Multicellular Bacteria Evolve Defenses That Resemble The Immune System M.png

tLa gran mayoría de las bacterias son criaturas unicelulares que compiten entre sí por la supervivencia. Sin embargo, algunas bacterias se asocian para formar comunidades multicelulares. Mientras que las bacterias solitarias cuentan con una impresionante diversidad genética, Los insectos cooperantes son genéticamente similares. para asegurar que ningún miembro porte mutaciones que favorezcan su propio crecimiento a expensas del colectivo.1 La baja diversidad genética aumenta el riesgo de que la población pueda ser aniquilada por un brote de bacteriófagos, y las bacterias multicelulares necesitan desarrollar defensas que se adapten rápidamente para desarrollar resiliencia. Ahora, los investigadores han encontrado una sistema de mutagénesis en comunidades bacterianas que se parece al sistema inmunológico humano en más de un sentido.2 Sus hallazgos, reportados en Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, cuestionar la opinión de que las bacterias carecen de sistemas de defensa complejos para defenderse de los invasores.

Los científicos conocían este particular sistema de mutagénesis, conocido como retroelementos generadores de diversidad (DGR)desde hace algún tiempo pero no había descifrado su propósito.3 «Nadie entendía realmente qué hacían las bacterias o arqueas con ellos», dijo Elizabeth Wilbanksmicrobiólogo de la Universidad de California, Santa Bárbara y coautor del estudio.

El brazo innato del sistema inmunológico humano lleva receptores tipo peaje (TLR) que detectan señales comunes de agentes infecciosos, como componentes de membranas bacterianas o paredes celulares de hongos.4 De manera similar, las DGR codifican proteínas que portan dominios que detectan amenazas bacterianas comunes, como la dominio del receptor similar al dominio de oligomerización de nucleótidos (NLR)que reconoce ADN extraño proveniente de bacteriófagos.5

«El [DGR proteins are] no relacionados evolutivamente pero [are] estructuralmente análogo a los anticuerpos”, dijo Aravind Iyer, biólogo computacional de los Institutos Nacionales de Salud, que no participó en el trabajo. «La inferencia sería que está realizando algo similar por analogía».

Las células B producen anticuerpos y afinan sus estructuras para unirse más fuertemente a sus antígenos mediante hipermutación del gen del anticuerpomientras que los DGR hipermutan sitios específicos en genes diana utilizando una polimerasa propensa a errores.6 Este sistema podría permitir que las bacterias remodelen rápidamente los sensores inmunológicos para adaptarse a una variedad de agentes infecciosos.

Sorprendidos por su similitud con la inmunidad humana, Wilbanks y su equipo investigaron más a fondo este esquivo aparato. Para investigar si la DGR podría proteger a las bacterias multicelulares de amenazas infecciosas, el equipo eligió bayas rosadas, que son agregados de bacterias de tamaño milimétrico que viven en el suelo de las marismas de Woods Hole, Massachusetts, y que tienden a evolucionar lentamente. «Lo realmente bueno de las bayas rosadas es que se encuentran en este punto óptimo: son silvestres, pero no son tan efímeras y cambiantes como para que no podamos hacer preguntas mecanicistas», dijo Wilbanks.

Encontrado en sólo el dos por ciento de los genomas procarióticoslos DGR son considerablemente raros y, entre las especies que los portan, sólo el dos por ciento alberga más de una versión del sistema.7 El equipo secuenció el genoma de la bacteria del azufre púrpura tiohalocapsa PB-PSB1, la especie dominante en bayas rosadas, y la inspeccionó en busca de DGR. Esta bacteria atesoraba nueve variedades. Este tesoro escondido de sistemas de mutagénesis permitió a la especie hipermutar 21 secuencias en 15 genes diana, haciéndolos capaces de producir la asombrosa cantidad de 10282 variaciones, una variedad casi ilimitada mayor que el número de protones en el universo.

Para evaluar la frecuencia con la que otras especies bacterianas portan DGR en sus genomas, Wilbanks y su equipo realizaron una evaluación filogenética de secuencias genómicas disponibles públicamente. Descubrieron que sólo las bacterias multicelulares portaban múltiples DGR, salvo una excepción unicelular, lo que sugiere que estos sistemas son cruciales para mantener la vida multicelular. «Desde el punto de vista de la evolución convergente, nos dice que desarrollar una respuesta inmune sofisticada es muy importante desde el principio para sobrevivir como una forma multicelular», dijo Wilbanks.

