16-especial resistencia antibiótica (1)

ESPECIAL

Resistencia antibiótica

CONTENIDOESPECIALResistencia antibiótica

Desarrollo de resistencia contra los antibióticosK. C. Nicolaou y Christopher N. Boddy

Investigación y Ciencia, julio 2001

Películas bacterianasJ. W. Costerton y Philip S. Stewart

Investigación y Ciencia, septiembre 2001

Mutación y resistencia a los antibióticosFernando Baquero, Jesús Blázquez y José Luis Martínez

Investigación y Ciencia, diciembre 2002

Nuevas tácticas contra bacterias resistentesChristopher T. Walsh y Michael A. Fischbach

Investigación y Ciencia, septiembre 2009

Vencer la resistencia a los antibióticosMónica Cartelle Gestal

Investigación y Ciencia, mayo 2013

Genética de la resistencia microbianaGautam Dantas y Morten O. A. Sommer

Investigación y Ciencia, agosto 2014

Un punto débil de la resistencia bacterianaCarl Zimmer

Investigación y Ciencia, marzo 2015

Una selección de nuestros mejores artículos para ahondar en la ciencia de la resistencia antibiótica.

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ESPECIAL n.o 16 ISSN: 2385-5657

En portada: Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades de EE.UU. | Imagen superior: iStock/-aniaostudio-

Desarrollo de resistencia contra los antibióticos

El estudio de los mecanismos que intervienen

en la adquisición bacteriana de resistencia contra los fármacos

nos enseña a diseñar medicinas más eficaces

K. C. Nicolaou y Christopher N. C. Boddy

1. LOS BIOQUIMICOS BUSCAN la derrota de los enterococos re-sistentes a la vancomicina. Esas bacterias medran ahora en pre-sencia del antibiótico.

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INVESTIGACIÓN‑Y‑CIENCIA,‑julio,‑2001 7

Los responsables de la administración sanita‑ ria y los médicos contemplan con temor fundado la creciente ineficacia de la far‑ macopea antibiótica. Uno tras otro, el do‑

ble centenar de antibióticos va quedando fuera de servicio, por inútil. Las bacterias que sobreviven se hacen más fuertes. Y se propagan. Cada vez hay más cepas resistentes a los antibióticos. La tuberculosis, la meningitis o la neumonía, infecciones que se comba‑tían con antibiótico, no se curan con la facilidad de antaño. Aumenta el número de infecciones bacterianas de pronóstico quizá letal.

Las bacterias son agresores astutos. Además, les hemos dado, y les seguimos concediendo, lo que necesitan para su éxito asombroso. Con el uso inade‑cuado o abusivo de los antibióticos hemos fomentado la evolución de cepas superiores de bacterias. Así ocurre cuando no completamos una tanda de antibióticos, los usamos para una infección vírica o lo aplicamos a un mal inadecuado. Se calcula que entre un tercio y la mitad de los antibióticos recetados no eran necesarios. Un 70 por ciento de los antibióticos que se producen cada año en los Estados Unidos se administra al ganado. Agregamos antibióticos al líquido de las lavadoras y al jabón de manos. Con todo ello, lo único que con‑seguimos es que la bacteria débil muera y la fuerte se torne más vigorosa [véase “La resistencia contra los antibióticos”, por Stuart B. Levy; InvestIgacIón y cIencIa, mayo de 1998].

Al margen de ese mal uso de la sociedad y de su abuso en clínica, el destino inevitable de los antibió‑ticos es su presto envejecimiento. Las bacterias —que se multiplican a través de muchas divisiones celulares a lo largo del día— siempre aprenden algo nuevo; algunas de las más fuertes sobrevivirán y prosperarán. Buena razón ésta para ganarles en astucia.

En los últimos diez años, hemos salido por fin de la situación de complacencia en que nos hallábamos sobre el dominio de las infecciones. Laboratorios de titularidad pública y empresas farmacéuticas se han volcado en la investigación antibacteriana. Se ensayan todos los procedimientos imaginables para atacar a las bacterias y se multiplican los antibióticos que se preparan con la información obtenida en el estudio del genoma y de las proteínas.

Pero ni la investigación apasionante ni el desarro‑llo de fármacos constituyen ninguna panacea. Ahora bien, si se combinan con un uso razonable de los antibióticos pueden prestarnos ayuda. La oficina nor‑teamericana sobre control de alimentación y fármacos (FDA) aprobó en abril del año 2000 el primer tipo

nuevo de antibiótico clínico en 35 años; el linezolid. En lista de espera, o en fases previas, hay varios agentes más.

El desmantelamiento de la pared bacteriana

Casi todos los antibióticos que se han desarrollado hasta la fecha proceden de la naturaleza. Los

científicos los han identificado y los han refinado, pero no los han creado. Desde el comienzo de la vida en nuestro planeta, los organismos han luchado por los limitados recursos que tenían a su disposición. De esa pugna surgió la evolución de los antibióticos. La capacidad de producir tales compuestos podero‑sos confiere a un organismo —hongo, planta u otra especie bacteriana— una ventaja sobre las restantes bacterias sensibles al antibiótico. En esa presión de selección se esconde el motor natural del desarrollo de los antibióticos.

Nos integramos en semejante carrera armamentís‑tica de los organismos con el descubrimiento de la penicilina en 1928. Alexander Fleming, del hospital clínico Santa María de la Universidad de Londres, advirtió que el moho Penicillium notatum mataba las bacterias Staphylococcus que crecían cercanas en agar en una placa de petri. Se había inaugurado el campo de los antibióticos. El análisis al azar de otros compuestos, procedentes o no de mohos, para averiguar si destruían bacterias o retardaban su desa‑rrollo, llevó a la identificación de una amplia gama de antibióticos.

Entre los que han conocido mayor éxito se cuenta la vancomicina, identificada por los laboratorios Eli Lilly en 1956. El comprender su mecanismo de operación —una proeza que ha llevado más de tres decenios culminar— nos ha permitido adentrarnos en el me‑canismo de acción de los antibióticos glicopéptidos, una de las siete clases principales. Se trata de un avance importante, por cuanto la vancomicina se ha convertido en el último recurso, el único fármaco efi‑caz que nos queda frente a la infección más letal que puede contraerse en el hospital: la del Staphylococcus aureus, resistente a la meticilina. Pero el poder de la vancomicina se encuentra en peligro.

La vancomicina ataca la pared bacteriana; ciñe ésta a la célula y su membrana, confiriéndole estructura y sostén. Ni la vancomicina ni otros fármacos afines dañan las células de humanos y mamíferos, que carecen de tal pared (poseen en cambio un citoes‑queleto, una estructura interna que les da consisten‑cia). La pared bacteriana consta fundamentalmente de peptidoglicanos, un material que, de acuerdo con su nombre, contiene péptidos y azúcares. A medida que la célula organiza este material —un proceso constante, porque todo peptidoglicano necesita reem‑plazarse cuando se degrada—, las unidades glucídicas se unen entre sí mediante la acción de la enzima transglucosidasa y forman una suerte de malla. En esta estructura, una de cada dos unidades de azúcar porta enlazada una cadena peptídica corta. Cada cadena peptídica posee cinco aminoácidos, de los

K. C. NICOLAOU y CHRISTOPHER N. C. BODDY han trabajado juntos en el Instituto Scripps de Investigación en La Jolla, California. Allí Nicolaou, autor de más de 500 pu‑blicaciones y poseedor de 50 patentes, dirige el departamento de química, donde Boddy se doctoró con una investigación sobre la síntesis de la vancomicina.

Los autores

cuales los últimos son una l‑lisina y dos d‑alaninas. Se encarga la enzima transpeptidasa de reunir las cadenas peptídicas, eliminando la d‑alanina final y uniendo la d‑alanina penúltima a una l‑lisina de una cadena de azúcares diferente. En razón de ello, las cadenas de glúcidos quedan amarradas mediante cadenas peptídicas. Todos estos enlaces cruzados tejen un material muy trenzado, esencial para la supervivencia de la célula; sin él, la célula estallaría por su propia presión interna.

La vancomicina se interpone en la formación de ese material decisivo. El antibiótico se halla cabalmente preparado para unirse a las cadenas peptídicas, antes de que éstas lo hagan entre sí por intervención de la transpeptidasa. El fármaco, al engarzarse en las d‑alaninas terminales, evita que la enzima lleve a cabo su tarea. Sin la espesura de conexiones entrelazadas, el peptidoglicano se degrada, cual paño mal urdido. La célula se desgarra y muere.

Minando la resistencia

El encaje perfecto de la vancomicina en el extremo de la cadena peptídica resulta clave para su efi‑

cacia antibiótica. Por desgracia, su conexión peptídica es también decisiva para la resistencia bacteriana. En 1988 apareció un S. aureus resistente a la van‑comicina en tres lugares distintos. Hay motivo para preocuparse de la posibilidad de expansión de las cepas, que dejarían sin tratamiento las infecciones letales de estafilococos.

Si conocemos el mecanismo de resistencia, podre‑mos derrotarla. La investigación concentra ahora su atención en otra bacteria que, desde finales de los

años ochenta, se sabe que es resistente a este fármaco poderoso: el enterococo resistente a la vancomicina (VRE). En la mayoría de las bacterias enterocócicas, la vancomicina cumple con su misión de unirse a las dos d‑alaninas terminales. En el plano molecular, tal unión comporta la formación de cinco enlaces o puentes de hidrógeno, a la manera de cinco dedos que aprieten una pelota. Pero en la VRE la cadena peptídica difiere ligeramente. Aquí, la d‑alanina final está alterada por una sustitución simple: un oxígeno reemplaza al par de átomos constituido por un nitró‑geno unido a un hidrógeno. En términos moleculares, esta sustitución determina que la vancomicina se una a la cadena peptídica con sólo cuatro enlaces de hidrógeno. La pérdida de uno de estos enlaces ge‑nera la diferencia. Si son sólo cuatro los dedos que aprietan la pelota, el fármaco no puede aferrarse bien; las enzimas consiguen entrometerse y posibilitar que las cadenas peptídicas se unan de nuevo. Una mera sustitución atómica reduce en un factor de 1000 la actividad del medicamento.

Se han estudiado también otros antibióticos gli‑copeptídicos con la esperanza de observar si los hay con una estrategia que la vancomicina pudiera adoptar frente a los VRE. Se da la circunstancia de que algunos miembros de ese grupo de antibióticos poseen largas cadenas hidrofóbicas, muy útiles. Es‑tas cadenas prefieren rodearse de otras moléculas hidrofóbicas, como las que constituyen la membrana celular, oculta tras el escudo peptidoglicano protector. Los investigadores de Eli Lilly, trabajando sobre esa pauta, han unido cadenas hidrofóbicas a la vanco‑micina y creado el análogo LY333328. El fármaco se adhiere a la membrana celular en concentraciones

8 INVESTIGACIÓN‑Y‑CIENCIA,‑julio,‑2001

StaphylococcuS aureuS FRENTE A PENiciliNA

enterococcuS faecium FRENTE A ciPRoFloxAciN (ciPRo)

StreptococcuS pneumoniae FRENTE A TETRAcicliNA

StaphylococcuS aureuS FRENTE A METiciliNA

enterococcuS faecium FRENTE A AMPiciliNA

StreptococcuS pneumoniae FRENTE A PENiciliNA

70%32% 37%

10%70%98%RESISTANT

MUCHOS ANTIBIOTICOS han dejado de ser efica-ces contra determinadas cepas bacterianas. Ofre-cemos algunos ejemplos recogidos en distintos hospitales a finales de los años noventa. Una cepa de Staphylococcus aureus encontrada en Corea es resistente hasta el 98 por ciento frente a la penicilina (arriba a la izquierda); otra, hallada en los Estados Unidos, es resistente hasta el 32 por ciento contra la meticilina (abajo a la izquierda). De momento, ninguna cepa de éstas es resistente a la vancomicina.

