Nuestra Ciencia: Cómo buscar una función en una librería metagenómica

Las librerías metagenómicas son librerías de genes construidas con todo el ADN que se aísla de una muestra ambiental. Su mayor ventaja es que permiten obtener una inmensa cantidad de información genética independientemente de nuestra capacidad de cultivar los microorganismos presentes en la muestra. La identificación de los genes se hace por secuenciación masiva y comparación con las bases de datos.

Estas librerías metagenómicas también se pueden analizar desde un punto de vista funcional, es decir, identificando la función de los genes. Esto se puede hacer analizando las nuevas funciones (nuevo fenotipo) que confieren las secuencias genómicas de la librería en una bacteria huésped. Sin embargo, una limitación importante de esta estrategia es que la detección depende de la eficacia de la expresión de los genes clonados en la bacteria huésped. De hecho, se ha demostrado que la mayoría de los genes normalmente no se expresan en una bacteria huésped.

En un original trabajo publicado en Scientific Reports se describe un nuevo método para mejorar el análisis funcional de las librerías metagenómicas. Para ello han construido unos vectores y cepas que combinan el empleo de E. coli como cepa huésped especializada para la transcripción de ADN metagenómico con dos nuevos vectores de expresión que incorporan componentes genéticos virales. Uno de ellos se basa en la ARN-polimerasa del fago T7 que no reconoce la mayoría de las señales de terminación de la transcripción bacteriana. El otro sistema de expresión se basa en el empleo de la proteína N anti-terminación del fago λ combinado con un sistema regulador bacteriano inducible.

El trabajo incluye también un "prueba de concepto" del nuevo sistema. Para ello, han construido una librería metagenómica extrayendo el ADN total de una muestra tomada de la costa de Punta San García (Cádiz) contaminada con petróleo por un vertido. El objetivo era encontrar genes relacionados con la resistencia al antibiótico beta-lactámico carbenicilina. De aproximadamente unos 54.000 clones que formaban la librería, sólo seis de ellos portaban genes que conferían resistencia a dicho antibiótico. La secuenciación de estos seis clones seleccionados demostró la existencia de genes que codifican para beta-láctamasas o bombas tipo efflux, responsables del fenotipo de resistencia a la carbenicilina. Los resultados por tanto demuestran la validez del nuevo sistema de expresión.

Esta tecnología de metagenómica funcional es una herramienta muy poderosa que puede permitir descubrir nuevos productos naturales y enzimas de interés biotecnológico.

Resumen realizado por:
Ignacio López-Goñi
Departamento de Microbiología y Parasitología
Universidad de Navarra






Terrón-González L, Medina C, Limón-Mortés MC, & Santero E (2013). Heterologous viral expression systems in fosmid vectors increase the functional analysis potential of metagenomic libraries. Scientific reports, 3 PMID: 23346364

Nuestra ciencia: Evolución de Pseudomonas syringae y genes de producción de mangotoxina

Pseudomonas syringae es una bacteria epifítica patógena de muchas plantas a las que causa frecuentemente enfermedades graves y de gran repercusión económica en agricultura. Se han descrito al menos 50 patovariedades en relación al rango de plantas a las que provoca lesiones en hojas o en frutos. Esta especie secreta diversos efectores a través del sistema de secreción de tipo III (T3S); uno de ellos, la mangotoxina, inhibidor de la ornitina N-acetil transferasa, fue detectado por primera vez en P. syringae pv. syringae. Curiosamente, el operón mbo, esencial para la producción de mangotoxina, puede ser usado en estudios filogenéticos. En estudios previos se observó una gran concomitancia entre los genes "housekeeping" gyrB y rpoD y dos de los componentes del T3S por lo que se piensa que la adquisición del T3S fue anterior a la diversificación de P. syringae en las distintas patovariedades.

