Bases biológicas de los patrones de producción y resistencia de péptidos antimicrobianos (bacteriocinas)

Resumen

Los microorganismos conforman la mayor parte de los seres vivos del planeta. Estos se pueden encontrar en prácticamente cualquier ambiente formando comunidades microbianas complejas esenciales para la salud humana, ambiental y en múltiples áreas biotecnológicas. Sin embargo, a pesar del gran impacto para la humanidad nuestro conocimiento de los principios que gobiernan la estructuración y funcionamiento de los ecosistemas microbianos es muy limitada, lo que implica una escasa capacidad para un control y optimización racional de las comunidades microbianas. En estas comunidades se producen multitud de interacciones esenciales en la estructuración, mantenimiento y desarrollo de las mismas, siendo el antagonismo clave en la configuración del equilibrio entre las poblaciones. Múltiples sustancias antimicrobianas están involucradas en el antagonismo, destacando los péptidos antimicrobianos producidos por bacterias (bacteriocinas), como uno de los compuestos antagónicos más comunes en las especies microbianas. Su producción implica la expresión coordinada de varios grupos de genes distribuidos en uno o más operones, pudiendo estar ubicados tanto en el cromosoma como en plásmidos. En la producción de estas sustancias antibióticas es esencial que los productores porten su propio gen de inmunidad para evitar la autoinhibición. Sabemos que la producción de bacteriocinas está ampliamente distribuida entre las especies bacterianas, sin embargo, esto contrasta con la alta diversidad de comunidades de microorganismos a las que pertenecen, lo que parece contradecir el efecto letal de las bacteriocinas. Su estudio se ha limitado a un punto de vista local en la interacción bilateral entre cepas productora y sensible, dejando de lado que suelen vivir en ambientes de diferente grado de complejidad microbiológica. Además, los estudios de inmunidad se centran en los patrones de resistencia en la propia inmunidad del organismo productor, pero con poca frecuencia indagan en los patrones de resistencia de otros individuos que puedan coexistir con los productores. Por ello, el objetivo general de la presente tesis ha sido discernir los mecanismos moleculares y ecológicos que explican los patrones de producción y resistencia de péptidos antimicrobianos (bacteriocinas) en comunidades de bacterias lácticas. Para ello se comenzó estudiando las bases moleculares de la producción y resistencia a bacteriocinas de distintas estirpes mediante ensayos de inmunidad cruzada entre cepas productoras de las bacteriocinas AS-48, en concreto Enterococcus faecalis A- 48-32, y diversos mutantes de la misma; y cepas productoras de MR10A/B como Enterococcus faecalis MRR10-3. Estos ensayos mostraron que la resistencia cruzada por parte de las cepas productoras de AS-48 a la enterocina MR10A/B se debe a la presencia de un transportador ABC (Transportador-2 en el cluster de AS-48). Dicho transportador aparece tanto en el cluster de genes de AS-48 como de MR10-3, siendo el responsable de la inmunidad en cada caso. Pare estos análisis, describimos la composición del cluster génico de MR10A/B, que aún no estaba descrito. Estos hallazgos abren el camino a la investigación de la resistencia más allá de las variantes de una misma bacteriocina. La constatación de este mecanismo compartido de inmunidad condujo a estudiar la variabilidad de dichos genes de inmunidad (Transportador-2) y su distribución en otras especies. En concreto este transportador se encontró en múltiples poblaciones de enterococos y asociado con diferentes bacteriocinas más allá de AS-48 o variantes de MR10A/B, así como huérfano en bacteriocinas. Teniendo en cuenta este último caso, la resistencia a la bacteriocina podría movilizarse independientemente de su bacteriocina asociada, lo que podría generar diversas poblaciones que compartan un sistema de resistencia común. Esta característica es crucial para desarrollar modelos más precisos de dinámica de producción/resistencia en la naturaleza. Adicionalmente, durante estos estudios pusimos de manifiesto el papel clave de Mr10E en el grado de inmunidad/resistencia, componente del que se desconoce su función. Al estudiar la especificidad de cada componente del transportador se mostró que la secuencia primaria de Mr10E cambia en función de la bacteriocina de su cluster correspondiente, mientras que el resto de componentes cambian en función de la especie en la que se localizan, independientemente de la bacteriocina a la que se asocie. Dada la posibilidad de aparición de diversos grupos de poblaciones con un sistema de resistencia común, se realizó un estudio de genómica comparativa utilizando las cepas de E. faecalis S-48, E. faecalis UGRA10 y E. faecalis MRR10-3 como bacterias modelo para los productores de enterocina AS-48 y L50. Mediante la secuenciación de dichos genomas y el análisis genómico comparativo con los genomas de E. faecalis disponibles públicamente, pusimos de manifiesto poca cohesión entre estos productores; sin embargo, algunas enterocinas podrían impulsar la expansión clonal de poblaciones específicas. Para finalizar, se ha estudiado el efecto de la producción de bacteriocinas a nivel de poblaciones y comunidades de bacterias lácticas. Para ello se utilizó la microbiota de quesos como sistema modelo; y más concretamente el género Enterococcus como bacteria bacteriocinogénica modelo debido a su frecuente producción de enterocinas y presencia en niveles variables en estas comunidades. Mediante la caracterización y cuantificación de las poblaciones de enterococos y comunidades de bacterias lácticas, así como gracias a la detección y cuantificación de las capacidades enterocinogénicas de las poblaciones de enterococos, se ha puesto de manifiesto una tendencia general de mayor diversidad en las comunidades de bacterias lácticas asociadas a los productores de enterocina. Sin embargo, la mayor diversidad se encuentra relacionada negativamente con los productores de enterocinas, de forma que, a niveles bajos o moderados de productores de enterocinas mayor diversidad de bacterias lácticas se alcanzan en la comunidad del queso. En qué medida estos resultados pueden extenderse a otras especies de LAB o incluso a otros ecosistemas microbianos silvestres necesitará más investigación. De todos modos, nuestro estudio apunta a la producción de bacteriocinas como un factor importante a tener en cuenta para controlar las comunidades bacterianas. Por tanto, los resultados obtenidos en la presente tesis suponen un avance en el conocimiento de los patrones que gobiernan las comunidades microbianas, poniendo de manifiesto la importancia de las interacciones antagonistas mediadas por bacteriocinas en la estructuración y comprensión de las dinámicas poblacionales y comunitarias de microorganismos. Futuros estudios en otro tipo de comunidades lácticas o comunidades naturales más complejas permitirán obtener un conocimiento exhaustivo de cómo las poblaciones de una comunidad se organizan ante unas condiciones abióticas dadas, permitiendo así la predicción, el diseño y la explotación racional de las comunidades microbianas.