Resistencia creciente


elevadas, lo que permite un agarre más firme y, en consecuencia, un poder mayor contra el peptidoglicano. Este análogo es eficaz contra los VRE y se halla en fase de ensayo clínico.

Otros antibióticos glicopeptídicos emplean una es‑trategia diferente. Se trata de la dimerización, proceso en cuya virtud dos moléculas se unen entre sí para formar un complejo unitario. Al crear parejas, o dí‑meros de vancomicina, podemos reforzar la fuerza del fármaco. Una molécula de vancomicina se une al peptidoglicano y arrastra la aproximación de la otra mitad del par, la otra molécula de vancomicina. Aumenta así la eficacia del fármaco con su presencia mayor. En nuestro laboratorio nos proponemos facilitar el emparejamiento de la vancomicina; hemos logrado ya varias moléculas de vancomicina diméricas con una actividad excepcional frente a VRE.

Pese a todo, podríamos fracasar. Se acaba de des‑cubrir un segundo mecanismo en virtud del cual la VRE engaña a la vancomicina. En vez de sustituir un átomo en la d‑alanina terminal, la bacteria agrega un aminoácido mayor que la d‑alanina en el extremo de la cadena peptídica; de ese modo, el aminoácido evita que la vancomicina llegue a su destino.

Comenzamos a desentrañar también el método que sigue el letal S. aureus para adquirir resistencia. La bacteria apelmaza la capa de peptidoglicano y relaja, a la vez, la unión entre los segmentos peptídicos. No importa, pues, que la vancomicina se engarce en la d‑alanina; el espesor ha sustituido a la interconexión como fundamento de la fuerza del peptidoglicano. La inserción de la vancomicina carece de eficacia.

El filo de la navaja

Nos enseña la historia de la vancomicina que bas‑ tan alteraciones moleculares muy pequeñas para

engendrar profundas diferencias. Y las bacterias encuen‑tran múltiples estrategias para engañar a los fármacos, lo que obliga a la búsqueda de medicamentos, nuevos o regenerados. Tradicionalmente, el proceso de iden‑

tificación de candidatos consistía en un muestreo con células íntegras: las moléculas de interés se aplicaban a células bacterianas vivas. Se trata de un método de probada utilidad, corroborado con el descubrimiento de muchos fármacos, la vancomicina incluida. Suma a su sencillez el rastreo de toda diana posible del fármaco en la célula. Pero la criba de numerosas dianas pre‑senta también inconvenientes. El hombre y las bacterias comparten diversas dianas; los compuestos que actúan contra éstas resultan tóxicos para las personas. Con tal barrido no se saca ninguna información acerca del mecanismo de acción: se sabe que un agente actuó, pero no cómo. Sin ese conocimiento imprescindible, es casi imposible que un nuevo fármaco llegue al dispensario.

Los ensayos que se realizan en dominios mo‑leculares ofrecen una alternativa poderosa. A través de ese muestreo se identifican sólo los compuestos que tienen una mecanismo de acción especificado. Pensemos, por ejemplo, en la búsqueda específica de inhibidores de la transpeptidasa. Pese a la dificultad que entraña el diseño de tales ensayos, descubre fár‑macos potenciales con modos de acción conocidos. El problema es que sólo se investiga una enzima cada vez. Se daría un gran paso si pudiéramos perseguir simultáneamente más de un objetivo (como ocurre en el proceso en que participan células íntegras) sin merma del conocimiento implícito del mecanismo de operación del fármaco. El gran paso se ha dado. Se ha reconstruido en el tubo de ensayo la vía mul‑tienzimática de una bacteria. Con este sistema se pueden identificar moléculas que degradan profun‑damente una de las enzimas o alteran de un modo sutil varias de ellas.

Con la automatización y la miniaturización se ha multiplicado la celeridad en el cribado de compuestos. La robótica permite estudiar los compuestos a millares. Al mismo tiempo, la miniaturización ha reducido el costo del proceso utilizando cantidades mínimas de reactivos. Con sistemas de cribado ultrarrápidos, po‑demos investigar cientos de miles de compuestos en un día. Merced a los nuevos métodos de la química combinatoria podemos diseñar cantidades inmensas de compuestos [véase “Química combinatoria y nuevos fármacos” por Matthew J. Plunkett y Jonathan A. Ell‑man; InvestIgacIón y cIencIa, junio de 1997]. En el futuro, algunas de estas moléculas nuevas procederán de las mismas moléculas. Una vez que comprendamos la vía por la que estos organismos producen antibióticos, la ingeniería genética facilitará la síntesis de nuevas moléculas relacionadas con ellos.

La ventaja de la genómica

El diseño de fármacos y su muestreo se han be‑ neficiado enormemente del desarrollo reciente

de la genómica. Con el conocimiento de los genes y de la síntesis de las proteínas por ellos cifradas, la ciencia se ha adentrado en las propias entrañas moleculares del organismo. A la manera de un ser‑vicio de contraespionaje microbiano, importa ahora atentar contra genes de importancia capital, bloquear

10 INVESTIGACIÓN‑Y‑CIENCIA,‑julio,‑2001

la síntesis de una proteína específica o alterar la capacidad de un organismo para infectar o desarro‑llar resistencia.

Muchos de los objetivos contra los que van dirigi‑dos los antibióticos son genes esenciales, genes que provocan la muerte celular si dejan de funcionar. Apenas si cuesta la pronta identificación de dichos genes. Pensemos en un análisis sistemático de los 6000 genes de la levadura Saccharomyces cerevisiae. Podemos alterar experimentalmente cada uno de estos genes y determinar el efecto en la levadura.

Las proteínas codificadas por los genes esenciales no son los únicos objetivos moleculares en la búsqueda de antibióticos. Importan también los genes que codi‑fican factores de virulencia; eluden éstos la respuesta inmunitaria del huésped y de ese modo preparan el terreno para la colonización de la bacteria. Resultaba antaño harto difícil identificar tales genes porque se “activan” o transcriben por sucesos en el tejido del

huésped cuya reproducción in vitro se hacía muy compleja. Mas con la técnica actual de expresión in vivo (IVET) se puede insertar una secuencia singular de ADN, una forma de etiqueta que desactiva un gen, en cada gen bacteriano. Se aplican bacterias etiquetadas para infectar un organismo, se recuperan luego y se identifican las etiquetas. La desaparición de cualquier etiqueta significa que los genes a los que estaban unidas eran esenciales para la supervivencia de la bacteria, tan esenciales que la bacteria no podría sin ellos vivir en el huésped.

Desde hace tiempo se esperaba que la identificación e inhibición de los factores de virulencia permi tieran al sistema inmunitario del organismo combatir las bacterias patogénicas antes de su instalación. Algo se ha avanzado. En un estudio reciente, una molécula experimental que inhibe el factor de virulencia de S. aureus ha servido para que los ratones de prueba resistieran la infección.

Además de investigar los genes esenciales y los factores de virulencia, los laboratorios empiezan a descubrir qué genes confieren resistencia a los antibió‑ticos. La polarización en ellos del ataque nos ayudará a rejuvenecer antibióticos desechados por ineficaces. En esa línea laboran los antibióticos β‑lactámicos como la penicilina. El mecanismo habitual de resis‑tencia contra los antibióticos β‑lactámicos estriba en la producción bacteriana de β‑lactamasa, enzima que corta uno de los enlaces del antibiótico, cambiando su estructura y evitando la inhibición de la transpep‑tidasa. Si se silencia la β‑lactamasa, el antibiótico permanece eficaz. Eso es justamente lo que hace el ácido clavulánico, un inhibidor de la β‑lactamasa: se mezcla con la amoxicilina para crear el antibiótico Augmentine.

Cuando en un futuro próximo dominemos mejor la transcripción del ADN, será práctica rutinaria la identificación de determinantes de resistencia, como la β‑lactamasa, y factores de virulencia. Habrá llegado entonces el momento de poder identificar los genes que intervienen en diferentes condiciones de desarro llo celular. Mediante la identificación de los genes bacte‑rianos cuya expresión aumenta al infectar un huésped determinaremos los genes de virulencia. Estableceremos los genes de resistencia a los antibióticos mediante la comparación entre niveles de expresión en bacterias tratadas con antibióticos y los manifestados en bac‑terias sin tratar. Aunque en su infancia, esta técnica ha detectado cambios minúscu los en el número de episodios de transcripción. Con el dominio del perfil de transcripción del ADN, podrá establecerse si de‑terminados fármacos aplican mecanismos de acción totalmente nuevos o tienen dianas celulares inéditas que podrían señalar caminos a la investigación anti‑biótica no transitados.

Sacrificio del mensajero

En otra línea interesante de la investigación genó‑ mica se busca la inoperancia del ARN bacteriano.

En su mayor proporción, el ARN es ribosómico (ARNr), componente estructural principal de los ribosomas. Son

LOS ANTIBIOTICOS combaten las infecciones impidiendo que la bacteria sintetice sustancias esenciales. La vancomicina y los antibióticos β-lactámicos obstaculizan la síntesis de la pa-red celular (1 ). La eritromicina y la tetraciclina alteran los ribosomas donde se sintetizan las proteínas (2 ). Los antibióticos quinolónicos in-hiben enzimas que participan en la replicación del ADN (3 ), y los antibióticos de sulfonamida obstaculizan también la síntesis de ADN (no representados).

PARED cElUlAR

PRoTEiNA

1ANTiBioTico

RiBoSoMAENZiMA

2 3

Mecanismo de acción de los antibióticos


éstos fábricas de ensamblaje de las proteínas. La vul‑nerabilidad del ARN ribosómico yace en la diversidad de lugares donde pueden anclarse los fármacos. Carece, además, de capacidad para autorrepararse. En 1987 se comprobó que los antibióticos aminoglicósidos —la estreptomicina, entre ellos— se unían al ARNr, lo que comportaba que el ribosoma errase en la lectura del código atinente al ensamblaje de la proteína. Muchos de estos antibióticos, sin embargo, amén de ser tóxi‑cos, presentan una utilidad limitada. En el Instituto Scripps de Investigaciones de La Jolla se acaba de observar un nuevo dímero de aminoglicósido sintético que muestra menor toxicidad.

Podemos entorpecer la acción del ARN mensajero (ARNm), que dirige la síntesis de proteínas y cursa entre el código genético y el ribosoma. El ARN mensajero se crea mediante la lectura de una de las hebras del ADN, aplicando las mismas interacciones entre ácidos nucleicos, o pares de bases, que mantienen unida la doble hélice. La molécula de ARNm porta entonces el mensaje al ribosoma, donde se sintetiza una proteína a través del proceso de traducción. Puesto que cada ARNm codifica una proteína específica y difiere de otros ARNm, contamos con la posibilidad de forjar otras interacciones entre pequeñas moléculas orgánicas —esto es, no proteínas— y ARNm específicos. Es ni más ni menos lo que se les ha ocurrido a químicos de Parke‑Davis para combatir la infección de VIH. Tras identificar moléculas que se unen a una parte de una secuencia de ARNm, evitan que ésta interaccione con una proteína activadora necesaria, inhibiendo así la replicación del VIH. Semejante logro experimental debería incitar nuevos estudios sobre el ARNm en la búsqueda de fármacos.

Se trabaja con similar empeño en el dominio de la terapia antisentido. Al generar secuencias de nucleótidos con una secuencia específica de ARNm, encorsetan dicho ácido nucleico. Así aherrojado, el ARNm no puede liberarse del fármaco; o se destruye o queda inactivo. Aunque la FDA ha aprobado ya el primer

fármaco antisentido para infecciones del citomegalo‑virus en el hombre, este tipo de medicamentos no han tenido éxito en las infecciones bacterianas, por diversas razones, entre ellas la toxicidad y la dificultad de que el fármaco alcance una concentración adecuada en el sitio de la infección. Pese a todo, se trata de un campo esperanzador.