Estudios realizados por este grupo de investigadores empleando cebadores específicos del operón mbo y con 98 cepas de P. syringae detectaron este operón en 52 cepas productoras de mangotoxina y en otras 7 no productoras, pero no pudieron amplificar en otras 35 no productoras. Esto junto con el análisis de algunos genomas, ha revelado que el operón mbo se encuentra limitado a 5 patovariedades todas pertenecientes a la genomoespecie (grupo de cepas con una relación ADN-ADN mayor del 70% y con 5º o menos de Δ Tm) 1. Además, el operón mbo mantiene sintenia y está inserto en la misma localización genómica que mantiene una alta conservación de secuencia en las zonas alrededor del punto de inserción. Estos resultados les permite sugerir que el operón de la biosíntesis de la mangotoxina fue adquirido por transferencia horizontal y una sola vez en la evolución de esta especie.

Resumen realizado por: M. Rosario Espuny (espuny@us.es) Departamento de Microbiología.
Facultad de Biología.
Universidad de Sevilla.



Carrion, V., Gutierrez-Barranquero, J., Arrebola, E., Bardaji, L., Codina, J., de Vicente, A., Cazorla, F., & Murillo, J. (2012). The Mangotoxin Biosynthetic Operon (mbo) Is Specifically Distributed within Pseudomonas syringae Genomospecies 1 and Was Acquired Only Once during Evolution Applied and Environmental Microbiology, 79 (3), 756-767 DOI: 10.1128/AEM.03007-12

Nuestra Ciencia: Los premios Nobel y la Microbiología. Dos nacimientos coetáneos que marcaron el desarrollo y la visibilidad de la ciencia en el siglo XX

El nacimiento de los premios Nobel en los comienzos del siglo XX coincidió con lo que se denomina la edad de oro de la Microbiología, en la que se sentaron las bases del conocimiento de los microorganismos y de las herramientas fundamentales para su estudio.

Durante la primera década de su existencia (1901-1910) el premio Nobel de Fisiología o Medicina recayó en seis microbiólogos. Casi todos ellos relacionados con los laboratorios fundados por Louis Pasteur y Robert Koch. Este último fue uno de los premiados (1905) después de una carrera investigadora extensa e intensa. A él le debemos el concepto de "cultivo puro" y en su laboratorio se desarrollaron técnicas y métodos de trabajo todavía hoy vigentes para el cultivo de microorganismos (el uso del agar-agar, las placas de Petri y otros). Desarrolló algunas de las tinciones más importantes en bacteriología y describió las esporas bacterianas y su elevada resistencia. Pero su mayor contribución fue formular los postulados propuestos por Jacob Henle para demostrar la implicación de un microorganismo en una enfermedad infecciosa. La aplicación de los postulados de Koch-Henle llevó la microbiología a su zénit, permitiendo la descripción de los agentes causales específicos de muchas enfermedades contagiosas.

Además de Koch, otros cinco microbiólogos fueron galardonados con el Nobel en la primera década del siglo XX. Emil A. von Behring (1901) fue premiado por el desarrollo de la inmunoterapia (terapia sérica). Demostró que la capacidad para resistir frente la difteria (y otras enfermedades) residía en la parte no celular de la sangre (el suero), trabajo que desarrolló junto con el japonés S. Kitasato. Al año siguiente (1902) Ronald Ross recibió el Nobel por su estudio de la malaria. Describió el papel del mosquito Anopheles en la transmisión y en el ciclo biológico del parásito. También en el campo de los protozoos parásitos trabajaba Charles L. A. Laveran que fue premiado en 1907. Los últimos microbiólogos premiados en la década fueron Ilya Metchnikov y Paul Ehrlich (1908). Ambos trabajaron en diferentes aspectos de la respuesta a la infección, aunque Ehrlich se considera el padre de la quimioterapia por el desarrollo de compuestos con actividad antimicrobiana y baja toxicidad celular (salvarsán), mientras que la contribución más relevante de Metchnikov fue sin duda la teoría general de la fagocitosis.

Resumen realizado por:
Mª Francisca Colom
Dpto. de Producción vegetal y Microbiología
Universidad Miguel Hernández
Facultad de Medicina
Sant Joan d’Alacant 03550. Alicante
colom@umh.es


Artículo original:
Juan-Carlos Argüelles.
The early days of the Nobel Prize and Golden Age of Microbiology.
Hektoen International. 2013 5(1).

