Nuevos conocimientos sobre el sistema inmunitario bacteriano

Un equipo de investigación de la Universidad de Keele describe un mecanismo de defensa poco conocido en bacterias que bloquea selectivamente información genética extraña y potencialmente dañina.

Desde la pandemia del coronavirus se ha puesto de manifiesto la capacidad evolutiva particularmente rápida de microorganismos como bacterias o virus. Por ejemplo, cuando los virus desarrollan la capacidad de infectar nuevos organismos huéspedes o las bacterias desarrollan resistencia a los antibióticos, la internalización de nueva información genética de otros microorganismos les permite expresar rápidamente rasgos evolutivamente ventajosos.

Por ejemplo, las bacterias toman ADN extraño a través de un proceso llamado transferencia horizontal de genes, que es mucho más rápido que la herencia vertical de generación en generación.

Sin embargo, todo organismo también enfrenta riesgos al adquirir información genética ajena, ya que puede ser peligroso si, por ejemplo, se dañan genes importantes al integrarse en su propio cromosoma, lo que genera defectos significativos para el organismo en su conjunto. Por lo tanto, las bacterias han desarrollado varios mecanismos que las protegen de la absorción de ADN dañino. Muchos de los procesos moleculares implicados se han descubierto en los últimos años, lo que ha dado lugar a una versión moderna del término «sistema inmunitario bacteriano».

Ahora, un equipo del grupo de Bioquímica Microbiana y Biología Celular del Instituto de Microbiología General de la Universidad de Keele ha demostrado la función de un nuevo mecanismo de defensa que puede identificar y, si es necesario, descomponer ciertas estructuras de ADN móviles y autónomas llamadas plásmidos en bacterias. . Células: distinguir entre información genética beneficiosa y dañina.

Usando la bacteria Corynebacterium glutamicum como ejemplo, los investigadores demostraron que el llamado sistema de proteínas Mks contiene un elemento adicional que puede unirse y cortar el ADN del plásmido. Los científicos de Keele, dirigidos por el profesor Mark Bramkamp, ​​han publicado sus nuevos hallazgos en Investigación de ácidos nucleicos.

Las proteínas reguladoras del ADN también pueden proteger contra los plásmidos.

Los plásmidos son pequeñas moléculas de ADN de doble cadena, generalmente en forma de anillo, que pueden replicarse independientemente del cromosoma en la célula huésped. Desempeñan un papel importante en la ecología y evolución de las bacterias, ya que son un medio importante de transferencia lateral de genes, lo que permite la transferencia rápida de información genética y, por lo tanto, la expresión de ventajas de selección. En principio, todas las bacterias pueden intercambiar plásmidos entre sí, incluso entre especies.

Esto ocurre directamente de bacteria a bacteria a través de un mecanismo de transmisión conocido como conjugación. Tanto los plásmidos beneficiosos como los desfavorables utilizan estos puentes entre las células bacterianas para cambiar de una bacteria a otra.

«Hasta ahora no se ha investigado mucho cómo un organismo bacteriano trata con el ADN extraño de los plásmidos recién transfectados», Manuela Weiss, Ph.D. Estudiante en el grupo de investigación de Bramkamp. «En investigaciones anteriores, examinamos los sistemas que generalmente participan en la regulación del ADN en las células bacterianas y, entre otras cosas, aseguran que la información genética se encapsule en una forma compacta de cromosomas», continúa Weiß.

En este contexto, el equipo de investigación obtuvo indicios preliminares de que C. glutamicum posee dos de estos sistemas, uno de los cuales no está involucrado en la regulación cromosómica, pero puede inhibir la replicación de algunos plásmidos, aunque el mecanismo responsable de esto no se conocía previamente. .

Ahora, los investigadores de Kiel, junto con expertos dirigidos por la Dra. Anne Marie Wehenkel del Instituto Pasteur de París, han descubierto el recorte de ADN de los Mks en un estudio estructural. «Pudimos demostrar experimentalmente que esta nueva subunidad del sistema Mks forma una proteína específica, llamada endonucleasa, que puede cortar el ADN. Este elemento tiene la tarea de descomponer los plásmidos para mantener el ADN dañino alejado de la célula bacteriana. mientras que otros componentes del sistema Mks son importantes para el reconocimiento del ADN plasmídico», dice Weiß.

Distinguir entre plásmidos beneficiosos y dañinos.

Luego, los autores señalaron que el sistema Mks aparentemente solo analiza algunos plásmidos y que, por lo tanto, debe estar vinculado a un mecanismo de selección. Una característica importante aquí es que el grupo de investigación de Bramkamp está trabajando con C. glutamicum, un organismo que posee naturalmente este sistema. Por lo tanto, sus funciones pueden estudiarse in vivo sin alterar las propiedades biológicas celulares transfiriéndolas a un sistema modelo.

«Las bacterias usan algunos plásmidos como fuente de nueva información genética, que no son inmediatamente vitales. Entonces, obviamente, el mecanismo de defensa tiene que ser selectivo y no destruir todos los plásmidos», dice Bramkamp.

«Pudimos demostrar que en C. glutamicum, de hecho, existe una selección dirigida de acuerdo con la información genética beneficiosa y dañina. Cuando apagamos artificialmente el sistema Mks, todos los plásmidos permanecieron en las células bacterianas, los efectos nocivos en la célula, posiblemente debido al estrés del ADN. Sin embargo, era obvio que no sucedió cuando el mecanismo de defensa estaba activo», continúa Bramkamp.

Con el trabajo actual, los investigadores de Kiel presentan nuevos hallazgos importantes sobre el sistema inmunitario bacteriano en general, que amplían la comprensión de los plásmidos como mediadores de información genética no solo beneficiosa sino también dañina. En el futuro, quieren descubrir los mecanismos moleculares que permiten a las células bacterianas distinguir entre ARNm «bueno» y «malo».

Los nuevos hallazgos no solo son importantes para una comprensión general de la organización y reproducción de la vida bacteriana. Una investigación cada vez más rigurosa del sistema inmunitario bacteriano también podría ayudar a abordar mejor los desafíos aplicados, por ejemplo, para modelar y predecir mejor la evolución de la resistencia a los antibióticos en poblaciones bacterianas específicas en el futuro.