De lo que no cabe duda es de que todos estos planteamientos genómicos facilitan la identificación y evaluación de una gama de objetivos biológicos contra los que pueden dirigirse moléculas eficaces. Quedan descartados, por nocivos, numerosos antibióti‑cos desarrollados en el siglo xx. Pero al comparar la secuencia génica del objetivo potencial con los genes que se encuentran en el hombre, podemos identificar genes exclusivos de las bacterias; una vez acotados, podemos concentrar la atención sobre ellos. Igualmente, al comparar la secuencia génica de un objetivo con las de otras bacterias, podemos evaluar la selectividad de un fármaco. Una secuencia objetivo que aparece en todas las bacterias habría de generar, con probabilidad, un antibiótico activo contra muchas bacterias diferentes; vale decir, un antibiótico de amplio espectro. Por el contrario, una secuencia objetivo que aparece sólo en el genoma de algunas bacterias generaría un antibiótico de margen estrecho.

Si los médicos descubren en una fase temprana la cepa bacteriana causante de la infección, pueden afinar y recetar un antibiótico de espectro limitado. Puesto que el medicamento afectará sólo a un subgrupo de la población bacteriana, la presión de selección para desarrollar resistencia será escasa. Los avances en replicación rápida del ADN y en la obtención de perfiles de transcripción podrán hacer que pronto la identificación de cepas bacterianas constituya un pro‑tocolo rutinario.

Aunque el cuadro parezca ahora más nítido que años atrás, conviene no perder de vista que, en biología, la carrera armamentística no es cosa nueva. A cada contraataque del hombre le seguirá una respuesta de la bacteria, del tipo que sea; a veces le basta con cambiar un átomo de un aminoácido.

the comIng Plague: newly emergIng dIseases In a world out of Balance. Laurie Garrett. Penguin USA, 1995.

the chemIstry, BIology, and medIcIne of the glyco-PePtIde antIBIotIcs. K. C. Nicolaou, Christopher N. C. Boddy, Stefan Bräse y Nicolas Winssinger en Angewandte Chemie International Edition, vol. 38, n.o 15, págs. 2096‑2152; 2 de agosto de 1999.

genome ProsPectIng. Barbara R. Jasny y Pamela J. Hi‑nes en Science, vol. 286, págs 443‑491; 15 de octubre de 1999.

Bibliografía complementaria

PelículasbacterianasLas colonias bacterianas son causa de las infecciones

más tenaces que se conocen. Para vencerlas hay que

aniquilar sus sistemas de comunicación

J. W. Costerton y Philip S. Stewart

1. LAS LENTILLAS (a la izquierda)se encuentran entre las superfi-cies cotidianas que pueden ser co-lonizadas por las películas bacte-rianas, que son comunidades demicroorganismos inmersos en unababa espesa. La mostrada encimacorresponde a un caso de lentillasy originó presumiblemente la in-fección de córnea diagnosticadaal propietario.

Mermar la capacidad de comunicación del enemigopuede resultar mucho más efectivo que destruir susrefugios o sus fábricas en la guerra contemporá-nea, como bien saben los estrategas. Muchos in-

vestigadores piensan que hay que actuar de la misma maneraen la lucha contra las bacterias más peligrosas.

Los microbios responsables de muchas de las infecciones máspersistentes se organizan en complejos y tenaces entramados opelículas biológicas —biopelículas—, casi imposibles de erra-dicar con los antibióticos corrientes. La investigación médicareciente ha descubierto que cuando los microorganismos se dis-ponen de esta forma dependen de manera decisiva de su ca-pacidad para enviarse señales unos a otros. Los productos quí-micos capaces de interferir con esos mecanismos de comunicaciónpodrían impedir las infecciones originadas por ellos o debili-tarían sus bastiones, con lo que permitirían combatir un granrango de enfermedades, que abarca desde las neumonías quese presentan repetidamente en pacientes con fibrosis quística,hasta aquellas infecciones de progresión lenta que proliferanfrecuentemente alrededor de las prótesis médicas.

Actualmente ya se están evaluando fármacos inhibidores dela comunicación bacteriana en modelos animales, pero hay quepreguntarse por qué ha tardado tanto en entrar en el arsenalmédico arma tan elegante. La respuesta se reduce a decir quelos microbiólogos han tardado mucho tiempo en conocer ple-namente al enemigo con el que tienen que enfrentarse. Desdefinales del siglo XIX, cuando los estudios de Robert Koch enAlemania demostraron la causa microbiológica de las enfer-medades, la mayoría de la gente, científicos incluidos, ha con-siderado a las bacterias como meras células aisladas que flo-tan o nadan en alguna clase de medio líquido, en ocasiones

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56 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, septiembre, 2001

formando parte del cuerpo humano. Esta ima-gen deriva de la forma en que suele exami-narse a estos organismos, dirigiendo los mi-croscopios sobre células que han sido cultivadasy suspendidas en algún tipo de fluido. Di-cho procedimiento es conveniente, pero noel más adecuado, ya que las condiciones ex-perimentales no son un reflejo real del me-dio ambiente microbiano. Las bacterias cul-tivadas en el laboratorio de forma tradicionalactúan en consecuencia de manera distinta alas que se encuentran en la naturaleza.

Hace muy pocos años que los bacteriólo-gos hemos profundizado en el modo de vidade los microbios causantes de enfermedades.Nuestro trabajo muestra que de hecho mu-chos de esos organismos no emplean dema-siado tiempo flotando como células aisladas,sino que más bien se adhieren a una granvariedad de superficies húmedas en coloniasorganizadas que, a su vez y sorprendente-mente, forman diversas comunidades.

En retrospectiva no deja de maravillar quese haya pasado por alto este modo de vidabacteriano durante tanto tiempo. Sobre todocuando las películas bacterianas se encuen-tran por doquier, pues la placa dental a laque nos enfrentamos cada día, la capa res-baladiza que cubre las rocas de un arroyo ola baba y el limo que inevitablemente se ma-terializan en el fondo de un jarrón de floresal segundo o tercer día no son sino merosejemplos. Las bacterias, nuestro sujeto de es-tudio, no están empero solas a la hora de

crear películas biológicas. Muy al contrario,la diversidad genética de microorganismoscapaces de organizarse en barnices vivientesy la gran cantidad de ambientes que puedencolonizar nos convence de que se trata deuna antigua estrategia de crecimiento micro-biano. Pero la apreciación y la comprensiónde esta estrategia son un fenómeno recientepara la comunidad científica.

Gérmenes en Planilandia

Algunos biólogos han intentado desde hacebastante tiempo examinar las bacterias

que viven en las películas usando los mi-croscopios habituales; los hay que llegarona emplear el microscopio electrónico. Siem-pre vieron algunas bacterias, pero fueron in-capaces de obtener imágenes claras del in-terior de las películas vivientes, por lo quela conclusión repetida fue que las células delinterior estaban en su mayoría muertas o sedistribuían en grupos sin orden alguno. Estateoría permaneció sin apenas cambios hastahace un decenio, momento en que los bac-teriólogos comenzaron a utilizar la técnicadenominada microscopía confocal por explo-ración con láser, que permite seccionar y verplanos de la micropelícula a distintas pro-fundidades, planos que después pueden serapilados para crear una representación tridi-mensional.

Esta fue la metodología aplicada por JohnR. Lawrence, Douglas E. Caldwell y Cos-terton en 1991 en un esfuerzo conjunto paraestudiar la estructura de las biopelículas. De-mostramos que las bacterias crecían en pe-queños enclaves, a los que llamamos micro-colonias. Las propias bacterias no suelenconstituir ni la tercera parte de la materiapresente. El resto es una sustancia blanda ypegajosa secretada por ellas y que invaria-blemente absorbe agua y atrapa partículas pe-queñas.

Esta sustancia o baba espesa, a la que for-malmente se llama la matriz extracelular,mantiene unidas las microcolonias. Una pe-lícula biológica está constituida por infini-dad de este tipo de grupúsculos, separadospor una red de canales de agua. El líquidoque fluye por esos diminutos conductos bañacada congregación microbiana, aportando nu-trientes disueltos y eliminando productos dedesecho. Las células situadas en la periferiade una microcolonia están bien servidas porel sistema de tuberías, mientras que las delinterior permanecen sometidas a un bajo yrestringido suministro. La densa agregaciónde células que las rodea y la matriz orgá-nica que las mantiene unidas actúan de ba-rrera para el flujo de agua. Las células delcentro de la colonia tienen que sobrevivir

2. PELIGRO EN LOS TU-BOS. Las películas que

se forman en los catéte-res urinarios son fuentehabitual de infecciones.

El riesgo es pequeñocuando los tubos se co-

locan por cortos perío-dos de tiempo, pero elpeligro aumenta si se

usan prolongadamente.Un estudio fechado en

1996 demostró que lasinfecciones afectaban aentre el 10 y el 50 porciento de los pacientes

después de una semana.Después de un mesprácticamente todos

ellos estaban infectados.

por tanto con los nutrientes que buenamentese difundan hacia ellas. A pesar de lo cualel suministro no es completamente nulo. Comoel pegamento es agua en su mayoría, las mo-léculas pequeñas pueden moverse libremente,aunque existan ciertas excepciones impor-tantes. A una sustancia le resultará muy di-fícil difundirse hacia el interior de la mi-crocolonia si reacciona con las células o conel material de la matriz extracelular que en-cuentra a su paso.

La posibilidad de reacción química da lu-gar a cambios ambientales de pequeña es-cala dentro de la biopelícula. Dichas varia-ciones fueron observadas incluso antes deque la microscopía confocal revelase la causa.Nuestro colega Zbigniew Lewandowski co-menzó a tomar medidas directas de las con-diciones químicas de las biopelículas en 1985,utilizando microelectrodos en forma de agujacon las puntas separadas por tan sólo unacentésima de milímetro. Así encontró, entreotras cosas, que la concentración de oxígenopuede variar radicalmente entre posicionestan próximas como las separadas por cincocentésimas de milímetro, poco más de la an-chura de un cabello humano. Se mide la con-centración de oxígeno de una comunidad bac-teriana porque es un indicador del estado

fisiológico de las células. Por ejemplo, unapelícula viva compuesta exclusivamente porPseudomonas aeruginosa (la bacteria res-ponsable de la neumonía en la fibrosis quís-tica) muestra actividad celular y prolifera-ción únicamente allí donde pueda penetrar eloxígeno, esto es, en las dos o tres centési-mas de milímetro más externas de cada mi-crocolonia. Las células restantes permanecenvivas pero durmientes. Esta mezcla de esta-dos metabólicos difiere de la típica unifor-midad de los cultivos de laboratorio.

La diversidad de ambientes químicos quesurgen dentro de una misma biopelícula im-plica que el aspecto que presente una célulay su modo de actuar puedan ser muy dife-rentes de los de una vecina, aunque ambassean genéticamente idénticas. También sonlas condiciones locales las que regulan laproducción de toxinas y de otros agentes de-sencadenantes de enfermedades elaboradospor las células microbianas que crecen enestas capas. La consecuencia es que algunascélulas puede que inflijan poco daño al hués-ped mientras que otras resulten letales. Ladiversidad de ambientes químicos tambiénpuede permitir que varias especies bacteria-nas vivan una al lado de otra sin problemas.Hay ocasiones en las que una de ellas sealimenta de los desechos metabólicos de laotra, de modo que ambas se ayudan.

Hay un caso interesante cuyas líneas ge-nerales se comprenden desde 1940, el de lasbiopelículas que se forman en los alimentosingeridos por el ganado vacuno y por otrosrumiantes. Las películas están hechas ini-cialmente de organismos que digieren la ce-lulosa de la materia vegetal y producen áci-dos grasos. Cuando estas bacterias hanproducido suficientes ácidos grasos como para

INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, septiembre, 2001 57

3. CABALLOS DE TROYA.A pesar de las extrema-das precauciones que setoman, hay veces quelas películas bacterianasse introducen en los me-dicamentos. En 1993 yen 1994, cien personasasmáticas murieron de-bido a que el albuterolque inhalaban conteníaPseudomonas aeruginosa,una bacteria de las queforman biopelículas. Laidentificación del fococondujo hasta un conte-nedor usado durante elproceso de elaboración.Otra famosa bacteriaformadora de biopelícu-las, P. cepacia, colonizóvarias botellas de unpotente antiséptico(povidone-iodine),causando infeccionesentre los pacientesde un hospital infantilde Texas en 1989.