Nuestra ciencia: Entendiendo cómo produce daños neurológicos la malaria cerebral

La malaria cerebral es la más importante enfermedad parasitaria que afecta al sistema nervioso central y es la causa del 80% de las muertes de los casos de malaria. Los que sobreviven suelen padecer secuelas neurocognitivas: memoria, lenguaje, visión, ataxia,… durante largos periodos, lo cual es mucho más preocupante en pacientes infantiles.

La causa de esas secuelas neurocognitivas que se observan en niños no es bien conocida. Se piensa que el parásito provoca una obstrucción microvascular y que dispara una respuesta inflamatoria exacerbada que provocaría esos daños neuronales. En el desarrollo cerebral el factor neurotrófico derivado de cerebro (BDNF) es un importante regulador de la sinaptogénesis, la plasticidad sináptica y la supervivencia neuronal, por lo que dicho factor podría jugar un papel en el mantenimiento de la integridad del sistema nervioso central en el caso de padecer malaria cerebral.

Investigadores de la Universidad Complutense han utilizado un modelo animal para estudiar la malaria cerebral y el papel del BDNF en la recuperación del sistema nervioso central. Para ello han utilizado ratones de la cepa C57BL/6 y los han infectado con Plasmodium berghei. Han observado que la progresión del daño neurológico en los cerebros de los ratones infectados se puede definir en cuatro etapas.

Inicialmente se observa un incremento en todas las regiones del cerebro de la expresión de marcadores de inflamación y de moléculas de adhesión: ICAM-1, VCAM-1, e-selectina y p-selectina. Posteriormente se observa la acumulación de glóbulos rojos parasitados. Las señales inmunológicas provocan que el proteosoma celular sea modificado y se transforme en un inmunoproteosoma, lo que causa que el reciclaje de las proteínas cerebrales se vea alterado, lo que puede conducir a un malfuncionamiento celular.

Según aumenta la severidad de los síntomas, se observa que la cantidad de mRNA de BDNF disminuye en varias regiones cerebrales. Primero en el tálamo-hipotálamo, luego el cerebelo, el tallo cerebral y finalmente el cortex. La disminución también se observa en otras importantes proteínas cerebrales como la llamada NCAM o proteína de adhesión neuronal. Esa disminución se correlaciona con el desarrollo de la cuarta etapa de la secuencia de la enfermedad y con la severidad de los síntomas.

Los autores apuntan que el control de la expresión de BDNF y de NCAM podría ser una buena diana terapéutica para modificar e incluso revertir los daños neurológicos causados por la malaria cerebral.

Resumen realizado por:
Manuel Sánchez
Profesor Contratado Doctor
Departamento de Producción Vegetal y Microbiología.
Universidad Miguel Hernández



Linares, M., Marín-García, P., Pérez-Benavente, S., Sánchez-Nogueiro, J., Puyet, A., Bautista, J., & Diez, A. (2013). Brain-derived neurotrophic factor and the course of experimental cerebral malaria Brain Research, 1490, 210-224 DOI: 10.1016/j.brainres.2012.10.040

Nuestra Ciencia:¿Qué pasa con los ácidos micólicos de las micobacterias atípicas?: que también estimulan alguna citoquinas importantes en la tuberculosis.

La bacteria Mycobacterium incluye los agentes de la tuberculosis (Mycobacterium tuberculosis) y de la lepra (Mycobacterium leprae), además de otros que son oportunistas y especies saprofíticas, las que se denominan micobacterias atípicas. Mycobacterium tiene una pared celular muy peculiar, cuya composición está relacionada con su patogenicidad. Por ejemplo, los ácidos micólicos son un tipo de ácidos grasos de cada larga típicos de Mycobacterium que suelen estar unidos a molécula de azúcares formando unos glucolípidos que se denomina factores "cord".