Los investigadores examinan el suelo de los estanques de los pantanos para recolectar agregados de bacterias multicelulares llamadas bayas rosadas, que tienen una sorprendente similitud genética.

Elizabeth Wilbanks

Para confirmar que los DGR estaban hipermutando sus objetivos, el equipo buscó variaciones en los genes objetivo. Al secuenciar genomas individuales de cientos de bayas rosadas, observaron una gran diversidad en los sitios objetivo. En marcado contraste, observaron una gran similitud en el resto de los genomas, compartiendo más del 98,9 por ciento de sus secuencias. Esto reveló que los genes a los que se dirige DGR mutan mucho más rápido que el resto del genoma, lo que da a entender que necesitan adaptarse rápidamente a las condiciones ambientales cambiantes o a los brotes de enfermedades.

Si bien sus hallazgos sugieren que la DGR fortalece a las bacterias contra los invasores, aún queda mucho por descubrir. Iyer dijo: «Lo más importante sería ver qué tipo de virus se están reconociendo y qué moléculas dentro de esos virus».

También queda por explorar cómo limitan la propagación de patógenos. Cuando las células humanas se infectan, a menudo se sacrifican mediante apoptosis, lo que sepulta al patógeno en pequeños cuerpos apoptóticos y limita su propagación a otras células.8 De manera similar a este sistema, los sensores inmunológicos codificados por los genes objetivo en DGR están involucrados en vías de muerte celular programada, por lo que las bacterias infectadas también podrían sacrificarse por el bien de la colonia. «Se vuelve beneficioso en un sistema en el que se puede proteger al resto del colectivo para que no se infecte», sugirió Wilbanks.

Aunque cada vez hay más pruebas que sugieren que el DGR evita los patógenos, los científicos no lo han demostrado directamente de forma experimental. Como alternativa a la defensa inmune, estos sistemas podrían permitir a las bacterias detectar si hay parientes cercanos presentes cerca. Algunas especies de hongos fusionan sus células y no pueden permitirse el lujo de mezclar especies o cepas, por lo que Usan dominios NLR para comprobar si una célula cercana es un clon compañero antes de fusionarse.9 Wilbanks cree que los hermanos bacterianos de las bayas rosadas podrían emplear maquinaria de la DGR para auditorías similares. «Podrían usarse para detectar variaciones sutiles en el nivel de tensión al decidir con quién quieren formar un agregado», dijo. «Esa es otra posibilidad realmente intrigante sobre para qué podrían usarse».

Referencias

1. Wucher BR, et al. Desglose de la arquitectura cooperativa clonal en biopelículas multiespecíficas y la ecología espacial de la depredación.. Proc Natl Acad Sci EE.UU.. 2023;120(6):e2212650120.
2. Doré H, et al. Hipermutación dirigida de supuestos sensores de antígenos en bacterias multicelulares. Proc Natl Acad Sci EE.UU.. 2024;121(9):e2316469121.
3. Kaur G, et al. La muerte bacteriana y los dominios TRADD-N ayudan a definir nuevos mecanismos de inmunidad y apoptosis compartidos por procariotas y metazoos. eVida. 2021;10:e70394.
4. Fitzgerald KA, Kagan JC. Los receptores tipo peaje y el control de la inmunidad. Celúla. 2020;180(6):1044-1066.
5. Kibby EM, et al. Las proteínas bacterianas relacionadas con NLR protegen contra los fagos. Celúla. 2023;186(11):2410-2424.e18.
6. Di Noia JM, Neuberger MS. Mecanismos moleculares de la hipermutación somática de anticuerpos.. Annu Rev Bioquímica. 2007;76(1):1-22.
7. Roux S, et al. Ecología y objetivos moleculares de la hipermutación en el microbioma global.. comuna nacional. 2021;12(1):3076.
8. Kvansakul M. Infección viral y apoptosis.. Virus. 2017;9(12):356.
9. Daskalov A, et al. Mecanismos moleculares que regulan la fusión celular y la formación de heterocariones en hongos filamentosos.. Espectro de microbiol. 2017;5(2):5.2.02.