4. LA PLACA DENTALes una biopelícula.

Es sorprendente queun número crecientede pruebas relacione

la placa dentalcon las dolencias

cardíacas.

J. W. (“BILL”) COSTERTON y PHILIP S. STEWARThan trabajado juntos desde hace casi 10 años.Costerton es doctor en bacteriología y director delCentro de Ingeniería de Biopelículas en la Uni-versidad del Estado de Montana. Stewart es doc-tor en ingeniería química, subdirector y coordina-dor de investigación de la misma institución.

Los autores

inhibir su propio crecimiento, células móvi-les de Treponema y de otras especies inva-den la película y comienzan a usar esas sus-tancias como combustible para su propiometabolismo. Así es como el forraje vegetaldesaparece y es transformado en una masabacteriana que el animal digiere más tarde.De modo que se puede decir que las vacasviven de películas bacterianas y no de heno.

Estas películas son claramente imprescindi-bles para los rumiantes. Pero para el resto denosotros no tienen mayor significación o seconvierten en una seria amenaza para la sa-lud. De hecho pueden sobrevivir a la mayo-ría de los tratamientos químicos disponiblespara el control bacteriano utilizados en medi-cina y en los procesos industriales, tratamientosque por lo demás erradicarían rápidamente alas bacterias flotantes. Además pueden evadira las moléculas producidas por las células delsistema inmune. Tal es la razón de que lasinfecciones provocadas por películas bacteria-nas tiendan a ser muy persistentes.

Los microbios más duros

¿Aqué se debe exactamente que las bio-películas sean tan resistentes? Algu-

nas veces se debe a que los antibióticos ylos antisépticos no pueden atravesar la pelí-cula. Los derivados de la penicilina, por ejem-plo, encuentran gran dificultad para penetrarlas películas que contienen células produc-toras de betalactamasas. Estas enzimas de-gradan el antibiótico más rápidamente de loque puede difundirse hacia el interior, asíque nunca alcanzan sus capas más profun-das. Incluso a la lejía clórica, el desinfec-tante favorito de los entornos industriales ydomésticos, le resulta complicado destruir lasbiopelículas. Como es un reactivo oxidantepotente, al final encontrará el modo de pe-netrar hacia dentro, pero primero tiene queeliminar capa tras capa la capacidad neutra-lizante de la biopelícula. Dicho proceso con-lleva más tiempo y lejía de lo que uno ima-gina. Por tanto es fácil relajarse y pensar


MATRIZEXTRACELULAR

CELULAS BACTERIANAS

SEÑAL

1Células bacterianas queflotan libremente se deposi-tan sobre una superficie,se organizan en gruposy se fijan en ella

METODO DE ATAQUERecubrir la superficiecon moléculas que impidanla agregación y la sujeciónde los microbios a lasuperficie o quela destruyan una vezproducida

2Las células agrupadascomienzan a segregarla espesa matriz

METODO DE ATAQUERecubrir la superficiecon sustancias queinhiban la fabricaciónde la matriz extracelular

3Las células se intercambianseñales para multiplicarsey formar una microcolonia

METODO DE ATAQUEAplicar sustanciasbloqueantes de las señalesbacterianas en las zonasde riesgo, para abortarla formación de películas

4Aparecen los gradientes químicosy se favorece la coexistencia con otrasespecies bacterianas y con los distintosestados metabólicos

METODO DE ATAQUEAplicar combinados de antibióticoso de desinfectantes para atacarlas variadas estratagemas de superviven-cia utilizadas por las células de la capa

COMO SE FORMAN LAS BIOPELICULAS Y COMO LUCHAR CONTRA ELLAS

que todas las bacterias están ya muertascuando en realidad muchas de ellas perma-necen todavía vivas.

Hay otros factores que contribuyen a aumen-tar la tenacidad. Incluso cuando los antisép-ticos penetren fácilmente a través de la pe-lícula, los microorganismos suelen sobrevivira tratamientos que erradicarían completamen-te a las células flotantes. Esta propiedad hadesconcertado siempre a los biólogos, aun-que actualmente se sabe que la diversidadde condiciones y de tipos bacterianos quehay en una biopelícula confiere proteccióncontra los agentes antibacterianos.

Consideremos de nuevo la acción de la pe-nicilina, la cual ataca células en replicaciónde numerosas especies bacterianas. Si unabiopelícula contuviese zonas que estuvieranprivadas de un nutriente esencial, las célu-las de esas zonas, que estarían vivas perono replicándose, sobrevivirían al tratamientocon penicilina. Puesto que microorganismosactivos e inactivos se encuentran estrecha-

mente yuxtapuestos en una biopelícula y de-bido a que las bacterias supervivientes pue-den alimentarse de las muertas, las pocas cé-lulas que queden vivas tras finalizar untratamiento con antibióticos pueden recons-tituir el estado original de la biopelícula encuestión de horas.

Estas propiedades explican que productosantimicrobianos que funcionan perfectamenteen cultivos celulares no produzcan con fre-cuencia los resultados positivos esperados porlas personas que luchan contra estas invasio-nes. La mayoría de ellas son médicos y pa-cientes, pero hay un número considerable deingenieros, que tienen que batallar con losefectos ruinosos de las biopelículas en la in-dustria, donde las bacterias a menudo pro-vocan fallos de la maquinaria y aceleran lacorrosión de las tuberías. Para ayudarles a to-dos es para lo que la Fundación Nacional dela Ciencia creó en 1990 el Centro de Inves-tigación de Ingeniería (ahora llamado Centrode Ingeniería de Biopelículas) en la Univer-


CANALESDE AGUA

NUEVAS ESPECIESDE BACTERIAS SE UNENA LA BIOPELICULA

BACTERIASQUE TRASDESPEGARSEESCAPAN

5Algunas células se despegan, vuelven a su estado librey escapan, quizá para formar nuevos agregados

METODO DE ATAQUEInducir a las células a despegarse para después anegarlascon antibióticos o con anticuerpos (las moléculas del sistema inmune)

FLUJODE AGUA

5. DESPUES DE 60 MI-NUTOS de tratamiento

con lejía la mayoríade las células de una

película bacterianamueren (en verde),

pero hay muchas otrasque permanecen acti-

vas (en rojo), sobretodo en el interior.

sidad de Montana, donde nosotros dos hemostrabajado juntos desde hace casi diez años.

La investigación desarrollada en este cen-tro ha revelado, entre otras cosas, que a lavez que las bacterias se adhieren a una su-perficie y forman una película, producen cien-tos de proteínas que están ausentes de loscultivos flotantes. Algunas de estas proteínastienen que ver con curiosos reordenamientosque las células llevan a cabo justo despuésde depositarse en la superficie y antes de fi-jar sus posiciones, tal y como Roberto Kol-ter y otros colegas de la Escuela de Medi-cina de Harvard han demostrado mediantedelección de ciertos genes (donde están ci-fradas las proteínas) en varios tipos de bac-terias. Otros investigadores que trabajan conStaphylococcus epidermidis, causa de abun-dantes infecciones, han identificado genes quegobiernan el siguiente paso en el desarrollode la biopelícula: la síntesis de la matriz ex-tracelular. Si se inactivan dichos genes, lasbacterias pierden su capacidad para formaruna película en el tubo de ensayo y apa-rentemente también en los tejidos de un ani-mal de laboratorio.

Trabajos más recientes han revelado elmismo tipo de control genético en otras es-pecies. P. aeruginosa posee varios genes quebásicamente se activan en el intervalo de15 minutos desde el momento en que la bac-teria se fija a la superficie. Uno de ellos,algC, se necesita para sintetizar alginato, elpolímero gelatinoso que forma la mayor partede la matriz extracelular.

¿Cómo es posible que todas las células quevan a formar el conjunto de una biopelículasepan que tienen que poner en marcha de-terminados genes? La repuesta se encuentraen el hecho de que estos aparentemente sim-ples y autónomos microbios se comunicanentre sí. Las moléculas más relevantes en-cargadas de la comunicación en el caso de

P. aeruginosa y de un amplio grupo de bac-terias similares son las acil-homoserin-lac-tonas, que todas las células producen nor-malmente en escasa cantidad. Cuando seagrega un número suficiente de ellas, la con-centración de esas sustancias aumenta, conla consecuencia de que se dispara la activi-dad de decenas de genes. David G. Daviesha demostrado que este mecanismo llamado“quorum sensing” es fundamental para laformación de las biopelículas. Estirpes deP. aeruginosa modificadas en el laboratorio,a las que se les ha eliminado el gen de unalactona concreta, son de hecho incapaces deconstruir biopelículas normales, formando ensu lugar cúmulos desorganizados.

Recientemente se han identificado las mo-léculas que sirven de mensajero en películasque crecen, entre otros lugares, en los caté-teres urinarios. Son ellas y las que prolife-ran en las prótesis permanentes las que ori-ginan las infecciones más preocupantes poresta causa, que afectan a decenas de millo-nes de personas anualmente. Suelen ser deevolución lenta y a menudo pasan inadver-tidas, pero se manifiestan periódicamente yson difíciles de eliminar. Las películas bacte-rianas son también responsables de enferme-dades bucales, infecciones de próstata, cálcu-los de riñón, tuberculosis, legionela y ciertasinfecciones del oído medio.

Una vez sabido cómo se forman las pe-lículas bacterianas debería ser posible po-nerlas a raya con medicamentos que ataca-ran alguna de sus muy especiales propiedades.Una posibilidad sería el embotamiento conalgún tipo de molécula de los apéndices ex-ternos utilizados por las células para adhe-rirse a las superficies y comenzar a formaruna película. Otra sería la interferencia enla síntesis de matriz extracelular, por ejem-plo cubriendo las prótesis médicas con sus-tancias químicas que inactiven los genes res-ponsables de su fabricación. También se podríapensar en atacar a las moléculas que la bio-película utiliza para comunicarse, entorpe-ciendo así su formación o suprimiendo laproducción de toxinas y otras actividades con-cretas. En lugar de tratar de inundar a losmicroorganismos con venenos (que de pasomatan a muchas otras bacterias inofensivasy beneficiosas), pronto se podrán manipularlas células de forma mucho más sutil, blo-queando así la actividad patógena.

Guerra táctica

De hecho ya ha comenzado el desarrollocomercial de al menos un medicamento.

Staffan Kjelleberg y Peter Steinberg obser-varon en 1995 que los tallos del alga roja(Delisea pulchra) que crece en la Bahía Bo-

6. UNA EXUBERANTEBIOPELICULA surgidaen un intercambiadorde calor industrial.Este tipo de contami-nación puede reducirel rendimiento.


7. CAUSA DECORROSION.

Ciertas biopelículasoriginan serios problemas

en las fábricas cuandocolonizan el interior delas tuberías de metal y

aceleran su corrosión. Setrata de un proceso queocasiona la mitad de loscortes de suministro que

ocurren en centrales deproducción eléctrica ba-sadas en conducciones

de vapor. Las compañíasgastan miles de millones

de dólares cada añopara combatir estos

problemas.

tánica de Australia, muy raramente estabancubiertos de películas bacterianas. Los ejem-plares de esta alga permanecen inmaculadosa pesar de que en estas aguas viven milesde especies de bacterias. ¿Cómo lo consi-guen? Kjelleberg y Steinberg demostraron queD. pulchra echa mano de las sustancias quí-micas conocidas como furanonas sustituidaspara permanecer libre de biopelículas. Se hacreado una nueva compañía, Biosignal, paraproducir mantos protectores elaborados confuranonas que puedan aplicarse sobre los cas-cos de los barcos y el utillaje para el cul-tivo marino.