Estos factores "cord" son lípidos con una gran actividad biológica que están relacionados con algunos efectos patológicos de la tuberculosis. Por ejemplo, los factores “cord” de Mycobacterium tuberculosis inducen la secreción de varios tipos de citoquinas, que modulan la actividad del sistema inmune del huésped. Los estudios sobre las propiedades biológicas de los factores “cord” de las mycobacterias atípicas son escasos. Por eso, un grupo de microbiólogos de las universidades de Murcia y Autónoma de Barcelona, ha estudiado la capacidad de los factores “cord” de dos mycobacterias atípicas (Mycobacterium alvei y Mycobacterium brumae, aisladas de muestras de agua del rio Llobregat de Barcelona a principio de los años 90) de inducir la producción de citoquinas y la han comparado con el factor “cord” de Mycobacterium tuberculosis (cepa H37Rv).

Para ello, lo primero que han hecho es aislar los factores "cord" de esta dos micobacterias atípicas y caracterizarlos mediante técnicas de NMR. Han comprobado que aunque su estructura química es muy similar entre sí y con el factor "cord" de Mycobacterium tuberculosis, existen algunas pequeñas modificaciones estructurales entre los tres. Luego, han estudiado la capacidad de estimular la producción de citoquinas de estos factores "cord" en dos modelos celulares in vitro distintos. Han empleado líneas celulares de macrófagos de ratón (RAW 264.7) y de monocitos humanos (THP-1). Los resultados demuestran que los factores "cord" de las tres micobacterias estimulan la producción de la interleuquina 6 en células de ratón, aunque con distinta intensidad. En las células humanas, el perfil de interleuquinas estimuladas es similar en las dos micobacterias atípicas, pero diferente del de Mycobacterium tuberculosis. En definitiva, el patrón de inducción de diferentes citoquinas pro-inflamatorias por los factores “cord” de las micobacterias atípicas es similar entre sí, pero tienen ciertas diferencias respecto al patrón de inducción del factor "cord" de Mycobacterium tuberculosis.

Estos resultados sugieren por tanto que pequeños cambios en la estructura de los ácidos micólicos de los factores "cord" afectan a sus actividades biológicas. Futuros análisis podrían clarificar si estos factores "cord" de las micobacterias atípicas podrían ser empleados como estimuladores del sistema inmune o adyuvantes, así como su papel biológico en relación con la inmunología de la tuberculosis.

Resumen realizado por:
Ignacio López-Goñi
Catedrático de Microbiología,
Departamento de Microbiología y Parasitología, Universidad de Navarra



Linares C, Bernabéu A, Luquin M, & Valero-Guillén PL (2012). Cord factors from atypical mycobacteria (Mycobacterium alvei, Mycobacterium brumae) stimulate the secretion of some pro-inflammatory cytokines of relevance in tuberculosis. Microbiology (Reading, England), 158 (Pt 11), 2878-85 PMID: 22977091

Nuestra ciencia: Como Bacillus subtilis "regala" copias de su DNA a sus compañeros

El equipo, formado por Olga Zafra, María Lamprecht y Carolina González, y dirigido por Eduardo González-Pastor, del Departamento de Evolución Molecular del Centro de Astrobiología, ha demostrado que una población de Bacillus subtilis es capaz de coordinar la liberación de DNA al medio y su captación por otros individuos de la población, lo cual es muy importante desde un punto de vista evolutivo.

En ciencia no es raro que fenómenos que parecen ya explicados del todo revelen sorpresas cuando se miran con más detalle. Ese es el caso de los fenómenos de transferencia genética horizontal. Es decir, de cómo un microorganismo captura un fragmento de DNA que hay en el medio extracelular y lo mete en su interior, insertándolo en su genoma de tal forma que es capaz de expresar la información genética codificada en dicho DNA. El ejemplo más comentado es el caso de la transformación genética bacteriana con genes que codifican resistencias a los antibióticos.

¿Cuál es el origen de dicho DNA extracelular? Generalmente se asume que proviene de células que han sido lisadas y han liberado su contenido al medio ambiente. Ese DNA vagará por el medio ambiente, y probablemente será destruido o degradado, pero en ocasiones puede provocar un fenómeno de transformación genética si es captado por una bacteria.

