Las bacterias son organismos procariotas que están presentes en todas las superficies del planeta, viviendo algunas especies en condiciones extremas de temperatura y de presión. Su distribución es tan amplia que tanto los tejidos vegetales como el cuerpo humano, son albergues perfectos para que crezcan dentro y sobre nosotros. Estos microorganismos pueden tener efectos benéficos o perjudiciales dependiendo de su tipo, su función o del tamaño de su población.
Las plantas y los animales han desarrollado un sistema inmunológico innato que se encuentra en constante alerta para responder a una amplia gama de moléculas microbianas para poder prevenir o combatir una infección. Asimismo, la capacidad de percibir las moléculas microbianas es fundamental para establecer las relaciones de simbiosis o de inmunidad.
Las bacterias se pueden clasificar como Gram positivas o Gram negativas, de acuerdo a su reacción a la tinción de Gram. Las Gram positivas adquieren una coloración azul oscuro o violeta, mientras que las Gram negativas una coloración rosa. Lo anterior es importante en el mundo de la medicina, ya que permite elegir un antibiótico adecuado al momento de combatir una infección. La diferencia en coloración se debe a la estructura de su envoltura celular: en bacterias Gram positivas, esta comprende una membrana citoplasmática y una pared celular compuesta por una gruesa capa de peptidoglicano que ayuda a la retención del colorante; mientras que las Gram negativas poseen dos membranas lipídicas entre las que se localiza una fina pared celular de peptidoglicano que permite el escape del colorante. En estas bacterias se encuentran ancladas en la membrana externa moléculas llamadas lipopolisacáridos (LPS).
En las últimas décadas se han realizado importantes avances para entender la participación de los lipopolisacáridos en las interacciones bacterianas con organismos eucariotas. Estos incluyen los mecanismos de reconocimiento y las respuestas que desencadenan, las cuales resultan interesantes de conocer ya que todos los días nos encontramos expuestos a ellos.
¿Qué son los lipopolisacáridos?
Los lipopolisacáridos son moléculas formadas por lípidos y carbohidratos, de ahí su nombre. A la porción lipídica se le denomina lípido A, mientras que los carbohidratos se dividen a su vez en dos regiones, un núcleo con un número variable de azúcares unido a una larga cadena de unidades repetidas de monosacáridos conocida como antígeno O.
La función principal de los lipopolisacáridos es mantener la rigidez de la membrana externa bacteriana haciéndola menos permeable, creando una barrera para protegerla de detergentes, antibióticos y toxinas, pero a la vez manteniendo la fluidez para permitir el paso de nutrientes. Al encontrarse en el exterior de la superficie celular, participan en la interacción de las bacterias con otras células, siendo reconocidos como toxinas por el sistema inmune de los animales. La región lipídica es la parte de la molécula que reconoce el sistema inmune del hospedero, mientras que la región del núcleo y del antígeno O, intervienen en los procesos de adhesión al huésped, promoviendo su virulencia.
Se tiene evidencia de que los lipopolisacáridos de bacterias que carecen del antígeno O y de su núcleo de oligosacáridos, son menos virulentas y casi no pueden sobrevivir dentro de sus huéspedes. Además, la región del antígeno O presenta variaciones en el número y en la composición de azúcares entre especies bacterianas, confiriéndoles una especificidad serológica que permite su identificación y clasificación en serotipos, lo cual ayuda a diferenciar a las bacterias a nivel de subespecie.
