Descubren el secreto de las bacterias para resucitar, incluso después de siglos de latencia

Según se explica en el artículo, estos sensores funcionan como 'canales' a través de la membrana celular y permanecen cerrados durante el periodo de inactividad de la bacteria, pero se abren de inmediato al detectar posibles alimentos. Una vez abiertos, los canales permiten que los iones cargados eléctricamente fluyan a través de la membrana, poniendo en marcha el desprendimiento de las capas protectoras de las esporas y 'reiniciando' los procesos metabólicos de la bacteria después de años, o incluso siglos, de latencia.

El hallazgo podría ayudar a poner a punto estrategias para evitar que las bacterias más peligrosas, que causan un gran número de enfermedades, vuelvan a la vida tras permanecer inactivas durante largos periodos de tiempo, evitando así nuevos brotes e incluso pandemias.

«Este descubrimiento -asegura David Rudner, autor principal del estudio- resuelve un rompecabezas que tiene más de un siglo. ¿Cómo detectan las bacterias los cambios en su entorno y toman medidas para salir de la inactividad cuando sus sistemas están casi completamente apagados dentro de una vaina protectora?».

Para sobrevivir en condiciones ambientales adversas, muchas bacterias adoptan una elaborada estrategia: entran en estado latente, poniendo 'en pausa' todos sus procesos biológicos, y se rodean con una sólida armadura protectora, una espora. Estas mini fortalezas biológicamente inertes permiten que las bacterias superen los períodos de hambruna y se protejan de los estragos del calor extremo, los períodos secos, la radiación ultravioleta, los productos químicos agresivos o incluso de los tratamientos con antibióticos.

Durante más de un siglo, los científicos saben que cuando las esporas detectan nutrientes en su entorno, se despojan rápidamente de sus 'armaduras' y vuelven a encender sus motores metabólicos. Y aunque el sensor que les permite detectar nutrientes se descubrió hace casi 50 años, los medios para enviar la señal de alerta y cómo esa señal desencadena la reactivación bacteriana seguía siendo un misterio.

Normalmente, el proceso de señalización celular, gracias al que se desencadenan las más diversas reacciones, se basa en la actividad metabólica y, a menudo, involucra genes que codifican proteínas que a su vez producen moléculas de señalización específicas. Pero cuando una bacteria está inactiva, todos estos procesos se interrumpen. ¿Cómo pueden entonces las bacterias 'durmientes' generar una señal que las induzca a despertarse?

En este estudio, Rudner y su equipo descubrieron que el sensor de nutrientes en sí se ensambla en un conducto que abre la celda para que vuelva a funcionar. En respuesta a los nutrientes, el conducto se abre, permitiendo que los iones escapen del interior de la espora. Esto inicia una cascada de reacciones que permiten que la célula latente se desprenda de su armadura protectora y reanude plenamente su actividad.

Los investigadores utilizaron múltiples vías para desentrañar paso a paso el hasta ahora inexplicable proceso de 'resurrección'. Desplegaron herramientas de inteligencia artificial para predecir la estructura del complejo sensor intrincadamente plegado, una estructura formada por cinco copias de la misma proteína sensora. Aplicaron después el aprendizaje automático para identificar las interacciones entre las subunidades que componen el canal. Y también usaron técnicas de edición de genes para inducir a las bacterias a producir sensores mutantes, como una forma de probar si se cumplen, o no, las predicciones basadas en computadora en las células vivas.

«Lo que me encanta de la ciencia - dice Rudner- es cuando haces un descubrimiento y de repente todas estas observaciones dispares y sin sentido aparente encajan. Es como si estuvieras resolviendo un rompecabezas, encuentras dónde va una pieza y de repente puedes encajar seis piezas más muy rápidamente».

Rudner describe este descubrimiento como una serie de observaciones confusas que fueron tomando forma lentamente, gracias a un equipo de investigadores con diversas perspectivas que trabajaron juntos y bien coordinados. En el camino, recuerda el científico, el equipo hizo observaciones sorprendentes que los confundieron, pistas que sugerían respuestas que no parecían tener la posibilidad de ser ciertas.

Una de las primeras pistas surgió cuando Yongqiang Gao, investigador en el laboratorio de Rudner, llevaba a cabo una serie de experimentos con el microbio Bacillus subtilis, que normalmente vive en el suelo y que es un 'primo' de la bacteria que causa el ántrax. Gao introdujo genes de otras bacterias que forman esporas en B. subtilis para explorar la idea de que las proteínas no coincidentes interfieren con la germinación. Pero para su sorpresa, descubrió que, en algunos casos, las esporas bacterianas se despertaban sin problemas con un conjunto de proteínas de una bacteria sólo lejanamente relacionada.

Lior Artzi, otro de los investigadores del laboratorio, ideó una explicación para el hallazgo de Gao. ¿Y si el sensor fuera una especie de receptor que actúa como una puerta cerrada hasta que detecta una señal, en este caso un nutriente como un azúcar o un aminoácido? Una vez que el sensor se une al nutriente, la puerta se abre y permite que los iones fluyan fuera de la espora.

Al principio, Rudner se mostró escéptico sobre esta hipótesis porque el receptor no tenía casi ninguna de las características de un canal iónico. Pero Artzi insistió, argumentando que el sensor podría estar compuesto por múltiples copias, trabajando juntas en una estructura más compleja.

Jeremy Among Otro de los investigadores y uno de los primeros en adoptar la herramienta de IA AlphaFold, que puede predecir la estructura de proteínas y complejos de proteínas, también estaba estudiando la germinación de esporas y contaba con todo lo necesario para investigar el sensor de nutrientes. Dicho y hecho, la herramienta predijo que una subunidad particular del receptor se ensambla en un anillo de cinco unidades conocido como pentámero. La estructura predicha incluía un canal en el medio que permitía a los iones atravesar la membrana de la espora. La predicción de la herramienta de IA era justo lo que Artzi había sospechado.

Según Rudner, comprender cómo las bacterias latentes vuelven a la vida no es solo un rompecabezas intelectualmente tentador, sino que tiene importantes implicaciones para la salud humana. Muchas bacterias capaces de entrar en letargo profundo durante largos períodos de tiempo son, en efecto, patógenos muy peligrosos, incluso mortales: la forma blanca en polvo del ántrax, sin ir más lejos, está compuesta de esporas bacterianas.

Otro patógeno peligroso capaz de formar esporas es Clostridioides difficile, que causa diarrea y colitis potencialmente mortales. La enfermedad causada por esta bacteria generalmente ocurre después del uso de antibióticos que matan muchas bacterias intestinales, pero que resultan inútiles contra las esporas latentes. Por eso, después del tratamiento, C. difficile despierta de su letargo y florece, a menudo con consecuencias catastróficas.

La erradicación de las esporas constituye también un importante desafío en las plantas de procesamiento de alimentos, porque las bacterias latentes pueden resistir la esterilización gracias a su armadura protectora. Y si la esterilización no tiene éxito, la germinación y el crecimiento pueden causar enfermedades graves transmitidas por los alimentos, además de cuantiosas pérdidas económicas.

Por eso, comprender cómo las esporas detectan los nutrientes y consiguen salir rápidamente de su inactividad puede permitir a los investigadores desarrollar estrategias que permitan, por ejemplo, esterilizar bacterias o bloquear su germinación, manteniéndolas atrapadas dentro de sus caparazones protectores e incapaces, por lo tanto, de crecer, reproducirse contaminar alimentos o causar enfermedades.