Los biólogos de la Universidad de Columbia han revelado un mecanismo por el cual las células bacterianas en entornos abarrotados y privados de oxígeno acceden al oxígeno para la producción de energía, asegurando la supervivencia de la célula. El hallazgo podría explicar cómo algunas bacterias, como Pseudomonas aeruginosa P. aeruginosa , pueden prosperar en entornos con poco oxígeno como las biopelículas y resistir los antibióticos.
" P. aeruginosa las infecciones de biopelículas son una de las principales causas de muerte para las personas que sufren de fibrosis quística, una afección genética que afecta los pulmones y el sistema digestivo ", dijo el investigador principal Lars Dietrich, profesor asociado de ciencias biológicas". Una comprensión de las vías quecontribuir a la supervivencia y virulencia de P. aeruginosa y otras bacterias capaces de existir en entornos sin oxígeno podrían informar los enfoques de tratamiento para muchos de estos y otros pacientes inmunocomprometidos "
El estudio aparece esta semana en la revista eLife .
Las bacterias rara vez viven solas como organismos unicelulares. La mayoría crece en comunidades, aprovechando la fuerza de los números para formar una biopelícula con propiedades similares a los tejidos similares a un andamio que sirve para fortalecer a la comunidad, haciéndolo hasta 1,000 vecesmás resistente a la mayoría de los antibióticos.
Cada célula individual debe extraer por sí misma electrones de los alimentos que luego se transportan a lo largo de la membrana de la célula hasta que alcanzan una molécula de oxígeno. La energía liberada durante este proceso metabólico se utiliza para mantener la vida. A medida que las comunidades de bacterias continúan creciendo y formándoseen una biopelícula, sin embargo, se pueden saturar, creando un ambiente donde cada célula tiene que competir por nutrientes y oxígeno limitados para sobrevivir.
La investigación ha demostrado que algunas bacterias, incluidas P. aeruginosa , han desarrollado diferentes estrategias para responder y hacer frente a las condiciones de bajo oxígeno en las biopelículas. Las comunidades de bacterias pueden, por ejemplo, cambiar la estructura general de la biopelícula para que su relación superficie-volumen sea mayor yUna mayor proporción de las células en el interior pueden acceder al oxígeno en el exterior. P. aeruginosa también puede producir moléculas llamadas fenazinas, que ayudan a transportar electrones desde el interior hacia el exterior de la célula y, en última instancia, al oxígeno disponible a distancia. Otra estrategia es hacer versiones alternativas de oxidasas terminales, enzimas en la membrana que transfieren electronesal oxígeno, que usa oxígeno de manera más eficiente o es mejor para eliminar el oxígeno cuando su concentración es baja. Si bien se han realizado numerosos estudios para examinar la importancia de estas enzimas y estrategias para P. aeruginosa crecimiento, se han llevado a cabo principalmente en cultivos líquidos bien oxigenados en el laboratorio. Cuándo P. aeruginosa infecta a un huésped real, como un ser humano, a menudo crece como una biopelícula y encuentra condiciones muy diferentes.
Con fondos federales de los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencias, Dietrich, el primer autor Jeanyoung Jo, y sus colegas se propusieron comprender mejor si las oxidasas terminales específicas son importantes para P. aeruginosa metabolismo en comunidades de biopelículas, cómo las fenazinas pueden compensar los bajos niveles de oxígeno y cómo pueden contribuir estas estrategias adaptadas P. aeruginosa capacidad de causar infecciones.
Descubrieron que la cadena de transporte de electrones tan crítica para la conversión de electrones en energía puede y está operando profundamente en la biopelícula privada de oxígeno y que en estos entornos, la bacteria depende de una parte específica de la oxidasa terminal de la cadenauna proteína llamada CcoN4 - para acceder al oxígeno y crecer normalmente. Las células que carecen de esta proteína no sobreviven tan bien como las células con ella y los investigadores creen, por lo tanto, que CcoN4 contribuye a la virulencia de la bacteria. También descubrieron que CcoN4 juega un papel en el uso de fenazinasóptimamente dentro de las biopelículas. Aunque se ha demostrado previamente que estas fenazinas compensan metabólicamente las condiciones de bajo oxígeno en P. aeruginosa biofilms, el mecanismo que permitió esto había seguido siendo un misterio científico.
"Esta bacteria es un maestro en la búsqueda de diferentes estrategias para acceder al oxígeno", dijo Dietrich. "Sabíamos que estaban involucradas las fenazinas y que de alguna manera estaban ayudando a la célula a obtener oxígeno, pero no sabíamos cómo. Parece que sí lo están haciendo".proveniente de la cadena de transporte de electrones. Esa es una revelación importante. Sabemos que las células bacterianas tienen diferentes formas de metabolizar la energía en entornos ricos en oxígeno, pero durante mucho tiempo no pudimos averiguar cómo lo hacían cuando el oxígeno es difícil deacceso."
Los hallazgos podrían tener grandes implicaciones para el tratamiento de P. aeruginosa infecciones de biopelículas, como una comprensión de las vías que contribuyen a P. aeruginosa la supervivencia y la virulencia podrían informar los enfoques de tratamiento para los pacientes. El desarrollo de terapias que bloqueen las oxidasas terminales que contienen CcoN4, por ejemplo, debilitaría la bacteria y su capacidad de causar infección.
"Estamos comenzando a comprender cada vez más cómo las células pueden sobrevivir en circunstancias bastante horribles", dijo Dietrich. "Estamos comprendiendo el mecanismo. Ahora podemos comenzar a buscar formas de detener ese proceso".
Los coautores del artículo son Krista Cortez, William Cole Cornell y Alexa Price-Whelan, todos de la Universidad de Columbia.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Columbia . Original escrito por Jessica Guenzel. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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