Kjelleberg y Steinberg han descubierto hacepocos años por qué funcionó su invento. Lasfuranonas que aislaron son muy similares quí-micamente a las lactonas de acil-homoserina,las moléculas que gran número de biopelí-culas usan para la percepción del quorum ya otra clase de moléculas recién descritas porBonnie L. Bassler y que son producidas prác-ticamente por todo tipo de bacterias para pa-sarse señales entre especies diferentes. Lasfuranonas se unen a los receptores bacteria-nos que en condiciones normales son utili-zados por las moléculas de lactona, pero, adiferencia de ellas, las furanonas no provo-can la misma respuesta en las bacterias, sinoque bloquean su capacidad de activar los ge-nes requeridos para la construcción de unabiopelícula.

Las furanonas obstaculizan también todoslos casos conocidos de comunicación bacte-riana que utilizan las lactonas de homoserinacomo señal. Existen indicios de que estassustancias pueden prevenir la formación dela película, al tiempo que contribuyen a ladestrucción de la ya existente. Son idealespara el uso médico porque no son tóxicas yson relativamente estables dentro del cuerpo.Además han estado presentes en los océanosdesde hace millones de años sin que se ha-yan desarrollado por ello bacterias resisten-tes a sus efectos, por lo que cabe esperarque no se engendren estirpes resistentes en-tre las que colonizan los instrumentos mé-dicos y los tejidos humanos.

Otro resultado de esta línea de investiga-ción quizá parezca pequeño desde el puntode vista práctico, pero pudiera tener grandesrepercusiones a la larga, ya que revolucionala comprensión de las bacterias. Los biólo-gos han comenzado a considerar la forma-ción de biopelículas desde la perspectiva deldesarrollo, tomando prestadas formas de ex-presión empleadas para describir el creci-miento embrionario. Igual que un oocito fer-tilizado da lugar a toda una variedad de tiposcelulares durante el desarrollo del feto, lasbacterias también se diferencian tras deposi-tarse en una superficie. Sintetizan moléculas

de comunicación que recuerdan a las fero-monas y a las hormonas de insectos y ani-males, que sirven para coordinar la cons-trucción de microcolonias dotadas de unacomplicada estructura. Esta disposición per-mite que los nutrientes fluyan de fuera aden-tro y los materiales de desecho de dentro afuera, invitando a una comparación con lossistemas circulatorios de los animales supe-riores. Hay algunas películas en las que lasbacterias de varias especies cooperan paradigerir nutrientes que un solo tipo de ellasno puede explotar por completo. Estas ob-servaciones indican que las hasta ahora con-sideradas ínfimas bacterias pudieran ocuparun lugar mucho más prominente en el es-quema de la vida de lo que jamás se hayaimaginado.


8. CONTAMINANTES DELAGUA. Las biopelículaspueden comprometerla seguridad del aguapotable, al crecer confrecuencia en el interiorde las tuberías de distri-bución. Protegidos por lamateria espesa que losenvuelve, peligrosos mi-croorganismos patógenospueden proliferar a pesardel cloro. En la Universi-dad de Stanford se hademostrado que cuandola bacteria responsablede los brotes de cólera,Vibrio cholerae, formabiopelículas puede sobre-vivir a concentracionesde cloro de 10 a 20veces superiores a lasque normalmente tieneel agua que bebemos.Las biopelículas causaronque el abastecimientode agua de Washington,D.C., violara repetidamentelos límites federales decontaminación bacterianaconsiderados aceptablesen 1996.

BACTERIAL BIOFILMS: A COMMON CAUSE OF PERSISTENTINFECTIONS. J. W. Costerton, Philip S. Stweart y E. P.Greenberg en Science, vol. 284, págs. 1318-1322; 21 demayo, 1999.

COMMUNITY STRUCTURE AND CO-OPERATION IN BIOFILMS.Dirigido por D. G. Allison, P. Gilbert, H. M. Lappin-Scott y M. Wilson. Cambridge University Press, 2001.

Imágenes e información sobre películas bacterianas pue-den encontrarse en el Centro de Ingeniería de Biopelí-culas (Center for Biofilm Engineering) en la Universi-dad del Estado de Montana (www.erc.montana.edu), enla Sociedad Americana de Microbiología (http://dev.as-musa.org/ edusrc/biofilms/) y en la MicrobeLibrary(www.microbelibrary.org) haciendo una búsqueda con lapalabra “biofilm”.


Imaginemos que la especie humana fuera un peligroso parásito de un organismo evolutivamente superior y con un tipo de inteligencia

impensable para nosotros. Imagine-mos también que este organismo, cansado de sufrir enfermedades a nuestra costa, hubiera desarrollado distintos compuestos químicos para eliminarnos: uno destinado a im-pedirnos respirar, otro dedicado a inhibir la circulación sanguínea y un tercero que provocara un fallo completo de los sistemas digestivo y excretor. Imaginemos por último que, como consecuencia de la va-riabilidad genética inherente a la especie humana, uno de cada cien

millones de individuos fuera capaz de resistir a todos estos ataques. En otras palabras, al servirse de cada uno de estos compuestos químicos, la población del planeta quedaría reducida a tan sólo 50 personas. La comunidad humana se extinguiría, porque es difícil imaginar que estos 50 individuos (supuesto que hubiera machos y hembras en edad fértil en-tre ellos) pudieran encontrarse unos a otros y desarrollar una nueva pro-genie resistente. Si se utilizara más de un solo agente, la situación sería incluso más grave: los individuos re-sistentes a uno de los agentes serían sensibles a los demás y no habría ningún superviviente.

Este es el escenario en el que se encuentran las poblaciones bacte-rianas cuando se enfrentan a los antibióticos. Pero el resultado final no es el expuesto para los humanos. A lo largo de la historia reciente, han desaparecido muchas especies de organismos, en demasiados casos como consecuencia de la actuación, directa o indirecta, del hombre.

Sin embargo, en pocas ocasiones el hombre ha actuado de forma siste-mática para eliminar un determinado ser vivo. Entre tales excepciones sobresale el tratamiento con anti-bióticos de las bacterias patógenas.

Desearía su erradicación, pero se ha visto incapaz de eliminar ninguna de las bacterias que nos infectan. Es más, éstas han venido haciéndose resistentes a los tratamientos. Hay ya bacterias “blindadas” para los méto-dos clásicos de antibioterapia (véase el recuadro “La resistencia a los an-tibióticos”). ¿Cuál es la causa del éxito impresionante de esos micro-organismos en su lucha para resistir los tratamientos a los que le somete el hombre? Variabilidad genética y selección de variantes microbianas resistentes a los antibióticos.

Todos los organismos comparten una misma necesidad de adaptarse a ambientes diferentes, cambiantes o ambos. Por ello, la selección natural ha permitido la evolución de meca-nismos que facilitan la adaptación a diferentes estímulos ambientales. A menudo, las bacterias han de habér-selas con ambientes desfavorables; deben ser capaces de adaptarse rá-pidamente a los mismos, so pena de exponerse a la extinción.

El ambiente más hostil en el que se puede encontrar una bacteria es aquel en el que hay compuestos tóxicos que, como los antibióticos, se hallan específicamente diseña-dos para matarla. Pero las bacterias poseen ventajas sobre los humanos

Mutación y resistencia a los antibióticos

Los antibióticos no se limitan a seleccionar cepas resistentes.Incrementan también la tasa de mutación de las bacterias,

acelerando la variabilidad genética y aumentando, por tanto,las posibilidades de adquisición de resistencia

Fernando Baquero, Jesús Blázquez, José Luis Martínez

72 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, diciembre, 2002

FERNANDO BAQUERO, JESUS BLAZ-QUEZ y JOSE LUIS MARTINEZ es-tudian los mecanismos de resistencia a los antibióticos y los mecanismos evolutivos de las poblaciones bacte-rianas. Baquero y Blázquez trabajan en el Servicio de Microbiología del Hospital Ramón y Cajal de Madrid; Martínez, en el Centro Nacional de Biotecnología, perteneciente al Consejo Superior de Investigaciones Científicas y radicado en Madrid también.

Los autores

para resolver este problema. Por dos razones principales: su número y su forma de multiplicación. La cifra de bacterias en una placa de cultivo supera al número de individuos de la especie humana; ello significa que hay individuos bacterianos “selec-cionables” por su resistencia prác-ticamente en cualquier ambiente. Además, la reproducción bacteriana es asexual. Gracias a la misma, una bacteria resistente puede dar lugar a una progenie resistente sin nece-sidad de encontrar una bacteria de “otro sexo”.

Hasta ahora sólo hemos mencio-nado las estrategias de supervivencia “basales”, tanto en humanos como en bacterias, esto es, las meramente dependientes de su número y de su forma de reproducción. Pero los hu-manos, bajo el estrés del ataque quí-mico de ese ser suprahumano ima-ginario, intentarían incrementar sus recursos adaptativos, que se fundan principalmente en la actividad inves-tigadora (dar lugar a un aumento en la variedad de conocimientos). Las bacterias bajo estrés también aumen-tan sus recursos adaptativos.

Adaptación bacteriana

La adaptación bacteriana a los cambios operados en el entorno

se produce a través de una triple vía: mecanismos de respuesta in-mediata, adquisición horizontal de nuevos genes y cambio genético por mutación.

Las bacterias se apoyan en meca-nismos de respuesta inmediata para adaptarse a ciertos factores de estrés. Igual que en los humanos, en ellas el estrés resulta de la existencia de una diferencia entre necesidades y posibilidades. Si una bacteria de-tecta una proteína que podría usar como nutriente, y no posee proteasas activas, induce la síntesis de tales enzimas para que sus posibilidades respondan a sus necesidades. En si-tuación de máximo estrés, tal que la supervivencia de la bacteria esté comprometida, se puede producir un cambio en los patrones de ex-presión de muchas proteínas. Para que estos mecanismos adaptativos se hayan desarrollado, la bacteria debe haber estado en contacto fre-cuente con el estímulo estresante y haber sobrevivido al mismo. Entre

los mecanismos conocidos de adap-tación a estrés podremos citar la inducción de genes de respuesta a estrés salino, inducción de genes de respuesta a cambios de temperatura o inducción de genes de resistencia a tóxicos (antibióticos incluidos) que las bacterias encuentran a menudo en su hábitat. Como es lógico, se trata de mecanismos some tidos a estricta regulación, que sólo operan en caso de necesidad.

En su adaptación las bacterias pueden también recurrir a la adqui-sición horizontal de nuevos genes, que provienen de otros microorga-nismos (véase el recuadro “Origen y selección de genes de resistencia a los antibióticos”), o al cambio ge-nético por mutación. La adquisición

horizontal y la mutación permiten la adaptación rápida a ambientes donde se presentan cambios bruscos. Nos hallaríamos aquí ante la situación histórica de las bacterias patógenas que se encuentran repentinamente con un antibiótico.

Sabido es que, cuando se pre-senta una alta posibilidad de in-tercambio genético, los organismos tienden a adquirir genes que les permiten adaptarse al nuevo en-torno. En las bacterias patógenas, cuyo nicho ecológico habitual es el paciente colonizado o infectado, el nuevo entorno, desde hace cin-cuenta años, viene representado por los antibióticos; en este caso nece-sitarán por tanto adquirir genes de resistencia a los antibióticos. Sin

INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, diciembre, 2002 73

1. MECANISMOS DE RESISTENCIA A LOS ANTIBIOTICOS. Para que un antibiótico pueda ejercer su acción, tiene que atravesar distintas envueltas celulares (1 y 2), bien de modo inespecífico, bien por transportadores específicos. En algunos casos, el antibiótico ha de activarse por enzimas intracelulares (3), antes de alcanzar su blanco de acción (4) y matar a la bacteria. La resistencia a los an-tibióticos puede deberse a mutaciones que afectan a una u otra de las diversas etapas necesarias para la actividad del antibiótico o a la presencia de sistemas de detoxificación activos contra los antibióticos. Así, una bacteria puede hacerse resistente porque se produzca una mutación en los transportadores, de modo que no se permita la entrada del antibiótico (a), porque los transportadores no se sinteticen (c), porque haya enzimas que inactiven el antibiótico (b), porque haya sistemas capaces de expulsar el antibiótico desde el interior celular (d), porque la enzima que activa el antibiótico ha mutado y ahora no le reconoce (e) o porque el blanco del antibiótico se ha modificado de suerte tal, que ahora no interacciona con el mismo (f ).

