En 2006, los científicos descubrieron que algunas de las bacterias causantes de enfermedades más comunes del mundo manejan un arma poderosa y única que puede matar a las células objetivo, tanto a otras células bacterianas como a las células eucariotas cubiertas de membrana, al inyectarles proteínas tóxicas.
El sistema de secreción tipo VI T6S es un mecanismo devastador de destrucción rápida que se ha encontrado que existe en casi una cuarta parte de las bacterias gramnegativas, incluido Vibrio cholerae - el agente infeccioso que causa el cólera - y Pseudomonas aeruginosa , un patógeno versátil que puede causar sepsis e insuficiencia orgánica.
Una nueva investigación de la Universidad de Princeton y la Universidad de Basilea en Suiza ha revelado que T6S, que alguna vez se pensó que era una super arma armada microbiana, puede frustrarse si los grupos de objetivos son lo suficientemente grandes cuando comienza el asalto. Aunque los organismos en el exterior del grupoperecerá, las celdas interiores protegidas pueden multiplicarse lo suficientemente rápido como para reponer los números del grupo desde adentro, incluso hasta el punto en que el número de objetivos engendra excede el número que muere, y las bacterias atacantes no pueden hacerse cargo.
Reportado en el diario PLOS Biología Computacional , los hallazgos, que combinaron simulaciones por computadora con observaciones de bacterias vivas, podrían proporcionar información sobre cómo las células resisten agresores poderosos, que los científicos podrían usar para desarrollar tratamientos contra los patógenos.
"Tener T6S no es un arma 'Terminator', que es lo que parecía inicialmente y lo que mucha gente pensaba", explicó el primer autor David Borenstein, investigador asociado postdoctoral en el Instituto Lewis-Sigler de Genómica Integrativa de Princeton ".Ahora creemos que la razón por la que más bacterias no la tienen es porque no es necesariamente una buena arma ".
Los investigadores sugieren que T6S puede ser solo un arma ocasional utilizada para eliminar objetivos específicos bajo ciertas circunstancias, lo que ayudaría a prevenir la muerte accidental de bacterias beneficiosas. El sistema de secreción también es muy intensivo en energía, dijo Borenstein. Por lo tanto, las bacterias dependenprincipalmente en T6S estaría trabajando para producir toxinas constantemente.
"Parece que hay ciertas circunstancias en las que T6S es útil", dijo Borenstein. "No solo se enciende y dispara en todas direcciones. Definitivamente es algo que las bacterias eligen usar".
En un nuevo giro, los investigadores descubrieron que el sistema T6S también tiene un papel potencial como arma defensiva cuando las células con T6S atacan a otras células que también lo tienen. Aunque son inmunes a sus propios sistemas de secreción, las células pueden matarse entre sí.Una simulación por computadora mostró que cuando las bacterias equipadas con T6S atacaron a otras, los organismos con la mayoría de la población ganaron.
"Si las bacterias tienen T6S y una población establecida, será mucho más fácil para ellos defenderse contra un microbio invasor, incluso si los atacantes también lo tienen", dijo Borenstein. "El sistema T6S es una forma de tener un modo de esperadefensa sin producir toxinas de defensa todo el tiempo y sin matar inadvertidamente bacterias que podrían ser beneficiosas mientras tanto "
La fusión de simulaciones y trabajo de laboratorio es una característica notable de este trabajo que podría usarse para explorar mejor otros sistemas biológicos e interacciones, dijo Jeff Gore, profesor asociado de física en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. El trabajo ilustra ese hecho únicoy las ideas potencialmente importantes pueden surgir del intercambio de modelos informáticos y experimentación, dijo Gore, quien está familiarizado con el trabajo pero no participó en él.
"Este documento representa un maravilloso ejemplo de combinación de modelos biológicamente motivados con experimentos de laboratorio", dijo Gore. "Este es un poderoso modo de investigación que, en mi opinión, podría usarse fructíferamente para dilucidar muchos otros sistemas biológicos. En particular, más modelosdeberían estar motivados por sorprendentes resultados experimentales, y los experimentos más cuantitativos deberían estar motivados por sorprendentes predicciones teóricas ".
Borenstein y el coautor Ned Wingreen, Howard A. Princeton, profesor anterior de Ciencias de la Vida y profesor de biología molecular y el Instituto Lewis-Sigler de Genómica Integrativa, simularon por primera vez el asalto de células con T6S a células vulnerables al sistema de secreciónLa resistencia de las células objetivo fue sorprendente, dijo Borenstein.