Detección de los lipopolisacáridos en humanos
En mamíferos se ha estudiado con detalle el proceso de reconocimiento de los lipopolisacáridos. Se sabe que para ser reconocidos por el sistema inmune son desprendidos de la membrana bacteriana por acción de la proteína de unión al lipopolisacárido LBP (Lipopolysaccharide Binding Protein) presente en el suero humano, formando un complejo LBP/LPS que se une a una proteína de membrana, la CD14 (Cluster of Differentiation 14), y dependiendo del tipo celular, puede funcionar como un receptor y activar una respuesta, o transferirlo a un complejo proteico TLR4/MD-2 (Toll-like Receptor 4 / Myeloid Differentiation 2). La proteína TLR4 pertenece a un grupo de receptores que reconocen moléculas componentes de la estructura de los microorganismos. Por esta característica, se denominan Receptores de Reconocimiento de Patrones moleculares o PRR (Pattern Recognition Receptor), los cuales están ubicados en la superficie de la célula y en citosol, y son requeridos para activar las respuestas de defensa inducidas por lipopolisacáridos como la inflamación, fiebre, activación de fagocitos (células inmunitarias encargadas de destruir organismos patógenos) y, en casos severos, sepsis o choque séptico como resultado de una respuesta inflamatoria exagerada.
Detección de los lipopolisacáridos en plantas
En las plantas, el proceso de reconocimiento de lipopolisacáridos es poco conocido. En Arabidopsis thaliana se encontró una proteína a la que se llamó Estimulación Reducida Específica por Lipooligosacárido, LORE (Lipooligosaccharide-Especific Reduced Elicitacion), la cual se requiere para percibir lipopolisacáridos de dos géneros de bacterias Pseudomonas y Xanthomonas. Esta proteína se identificó como un receptor tipo PRR, que requiere la molécula completa de lipopolisacárido o la región del lípido A para inducir la respuesta inmune de las plantas. Sin embargo, se desconoce si los lipopolisacáridos se tienen que encontrar dentro o fuera de la célula para hacer más accesible su unión al receptor, y si estos se unen directamente a LORE, o si se requiere la presencia de un correceptor, como en el caso de los mamíferos.
Recientemente, en plantas de arroz fue reportado otro receptor PRR involucrado en el reconocimiento de lipopolisacárido llamado Receptor Cinasa 1 del Elicitor Quitina, CERK1 (Chitin Elicitor Receptor Kinase 1). Anteriormente, esta proteína se había reportado como un receptor de la quitina (un carbohidrato que forma parte de la pared celular de los hongos) y posee un dominio involucrado en la percepción del Lípido A, pero ha sido poco estudiado.
Una diferencia sorprendente entre la detección de lipopolisacáridos en mamíferos y plantas es que para las plantas se requieren altas concentraciones, a saber, en un rango de 50 a 100 microgramos por mililitro, en contraste con las concentraciones picomolares de lipopolisacáridos en mamíferos, es decir, un millón de veces menos para que se active el sistema inmune.
Efectos de lipopolisacáridos de bacterias patógenas en las plantas
En las plantas, los lipopolisacáridos inducen la producción de compuestos antimicrobianos y la resistencia a las infecciones microbianas, a través de un fenómeno conocido como respuesta hipersensible que se caracteriza por la estimulación de la muerte celular en tejidos cerca de la infección para evitar la propagación de patógenos en los tejidos vegetales.
Los lipopolisacáridos de bacterias patógenas de los géneros Erwinia, Ralstonia, Xhanthomonas, Xylella, Burkholderia y Pseudomonas, estimulan el aumento del flujo de iones calcio al interior de la membrana, es decir al citosol, donde el calcio actúa como un segundo mensajero que desencadena una cascada de respuestas de defensa como la producción de especies reactivas de oxígeno, una de ellas es el óxido nítrico que participa en la expresión de genes de defensa y en la activación de proteínas relacionada con la patogénesis (PRP; Pathogenesis-Related Proteins) para atacar y eliminar a las bacterias. Además, aumentan la acumulación de compuestos fenólicos que funcionan como agentes antimicrobianos, a la vez que participan en el reforzamiento de la pared celular para evitar que las bacterias penetren en las células sanas. Los lipopolisacáridos de las bacterias patógenas Pectobacterium astrosepticum y Pectobacterium carotovorum, inducen respuestas diferentes en comparación con bacterias no patógenas de plantas, como la inducción de la muerte celular programada, la alcalinización en el medio, el tiempo de generación de especies reactivas de oxígeno y la inducción de genes de defensa, lo que sugiere que los lipopolisacáridos de bacterias patógenas y no patógenas, activan diferentes respuestas en las plantas.