ENZIMA

ENZIMAMUTADAENZIMA

INTRACELULAR

ANTIBIOTICOANTIBIOTICO

a

b

d

1

2

3

4

c

e

f

FER

NA

ND

O B

AQU

ER

O, J

ES

US

BLA

ZQU

EZ

Y J

OS

E L

UIS

MA

RTI

NE

Z


embargo, en algunos ambientes no existe posibilidad de adquirir genes de resistencia, ya sea porque no haya en dicho medio tales genes, ya sea porque la situación, las especies bacterianas implicadas o ambas no favorezcan la transferencia génica. Para adaptarse a un cambio am-biental tan drástico como es la pre-sencia de antibióticos, sólo queda recurrir a la mutación.

Mutaciones y resistencia

Un antibiótico se considera eficaz o activo cuando alcanza

su diana en una concentración su-ficiente como para poder inhibir el crecimiento bacteriano (véase la fi-gura 1). Para lograrlo debe atravesar las distintas envueltas bacterianas, sufrir, en algunos casos, modifica-ciones provocadas por enzimas mi-crobianas que permitan su activación y, por último, resistir la acción de mecanismos naturales de protección que, como las beta-lactamasas cro-mosómicas o los sistemas de bombeo múltiple de fármacos, están distribui-dos ubicuamente entre los distintos géneros bacterianos.

Por consiguiente, las bacterias pueden hacerse resistentes a los antibióticos mediante mutaciones en genes que codifican la síntesis de proteínas implicadas en el trans-porte o activación del antibiótico, mutaciones en genes que codifican la síntesis de proteínas que participan en mecanismos de detoxificación y mutaciones en genes que codifican la síntesis de las dianas de los an-tibióticos.

Las mutaciones en genes que codifican la síntesis de proteínas implicadas en el transporte del an-tibiótico hacia el interior celular, o en su activación, harán que la con-centración efectiva del fármaco en la célula sea más baja de lo que resulta necesario para la inhibición del crecimiento bacteriano.

En condiciones normales, las bac-terias mantienen en suspenso la ex-presión de los genes que codifican la síntesis de proteínas implicadas en mecanismos de detoxificación. Por esa razón sólo presentan una resistencia baja, sin trascendencia clara desde un punto de vista clí-nico. Ahora bien, pueden aparecer mutaciones que produzcan que estos sistemas se expresen constitutiva-mente a un nivel muy elevado, de modo que las bacterias ofrezcan un grado importante de resistencia ante el tratamiento con antibióticos.

Por lo que concierne a los ge-nes que codifican la síntesis de las dianas de los antibióticos, pueden aparecer mutaciones que cambien la estructura del efector en cuestión, con la pérdida consiguiente de la sensibilidad a los antibióticos mos-trada con anterioridad.

Cuando se analizan las bacterias resistentes a los antibióticos, obteni-das a partir de pacientes tratados, se observan mutaciones en todos estos tipos de genes. En unas ocasiones, basta una sola mutación para con-ferir una resistencia plena; en otras, se requiere la presencia de varias mutaciones concurrentes, de modo que la bacteria muestre los niveles de resistencia necesarios pa ra impedir

su tratamiento por antibióticos. No obstante, hay un dato inequívoco: para cada nuevo antibiótico que se introduzca en el mercado, aparece-rán indefectiblemente aislados re-sistentes a los antibióticos. Sólo es cuestión de tiempo.

Hemos visto que las mutaciones que dan lugar a la resistencia a los antibióticos se producen en genes que codifican la síntesis de trans-portadores, sistemas de detoxifica-ción o proteínas importantes para la fisiología básica de las bacterias (las proteínas diana de los antibió-ticos). La estructura y la concen-tración bacteriana de estas proteí-nas se han optimizado a lo largo del tiempo evolutivo; significa ello que cualquier mutación que altere la secuencia génica implicada o sus niveles de expresión ejercerá un efecto negativo sobre el metabolismo microbiano y, por tanto, sobre su eficiencia ecológica para colonizar distintos ecosistemas.

Se ha comprobado que las muta-ciones que confieren resistencia a los antibióticos conllevan a menudo una disminución de la capacidad de las bacterias para competir con sus compañeras sensibles. ¿Significa ello que, una vez desaparezca el antibiótico del medio, las bacterias sensibles, colonizadoras más efica-ces, desplazarán a las resistentes? En absoluto. Se ha observado que, con frecuencia, las bacterias resis-tentes acumulan nuevas mutaciones que compensan el déficit fisiológico secundario a la mutación de resisten-cia. Pero se ignora si todas las mu-taciones que potencialmente darían

La resistencia a los antibióticosLa infección por microorganismos ha sido, junto con

el hambre, la causa principal de muerte en la espe-cie humana. Incluso hoy, hemos de atribuir a las enfer-medades infectocontagiosas la máxima responsabilidad de la mortalidad y morbilidad en nuestro planeta.

El descubrimiento de los antibióticos y su posterior utilización supusieron un salto importantísimo para el control de la infección. Sin duda, la aplicación de la terapia antiinfecciosa ha contribuido de un modo de-cisivo a la prolongación de la esperanza de vida. No sólo porque evita muertes por infección, sino también porque el desarrollo de nuevas terapias ya muy ex-tendidas, pero que favorecen la infección (cirugías, intubación, inmunodepresión para trasplantes y terapia anticancerosa), serían impensables sin los antibióticos.

Desde hace un decenio, sin embargo, se ha venido asistiendo a un empeoramiento de la situación. La enorme presión selectiva producida por el uso de an-tibióticos, en clínica y en veterinaria, ha hecho que se seleccionen poblaciones bacterianas resistentes [véase “Desarrollo de resistencia contra los antibióticos”, por K. C. Nicolaou y Christopher N. Boddy, en INVESTIGA-CIÓN Y CIENCIA, julio 2001]. Esta situación, unida a la falta de interés en el desarrollo de nuevos antibióticos por parte de las compañías farmacéuticas (consecuen-cia de un excesivo optimismo en las cualidades de los medicamentos existentes y en la orientación hacia campos terapéuticos más rentables) ha provocado que haya infecciones que son muy difícilmente remediables mediante antibioterapia.

lugar a resistencia a los antibióticos “se compensarían” con otra muta-ción. No sabemos todavía si hay mu-taciones “prohibidas”, cuyo defecto metabólico no se puede compensar. Este campo de investigación es ob-jeto de un intenso debate.

Mutación: ¿error útilo estrategia evolutiva?

Hasta hace poco los biólogos con- sideraban la mutación una con-

secuencia inevitable de los errores producidos durante la replicación del ADN, es decir, los errores introduci-dos por la ADN-polimerasa durante la copia del ADN cromo sómico para originar dos cromosomas hijos. A esos errores había que sumar los pro-ducidos por lesiones, de origen físico o químico, en la molécula; ejemplo de agente físico sería la radiación ultravioleta y, de causa química, las especies reactivas de oxígeno o cier-tos compuestos mutagénicos.

De acuerdo con ese planteamiento tradicional, no podrían enmendarse todos los errores del ADN, pese a que la célula dispone de mecanis-mos de corrección y reparación; la maquinaria no es perfecta. En dicho marco, la aparición de mutaciones al azar debida a los errores sería el combustible que alimentaría el motor de la evolución. La selección natural produciría la mezcla adecuada del combustible (cantidad de mutaciones al azar) para que el motor funcionara bien. Si hay demasiadas mutaciones, el motor evolutivo puede calentarse excesivamente y llegar a estallar; si no hay suficientes, el motor se para por falta de combustible.

Sin embargo, entre los biólogos que estudian la base molecular de la evolución se está abriendo paso una nueva idea: la selección natural ha privilegiado no sólo las muta-ciones favorables, sino también la capacidad de evolucionar de los or-ganismos, es decir, su adaptabilidad a distintos ecosistemas.

La adaptabilidad sería una con-secuencia de la capacidad de gene-rar mutantes que pueden desenvol-verse en los nuevos ecosistemas. Cambia así el significado de la función biológica de la muta-ción: en lugar de un error útil, sería una estrategia evolutiva de adaptación. Llevando la situación


MutS

ATP

ADP+Pi

MutLMutH

El dímero de MutS reconoceel desapareamiento de las doscadenas

Se une MutL permitiendolas entradas de MutHen el complejo

Se curva el ADN hasta alcanzarla zona GATC metilada

La endonucleasa MutH cortala secuencia GATC no metilada

La helicasa abre las hebras de ADNpermitiendo que las exonucleasasdigieran la hebra dañada

La polimerasa de tipo III copia la hebra"madre" y la ligasa une el fragmentosintetizado restaurando la secuencia original

Error en la hebra “hija”

SSB

3´5´

5´3´

GATC

GATC

CH3

GATC

CH3

GATC

CH3

GATC

CH3

CH3

GATC

CH3

GATC

CH3

CH3CH3

GATC

CH3

GATC

CH3

GATC

CH3

Pol-III

Ligasa

5´3´

Exonucleasa

MutS MutS

MutSMutH MutL

Hel

icas

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2. REPARACION DE MUTACIONES EN EL ADN. Si se producen cambios en el ADN por efecto de un mutágeno o por un error en la copia de la hebra del ADN, el sistema MDMRS puede detectar y corregir dichos errores. (MDMRS designa el sistema de reparación de malos emparejamientos dependiente de metilación del ADN.) El primer efecto del error consiste en un defecto en el emparejamiento de la cadena de ADN, que ha sufrido el cambio, con la cadena original. La proteína MutS, en forma de dímero, reconoce la presencia de una base mal emparejada y puede unirse a ella. Una vez se ha formado este com-plejo entre MutS y el ADN mal emparejado, se agregan dos monómeros de la proteína MutL a dicho complejo. Además de reconocer bases mal emparejadas, MutS se une inespecíficamente a una zona más amplia de ADN; se va produ-ciendo así un bucle que concluye cuando el complejo formado encuentra una secuencia GATC. En este momento, la endonucleasa MutH corta la hebra no metilada (y, por tanto, la hebra “hija”) de ADN cerca de dicho sitio GATC. Una vez se ha producido el corte, la helicasa II (producto del gen uvrD) desplaza la hebra que contiene la incisión, con lo que abre el camino a exonucleasas que degradan un número variable de nucleótidos. Mientras tanto, la hebra metilada (hebra “madre”) queda protegida de la acción de nucleasas por la proteína SSB. El fragmento eliminado, que contenía la base desapareada, se sintetiza de nuevo, utilizando la hebra “madre” como molde, por la ADN-polimerasa III (replicasa) y conectado al resto de la hebra por la ADN-ligasa. De este modo el error queda reparado. FE

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a su extremo, un organismo cuya replicación de ADN fuese perfecta, resultaría incapaz de mutar; por tanto, no evolucionaría y desapa-recería con el primer cambio que se generara en el ambiente.

Aunque el nuevo planteamiento no altera la explicación darwinista de la evolución por selección natural, sí le añade una nueva dimensión: los organismos pueden influir en sus ca-pacidades para evolucionar. Si la tasa de mutación es una magnitud impor-tante para la evolución bacteriana, ¿cómo se seleccionarán las tasas de mutación más “adaptativas”?