En la bacteria B. subtilis también estaba descrito que en cultivos que se encontraban en la fase tardía de crecimiento exponencial se podían detectar cantidades apreciables de DNA extracelular. Lo que se suponía es que era debido a algún tipo de lisis de una subpoblación de las bacterias, pero lo que se han encontrado los investigadores del CAB es algo muy distinto.

Resulta que las bacterias secretan DNA al medio de manera activa cuando se encuentran en la fase tardía de crecimiento exponencial. Los fragmentos secretados corresponden a todo el genoma del microorganismos, lo que indica que no hay una región cromosómica con preferencia para exportar sobre otra región del genoma. Y no solo eso, también son más susceptibles a captar DNA extracelular. Es lo que se conoce como estado de competencia para los fenómenos de transformación genética.

El descubrimiento puede tener varias implicaciones para explicar diversas pautas evolutivas, sobre todo el papel de los fenómenos de transferencia horizontal en la aparición de nuevas especies microbianas. A nivel más práctico, podría ser muy útil para estudiar la dispersión de los genes de resistencia a los antibióticos y poder así poner un freno a dicho proceso tan importante desde el punto de vista de la salud pública.



Enlaces relacionados: Audio del programa "Tú, yo y los microbios" emitido el pasado 19 de diciembre y dedicado a este artículo




Zafra O, Lamprecht-Grandío M, de Figueras CG, & González-Pastor JE (2012). Extracellular DNA release by undomesticated Bacillus subtilis is regulated by early competence. PloS one, 7 (11) PMID: 23133654



Resumen realizado por
Manuel Sánchez
Profesor Contratado Doctor
Departamento de Producción Vegetal y Microbiología
Universidad Miguel Hernández

Nuestra Ciencia: ¿Podemos controlar el riesgo de transmisión de Salmonella en alimentos a través de modelos matemáticos?

Existe una tendencia en la industria alimentaria a evitar tratamientos drásticos finales para eliminar los microorganismos en los alimentos (alterantes o patógenos, como Salmonella). El control de los microorganismos se lograría mediante la aplicación de tratamientos sucesivos o combinados más leves (hurdle technology) que actúan como obstáculos (o barreras) que la microbiota debe superar para comenzar a crecer. En estas condiciones de los alimentos, las bacterias deben invertir sus energías en su mantenimiento (equilibrio homeostático) en vez de en su crecimiento.

La microbiología predictiva consiste en el desarrollo de modelos matemáticos de crecimiento/no crecimiento, que recojan los efectos individuales y combinados de cada una de dichas barreras para confirmar el control microbiano alcanzado mediante combinaciones de las mismas y poder así diseñar nuevos sistemas de control eficaces. Sin embargo, los mecanismos de acción de cada tratamiento no son completamente conocidos, lo que complica estos estudios.

Un grupo de investigación español ha publicado una buena revisión de cinco de estos modelos de crecimiento/no crecimiento desarrollados entre 2001 y 2011 y los ha comparado utilizando algunos de los factores de barrera implicados (temperatura, pH y actividad de agua ) con dos puntos de corte en las probabilidad calculadas. Esto les permite asignar un grado de conservadurismo a cada uno de los cinco modelos analizados. Además, comentan las principales herramientas predictivas en microbiología de alimentos (o modelos terciarios) incluyendo un software para modelaje de crecimiento/ no crecimiento (Microbial Responses Viewer). Por último, incluyen algunas advertencias sobre este tipo de modelos matemáticos para que se tengan en cuenta en investigaciones posteriores.



Carrasco, E., del Rosal, S., Racero, J., & García-Gimeno, R. (2012). A review on growth/no growth Salmonella models Food Research International, 47 (1), 90-99 DOI: 10.1016/j.foodres.2012.01.006


Resumen realizado por:

Aitor Rementeria
Profesor Titular
Departamento de Inmunología, Microbiología y Parasitología
Facultad de Ciencia yTecnología
Universidad del País Vasco (UPV/EHU)