"El fenómeno que vimos es similar al de una manada de animales que se agrupan cuando los depredadores atacan: los individuos en el exterior son vulnerables, pero el interior de la comunidad está protegido", dijo Borenstein. "Pero en este caso, los animales de presa en el interior se reprodujeron rápidamente durante el asalto. Una vez que había suficientes, ya no importaba cuántos depredadores había, no podían ganar ".
Los coautores Marek Basler, profesor de biología y estudiante de posgrado Peter Ringel, ambos de la Universidad de Basilea, probaron las simulaciones en el laboratorio sobre bacterias vivas por picadura V. cholerae contra las bacterias Escherichia coli que son vulnerables a T6S y encontraron los mismos resultados. Un artículo de 2013 publicado en la revista Celda en el que Basler fue el primer autor inspiró la investigación actual.
Las simulaciones permitieron a los investigadores no solo desarrollar su trabajo de laboratorio anterior, sino también realizar teorías que serían difíciles de llevar a cabo físicamente, dijo Basler.
"Incluso antes de esta colaboración, mi grupo y otros en el campo hicieron ciertas observaciones que estábamos explicando solo intuitivamente", dijo Basler. "Una belleza de estas simulaciones es que uno puede variar parámetros que no son tan fáciles de variar experimentalmente,como la tasa de mortalidad o la tasa de crecimiento, y aprenda lo que sucedería en una competencia de cepas de bacterias en condiciones completamente diferentes.
"En muchos casos, la forma en que configuramos nuestros ensayos de competencia en el laboratorio es artificial; en la naturaleza, apenas se ven comunidades bacterianas que crecen exponencialmente", dijo. "Pero aquí demostramos que las células de presa pueden ganar superando a la competenciaa pesar de que constantemente los matan. Creo que en el futuro, descubriremos más estrategias sobre cómo las células de presa tratan a los agresores ".
Wingreen inició el proyecto después de leer el artículo de Basler 2013. Ese estudio mostró que cuando P. aeruginosa atacado V. cholerae y las bacterias Acinetobacter baylyi - que también tiene el sistema T6S - solo recurrieron al uso de T6S cuando detectaron que sus objetivos también lo estaban usando. Wingreen comenzó a pensar que quizás el uso de T6S es selectivo y que hay costos y beneficios que las bacterias consideran,dijo, se acercó a Borenstein, un ingeniero de software, que había diseñado un programa de simulación llamado Nanoverse que predice los resultados de los procesos biológicos.
"Nos dimos cuenta rápidamente de que la estructura espacial de las cepas competidoras es crucial para el resultado; hay un tamaño de dominio crítico por encima del cual las colonias sensibles sobrevivirán", dijo Wingreen. "La biología real siempre es más complicada que nuestros modelos, por lo quepara confirmar que esta simple idea realmente se mantuvo en un sistema real, iniciamos una colaboración experimental. Las observaciones de [Basler y Ringel] confirmaron nuestra predicción principal: las colonias grandes pueden sobrevivir a un ataque mientras que las pequeñas perecen ".
La dinámica que descubrieron los investigadores también podría aplicarse a otros escenarios naturales en los que un organismo vulnerable se enfrenta a un asaltante poderoso, como los arrecifes de coral que luchan para resistir las algas, dijo Wingreen. La resistencia de dicho organismo podría depender del fortalecimiento de su población previa al asalto yasegurando que pueda mantener una regeneración constante durante el ataque.
De hecho, dijo Gore, los investigadores muestran que consideraciones como la estructura espacial pueden reemplazar los principios que de otra forma se supondrían ciertos.
"Dado que las cepas productoras de toxinas pueden matar cepas sensibles a las toxinas, es natural suponer que la producción de toxinas siempre se extenderá a toda la población", dijo Gore. "Sin embargo, estos investigadores han demostrado que el destino de la producción de toxinas enuna población depende críticamente del tamaño de los dominios que ocupa cada una de estas cepas.
"El mundo microbiano está lleno de ejemplos de células que interactúan de manera rica, ya sea de forma competitiva o cooperativa", dijo. "Este trabajo destaca que el rango de esa interacción puede ser muy importante".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Original escrito por Morgan Kelly. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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