Puesto que la mayoría de las mu-taciones espontáneas son neutras o desfavorables, se ha esgrimido que la tasa de mutación debería haber evolucionado para ser lo más baja posible. Pero la variación resulta ne-cesaria para la selección. Por tanto, la tasa de mutación deberá constituir una suerte de compromiso óptimo entre adaptación (y, por ende, au-sencia de cambios) y adaptabilidad (es decir, la capacidad de generar modificaciones).

Desde un punto de vista evolutivo, podría revestir interés que las bacte-rias mantuvieran tasas de mutación bajas cuando no necesitaran cambiar y que las tasas de mutación aumen-taran en situaciones de estrés que requieren la emergencia de nuevos fenotipos en la población; por ejem-plo, resistencia a los antibióticos.

De hecho, se ha demostrado que las poblaciones bacterianas tienen subpoblaciones con tasas de mu-tación muy superiores a las habi-tuales (hipermutadores), subpobla-ciones que pueden aumentar su proporción en situaciones de es trés. A partir de simulaciones por or-denador se ha sugerido, en fecha reciente, que los alelos mutadores podrían desempeñar un papel im-portante en la evolución adaptati va, entendiendo por tal la evolución que permite adaptarse a ambientes nuevos o desfavorables. Al aumen-tar la posibilidad de aparición de mutaciones favorables, estos alelos acelerarían la tasa evolutiva. Du-rante el proceso, los hipermutadores pueden fijarse por asociación con

las mutaciones favorables que ellos mismos han generado.

Uno de nuestros grupos (Baquero y Blázquez) ha demostrado que las condiciones que favorecen la selec-ción de variantes hipermutadoras existen en los pulmones de pacien-tes fibrótico-quísticos infectados por Pseudomonas aeruginosa. La hipermutación en Escherichia coli, Salmonella typhimurium y P. aerugi-nosa, y probablemente en la mayoría de los microorganismos, se produce de manera principal por alteraciones en el sistema de reparación de ma-los emparejamientos dependiente de metilación del ADN (MDMRS, por “Methyl-Directed Mismatch Repair System”). Los genes afectados son, por orden de frecuencia, mutS, mutL, mutH y mutU (uvrD).

El sistema MDMRS, amplia-mente estudiado en la bacteria E. coli, cuenta, entre sus principales misiones, la del reconocimiento y eli minación de bases introducidas erróneamente durante el proceso de replicación del ADN. Por culpa de tales errores se forman malos emparejamientos de dos bases no complementarias entre sí. ¿Cómo distingue el sistema la base erró-nea de la correcta? El ADN de mu-chos microorganismos, entre ellos E. coli, se encuentra metilado en la base adenina (A) de la secuencia GATC. Estos sitios de metilación se hallan distribuidos por todo el genoma bacteriano. Cuando el ADN se replica, se requiere cierto tiempo hasta que las nuevas hebras recién sintetizadas sufran metilación en sus secuencias GATC. En el curso de dicho intervalo, el sistema MDMRS puede discriminar entre la hebra nueva y la antigua. El sistema opera dando por descontado que el error se ha producido en la hebra recién sintetizada, la que no está metilada (véase la figura 2).

Como es lógico, las mutaciones que impidan el funcionamiento co-rrecto del sistema MDMRS darán lugar a bacterias hipermutadoras. Ahora bien, en cuanto estrategia adaptativa la hipermutación estable representa un enorme coste energé-tico y evolutivo para las bacterias. En teoría, una vez adaptadas a las nuevas condiciones (por ejemplo la presencia de antibióticos), las bac-terias deberían recuperar su tasa


lexA recA genes SOS

LexAESTADONO INDUCIDO

ESTADOINDUCIDO

RecA

RecA

Agenteinductor RecA*

lexA recA genes SOS

3. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA SOS BACTERIANO. El sistema SOS regula la expresión de aproximadamente 40 genes bacterianos. En el estado no indu-cido, la expresión de estos genes se halla bloqueada en virtud de la unión del represor LexA a secuencias específicas localizadas en las zonas promotoras de los “genes SOS”. La expresión de los genes lexA y recA se encuentra también reprimida por LexA. Si el ADN resulta dañado, se activa de inmediato el sistema SOS. El mecanismo consiste en una modificación de la proteína RecA que, en su estado activado (RecA*), hidroliza LexA. Una vez dejado inactivo LexA, no puede ejercer su efecto represor y se induce la transcripción de los distintos genes que componen el sistema SOS.

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basal de mutación; de no hacerlo, quedarían expuestas a la extinción, dada la progresiva acumulación de mutaciones desfavorables.

Pero hay casos extremos en los que la supervivencia está en juego. Ocurre así cuando la presión selec-tiva es múltiple (en el caso de expo-sición a diferentes factores antimi-crobianos del huésped, a diferentes antibióticos o a ambos), prolongada (en infecciones crónicas) y locali-zada (nichos dominados por un solo clon, en cuyo caso las posibilidades de adquisición de nuevas funciones mediante la incorporación de ADN por transferencia horizontal son muy bajas). En estos paisajes selectivos los microorganismos han de pagar el coste de mantener una alta tasa de mutación durante largos períodos de tiempo, si quieren conjurar el peligro de extinción.

Resultaría, por supuesto, menos costoso producir mutaciones sólo en aquellos genes cuya variación con-dujese a fenotipos potencialmente favorables. El sistema inmunitario nos ofrece un ejemplo claro. Los genes codificantes de anticuerpos mutan en sus regiones hipervaria-bles con una frecuencia que supera un millón de veces la advertida en el resto del genoma. Las bacterias recurren a la misma estrategia para dirigir las mutaciones hacia algunos genes específicos que se hallan ha-bitualmente sometidas a una fuerte presión selectiva, los llamados “ge-nes de contingencia” [véase “Mi-crosatélites de ADN”, por Richard E. Moxon y Christopher Wills en INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, marzo 1999].

Se admite que los genes de con-tingencia codifican antígenos de superficie y sistemas de modifica-ción/restricción, aunque probable-mente queden por descubrir muchos más genes de este tipo. Se carac-terizan por contener microsatélites, unas secuencias repetidas. Al en-contrarse con estos motivos itera-dos, las polimerasas pueden “desli-zarse” y, así, eliminar o añadir uno de ellos, alterando la secuencia del gen correspondiente. Los errores por deslizamiento acontecen en los microsatélites a una frecuen cia que multiplica 10.000 veces la atribuida al resto, aunque son corregidos muy eficazmente por el sistema MDMRS.

Por consiguiente, en cepas silvestres, y mucho más en cepas deficientes en el sistema MDMRS, los micro-satélites incrementan la frecuencia de mutación de los genes que los contienen. La hipermutación en los genes de contingencia capacita, por lo menos a algunas bacterias de una determinada población, para adaptarse con presteza a nuevos am-bientes.

ADN-mutasas bacterianas

Se reduciría también el coste de la mutagénesis mediante la in-

tervención de sistemas que permi-tieran un incremento transitorio de la frecuencia de mutación tan sólo cuando fuera necesaria, es decir, en condiciones de estrés. A propósito de esta estrategia se ha descrito la existencia de polimerasas menos fieles de lo normal, que introducen más errores al copiar el ADN. La expresión de tales mutasas, en vez de las polimerasas habituales (esen-cialmente la ADN-polimerasa III), aumentará las tasas de mutación. El sistema SOS bacteriano (véase la

figura 3), que se activa ante daños del ADN, constituiría un ejemplo claro de sistema mutador inducible, al ser capaz de activar genes codi-ficantes de las mutasas polB, umuC o dinB.

La respuesta SOS en E. coli im-plica la acción de unos 40 genes regulados transcripcionalmente por la proteína represora LexA. Ante una lesión del ADN o una parada en la replicación de éste, se hidro-liza el represor LexA en un proceso autocatalítico, mediado por la pro-teína RecA* (la forma activada de RecA), activando la expresión de los distintos genes del sistema SOS. Muchas de las proteínas inducidas tempranamente en la respuesta SOS intervienen en rutas de reparación que no producen un incremento de mutaciones sobre los niveles nor-males.

Sabemos que la inducción del sistema SOS se acompaña de un incremento en el número de muta-ciones. En la respuesta SOS entran en acción unos 40 genes, de cuyos productos sólo las proteínas codi-ficadas por los genes polB, dinB


Origen y selección de genesde resistencia a los antibióticos

En muchos casos, las bacterias pueden hacerse resistentes a los antibióticos porque adquieren, de otras bacterias, genes capaces

de inactivar los antimicrobianos. Ahora bien, si los antibióticos no se introdujeron hasta el último medio siglo, ¿de dónde provienen estos ge-nes de resistencia? ¿Cuál era su función original?

Durante mucho tiempo, la hipótesis más aceptada establecía que los genes de resistencia a los antibióticos provenían de los microorganis-mos productores de los mismos. En efecto, la mayoría de los antibióti-cos utilizados en clínica son sintetizados por microorganismos naturales. Si éstos producen antibióticos, deberán tener sistemas que les sirvan para defenderse de los mismos; si no fuera así, morirían. Pues bien, estos sistemas serían los que están codificados por los genes de resis-tencia a los antibióticos, y su adquisición por las bacterias patógenas dotaría a éstas de resistencia contra los antibióticos.

Hoy se ha abierto camino otra concepción del fenómeno. A tenor de la misma, situar el origen de los genes de resistencia a los antibióticos en los propios organismos productores sería verdad, pero no toda la verdad. Se hallarían también implicados en la resistencia otros genes que intervienen en procesos biosintéticos, de detoxificación o de seña-lización celular. Tal convergencia vendría determinada por las semejan-zas estructurales entre los antibióticos y otras moléculas que participan en el metabolismo microbiano. Los sistemas que modifican estos meta-bolitos alterarán, por tanto, los antibióticos, y los genes que los codifi-can serán genes de resistencia a los antibióticos.

y umuC, además de recA, parecen implicados en los procesos de mu-tagénesis inducida en E. coli. Las proteínas codificadas por estos tres genes son ADN-polimerasas (ADN-polimerasas II, IV y V respectiva-mente) que provocan mutaciones bajo determinadas circunstancias; de ahí el nombre de mutasas. A modo de ejemplo, la sobreexpresión de dinB resulta en un incremento de unas 1000 veces en la tasa de mutación.

Según se indicó antes, las mutacio-nes en el ADN se originan durante la replicación y se deben a errores del propio proceso replicador o a mutágenos físicos y químicos. Estos agentes mutagénicos cambian la es-tructura de algunas bases del ADN y pueden bloquear la replicación. Según parece, es en ese momento cuando entran en juego las ADN-polimerasas II, IV y V.

Cumple a estas polimerasas con-tinuar la síntesis de ADN a través de las lesiones sufridas: “síntesis a través de lesión”, así se llama el pro-ceso. No obstante, una vez presentes en gran cantidad, tales enzimas pue-den también realizar su trabajo de síntesis de ADN en sitios sin lesión. Por tener que habérselas con una lesión no corregida, se trata de un proceso menos fiel que la replicación normal. Ello comporta un aumento de errores en la síntesis de la nueva hebra de ADN y, por consiguiente, un incremento de mutaciones. Se ha sugerido, además, que estas polime-rasas podrían ser menos fieles que las bacterianas habituales y que esa menor fidelidad en la copia podría constituir una de las causas de hi-permutación.

Cada una de estas enzimas pro-duce cambios en el ADN, vinculados al tipo de lesión o error que se haya introducido. Sin embargo, muchas de las mutaciones inducidas por la actividad de las ADN-polimerasas II, IV y V son susceptibles de repara-ción por el sistema MDMRS.

Por consiguiente, si sumamos los dos sistemas posibles de gene-ración de hipermutación (inducción de mutasas y defectos en el sistema MDMRS), se multiplicará el número de mutaciones debidas a la acción de mutasas, dado que la bacteria, defectiva en MDMRS, será incapaz de reparar las mismas.

