustada en la membrana del huésped, se une a los residuos de ramnosa de BclA, una glicoproteína del exosporium de B. anthracis , que promueve la activación de adentro hacia afuera de la integrina Mac-1, mejorando la internalización de las esporas por parte de los macrófagos. Esta cascada da como resultado la activación celular fagocítica y la inducción de una respuesta inflamatoria. [32]
La presencia de B. anthracis se puede determinar mediante muestras tomadas en superficies no porosas.
El médico francés Casimir Davaine (1812-1882) demostró que los síntomas del ántrax estaban invariablemente acompañados por el microbio B. anthracis . [33] Al médico alemán Aloys Pollender (1799-1879) se le atribuye el descubrimiento. B. anthracis fue la primera bacteria que se demostró de manera concluyente que causaba una enfermedad, por Robert Koch en 1876. [34] El nombre de la especie anthracis proviene del griego ántrax (ἄνθραξ), que significa "carbón" y se refiere a la forma más común de la enfermedad. ántrax cutáneo , en el que se forman grandes lesiones cutáneas de color negro . A lo largo del siglo XIX, el ántrax fue una infección que implicó varios avances médicos muy importantes. La primera vacuna que contenía organismos vivos fue la vacuna veterinaria contra el ántrax de Louis Pasteur. [35]