Efecto de lipopolisacáridos de bacterias benéficas de plantas
Los lipopolisacáridos provenientes de bacterias promotoras del crecimiento vegetal estimulan el crecimiento de las plantas y mejoran su productividad. Por ejemplo, en las relaciones simbióticas de leguminosas con bacterias del género Rhizobium, los lipopolisacáridos favorecen el establecimiento de la interacción para la formación de nódulos que son las estructuras donde viven las bacterias. En plantas de trigo, la aplicación de lipopolisacáridos de Azospirillum brasilense, en condiciones de invernadero, aumentó la longitud de la lámina foliar, de la raíz y el peso fresco. También se aceleró la formación de espigas y la división celular en las raíces. Además, se estimularon algunas respuestas bioquímicas relacionadas con la defensa como la actividad de las enzimas peroxidasas, la producción de especies reactivas de oxígeno y el flujo de calcio. En otro estudio con lipopolisacáridos de Azospirillum, se reportó que estimulan la morfogénesis de tejidos no diferenciados de trigo. Además, se ha observado que la promoción del crecimiento vegetal por lipopolisacáridos de bacterias benéficas, está relacionado con la estimulación de rutas bioquímicas que regulan el metabolismo celular que conduce a la proliferación celular, el crecimiento y el desarrollo celular.
¿Hacia dónde avanzan las investigaciones con lipopolisacáridos?
Las investigaciones actuales con lipopolisacáridos están enfocadas en conocer su participación en enfermedades como el cáncer, ya que se ha revelado que la activación inmunitaria por los lipopolisacáridos puede ser perjudicial debido a que el receptor de LPS, el TLR4, desempeña un papel clave al permitir que las células cancerosas crezcan y promueve la metástasis.
Asimismo, su efecto inmunoestimulante se utiliza para el desarrollo de vacunas y otros tratamientos inmunoterapéuticos. Los lipopolisacáridos pueden servir como un marcador de diagnóstico temprano para infecciones. En la investigación clínica, las preparaciones de lipopolisacáridos son útiles para dilucidar la biosíntesis, el metabolismo, la inmunología, la fisiología y la toxicidad de estas moléculas. También se han estudiado para identificar posibles objetivos e inhibidores de anticuerpos.
En plantas, estas moléculas se utilizan para estudiar las respuestas de defensa, así como la promoción del crecimiento y para descifrar las vías que son activadas durante las interacciones planta-lipopolisacáridos. El análisis de plantas con mutaciones en los componentes de señalización, puede permitir una evaluación de su contribución en la resistencia a enfermedades de las plantas, evitando así pérdidas económicas en los cultivos.
Para Saber más:
Ormeño-Orillo, E. (2005). Lipopolisacáridos de Rhizobiaceae: estructura y biosíntesis. Revista Latinoamericana de Microbiología, 47(3-4), 165-175. https://www.medigraphic.com/pdfs/lamicro/mi-2005/mi05-3_4l.pdf
Renato, M. (2015). El sistema inmunitario de las plantas. Scilogs. Investigación y Ciencia. https://www.investigacionyciencia.es/blogs/medicina-y-biologia/53/posts/el-sistema-inmunitario-de-las-plantas-12979
Farhana, A. (2021). Biochemistry, Lipopolysaccharidae. Statpearls content is king. https://www.statpearls.com/ArticleLibrary/viewarticle/24323
Alma Alejandra Hernández-Esquivel. Estudiante del Programa de Doctorado en Ciencias en Biología Experimental, Instituto de Investigaciones Químico Biológicas, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia, Michoacán.
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Ernesto García-Pineda. Profesor e Investigador del Instituto de Investigaciones Químico Biológicas, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia, Michoacán.
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