Los antibióticos,inductores de mutación

Se venía considerando a los an- tibióticos como meros selecto-

res de cepas bacterianas resisten-tes. En ese marco, el tratamiento antibiótico eliminaría las bacterias sensibles; sólo sobrevivirían las que, por azar, hubieran adquirido una mutación o un gen de resisten-cia, desarrollándose y dando lugar a una población exclusiva de bacterias resistentes.

Pero el panorama se nos ofrece más complejo. Se ha demostrado que, con la selección de bacterias resistentes por los antibióticos, se registra, en paralelo, un incremento ingente de la proporción de cepas mutadoras con una tasa de muta-ción entre 100 y 1000 veces supe-rior a la población normal. Se pasa, tras el tratamiento, del 1/1.000.000 al 1/100 o incluso al 100 % de cepas mutadoras, dependiendo del número de selecciones. La mayoría de estos mutadores contienen muta-ciones que inactivan alguno de los genes del sistema MDMR, con la brusca merma consiguiente de la capacidad de la célula bacteriana para corregir los errores aparecidos en la replicación de su ADN. Por lo tanto, un antibiótico no sólo se-lecciona los individuos resistentes al mismo, sino que, por un proceso de “selección de segundo orden”, prima a los individuos mutadores y, por tanto, más aptos para adquirir resistencia a otros antibióticos.

Para complicar las cosas, en los últimos años se han acumulado pruebas de que algunos tipos de antibióticos, además de seleccionar las cepas resistentes existentes en la población y aumentar la proporción de mutadores, pueden incremen-tar transitoriamente el número de mutaciones que se producen en las células bacterianas, lo que conduce a un aumento en el número de in-dividuos resistentes a dicho antibió-tico. Por ejemplo, las quinolonas, una de las familias de antibióticos más usada en los tratamientos de infecciones bacterianas, producen una parada en la replicación del ADN al actuar sobre una de las proteínas esenciales en este pro-ceso, la ADN-girasa. Esta parada induce el sistema SOS bacteriano

y, consecuentemente, la síntesis de mutasas. Como resultado, se mul-tiplicará el número de mutaciones y también las posibilidades de ad-quirir resistencia por modificación (mutación) en la diana del antibió-tico (ADN-girasa).

Los resultados obtenidos por uno de nuestros laboratorios (Martínez) y por otros grupos indican que otros antibióticos (por ejemplo, aminogli-cósidos o tetraciclina) incrementan, a su vez, el número de mutaciones, aunque operan a través de un me-canismo distinto. Por último, de acuerdo con las investigaciones rea-lizadas en el laboratorio de Bláz-quez y Baquero, los antibióticos beta-lactámicos, aunque no lesionan el ADN, sí inducen la síntesis de la mutasa ADN-polimerasa IV. Como era de esperar, el tratamiento con beta-lactámicos incrementa la tasa de mutación entre 10 y 100 ve ces en las bacterias sometidas a dichos antibióticos, con el riesgo añadido de que la aparición de bacterias resistentes esté favorecida por el efecto selectivo derivado de la pre-sencia del propio antibiótico.

En resumen, los antibióticos no son meros selectores de cepas resistentes. Mediante un proceso en el que las bacterias participan activamente, son capaces de incre-mentar, estable o transitoriamente, la tasa de mutación de las mismas, acelerando la variabilidad genética y aumentando, por tanto, las po-sibilidades de adquisición de re-sistencia.


ENZYMES OF EVOLUTIONARY CHANGE. Miroslav Radman, en Nature, vol. 401, págs. 866-867; 1999.

HIGH FREQUENCY OF HYPERMUTABLE PSEUDOMONAS AERUGINOSA IN CYSTIC FIBROSIS LUNG INFECTION. Antonio Oliver, Rafael Cantón, Pilar Campo, Fernando Baquero y Jesús Blázquez, en Science, vol. 288, págs. 1251-1253; 2000.

MUTATION FREQUENCIES AND ANTIBIO-TIC RESISTANCE. José Luis Martínez y Fernando Baquero, en Antimicrobial Agents and Chemotherapy, vol. 44, págs. 1771-1777, 2000.


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22 INVESTIGACION Y CIENCIA, septiembre, 2009

“S uperbicho ataca”. Parece el título de una película infantil de terror. Se trata, en realidad, de un titular

del New York Post del 26 de octubre de 2007. Doce días antes, había muerto en Brooklyn un chico de 12 años, tras herirse jugando al ba-loncesto, infectado por una cepa de la bacteria Staphylococcus aureus resistente a la meticilina (SARM), uno de los fármacos más potentes del arsenal antibiótico actual.

Diez años atrás, la posibilidad de que una persona sana contrajese una infección bacteria-na letal se hubiera considerado remota. Pero en nuestros días se ha hecho realidad. En 2007, un equipo dirigido por Monina Klevens, de los Centros estadounidenses de Prevención y Control de Enfermedades, informaba que la cepa SARM era responsable de 19.000 muertes al año en los EE.UU., mortandad superior a la causada por el sida. La cifra resulta es-pecialmente alarmante debido a que un 20 por ciento de quienes contraen infecciones no localizadas de SARM fallecen por esa cau-sa; asimismo, un número cada vez mayor de las víctimas son personas jóvenes y sanas que contraen la infección durante sus actividades cotidianas. El problema estuvo otrora limitado a hospitales y residencias de ancianos, donde muchas personas eran vulnerables en razón de su debilitado sistema inmunitario. A los que sobreviven al SARM, les sale también caro: un enfermo que lo contraiga mientras se

encuentra hospitalizado permanece ingresado 10 días más por término medio, a un coste de unos 25.000 o 30.000 euros.

El gasto anual total correspondiente al tra-tamiento de infecciones SARM en los hospita-les estadounidenses supera los 3000 millones de euros. Y el estafilococo áureo es sólo uno de los patógenos que están resultando cada vez más difíciles de doblegar. La medicina moderna está perdiendo la guerra contra bacterias morbosas que en otros tiempos se dieron por vencidas. Para invertir la marea se requieren nuevos mé-todos que permitan descubrir y crear nuevos antibióticos.

Resistencia recurrenteLa historia de la SARM nos enseña cuán rá-pidamente puede presentarse la resistencia a los fármacos. Los mecanismos responsables de la resistencia antibiótica de los estafilococos y otras bacterias hacen que el problema sea casi inevitable y crean una necesidad incesante de antibióticos nuevos.

La meticilina, un derivado de la penicilina, fue introducida en 1959 para tratar infecciones provocadas por cepas bacterianas que se habían vuelto resistentes a la penicilina (S. aureus y Streptococcus pneumoniae, el estreptococo de la neumonía). No obstante, tan sólo un año después se observaron en hospitales europeos cepas de S. aureus resistentes a la meticilina. En los años ochenta, las SARM se difundieron

CONCEPTOS BASICOS

n Hay bacterias que desarro-llan resistencia contra los antibióticos a una velocidad superior a la de creación o descubrimiento de nuevos fármacos.

n Para solucionar el proble-ma, se están adoptando estrategias novedosas; entre otras, la exploración de ambientes exóticos y el análisis de genomas microbianos.

n Ciertos métodos nuevos y específicos contra mi-croorganismos y fármacos que inutilizan el patógeno sin matarlo podrían eludir o frenar una espiral de progresiva resistencia.

Se están aplicando enfoques y técnicas de nuevo cuño en la búsqueda de antibióticos

Christopher T. Walsh y Michael A. Fischbach

Nuevas tácticas contra bacterias resistentes

INVESTIGACION Y CIENCIA, septiembre, 2009 23

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por los servicios de salud de todo el mundo. Hace unos 15 años surgió una clase nueva de infecciones SARM: infecciones contraídas en la “comunidad”, no sólo en hospitales.

El tratamiento de la estafilococia resistente a la meticilina (SARM) resulta problemático debido, en parte, a que puede difundirse con prontitud si penetra en el torrente circulatorio. Pero la cualidad más perniciosa de la SARM es su resistencia frente a unos de los antibióticos principales, los beta-lactamos (cefalosporinas y variantes de la penicilina, entre otros): los estafilococos producen una enzima que escinde y destruye los fármacos. La resistencia a los beta-lactamos limita el arsenal farmacoló-gico disponible contra la SARM a un pequeño conjunto de antibióticos con efectos secundarios graves. Ciertas cepas de SARM han adquirido ya resistencia frente a la vancomicina, el más eficaz de los antibióticos mencionados.

La aparición de resistencia a la vancomicina en bacterias que ya eran resistentes a la meticilina ilustra un difícil problema al que se enfrentan la medicina y la farmacopea: desde el momento en que se introduce un antibiótico en la práctica clínica, empieza la cuenta atrás de su vida útil. La responsabilidad recae en la selección natural: la mera presencia de un antibiótico crea un am-biente donde una cepa bacteriana que por azar sea resistente adquirirá súbitamente ventaja sobre sus competidoras para desarrollarse más.

La vancomicina fue aprobada por la Agencia Federal de Fármacos y Alimentos estadounidense (FDA) en 1958; al presentarse la SARM, la van-comicina se convirtió en la fuerza terapéutica de reserva para esta clase de infecciones. Pero en 2002 empezaron a aparecer, en los hospitales, cepas de SARM que oponían también resistencia a la vancomicina. Las cepas de S. aureus vancomicín-resistentes (SAVR) emergieron de cepas de SARM que habían adquirido un conjunto de cinco genes que viajaban en bloque, los cuales confirieron re-sistencia a la vancomicina. Las enzimas codificadas por esos genes permiten al SAVR reemplazar las dianas de la vancomicina en la pared bacteriana por una estructura variante, a la que la vancomi-cina no puede unirse. El que llegó a denominarse “antibiótico de último recurso” deja entonces de inhibir el desarrollo de SAVR.

La sustitución de la diana de un antibiótico constituye sólo una de las tres estrategias principales que las bacterias adoptan para evitar la muerte. Otra estrategia se funda en el ataque del anti-biótico: numerosos genes de resistencia (como el responsable de que SARM se torne resistente a los beta-lactamos) codifican una enzima que destruye o altera al antibiótico, y lo torna ineficaz. Una tercera posibilidad consiste en la expulsión del fármaco: ciertos genes codifican las instrucciones para una bomba que se instala en la membrana celular y excreta las moléculas de antibiótico que penetran en


la bacteria, evitando así que la concentración de antibiótico en el soma celular sea suficiente para provocar la muerte de esa célula.

¿En dónde se originan esos genes de resis-tencia? Algunos son fruto de mutaciones alea-torias. Este es el caso del alelo que reemplaza la enzima diana del ciproflaxino y de otros antibióticos basados en fluoroquinolonas por una forma resistente de esa misma enzima. Otros se toman de bacterias afines: el conjunto de cinco genes que confiere resistencia a la vancomicina procede de una bacteria que fa-brica ese antibiótico. Esa bacteria necesita esos genes para protegerse de su propio armamento químico; es probable que otras hayan adquiri-do esa misma defensa mediante transferencia génica horizontal (intercambio de genes).

Con frecuencia, dichas transferencias se vehiculan a través de plásmidos (fragmentos circulares de ADN), que se comportan como virus sin cápside; se transfieren de una bacteria a una célula bacteriana hospedadora, que los reconoce como pieza nativa de su ADN y los copia mediante su maquinaria de replica-ción. Para facilitar su difusión, los plásmidos también portan genes que promueven la su-pervivencia del huésped, entre ellos, genes de resistencia a los antibióticos. En bacterias que moraban en una planta de tratamiento de resi-duos se descubrió un plásmido que codificaba nueve genes de resistencia a los antibióticos.

La transferencia horizontal de genes se ha observado también al aislarse las cepas SARM,

SAVR y una tercera bacteria, Enterococcus fae-calis, de un paciente de diálisis de Michigan, en 2002. El análisis genético de esas cepas hizo ver que un plásmido que contenía el conjunto génico de resistencia a la vancomici-na (así como genes de resistencia a otros tres antibióticos y a cierta clase de desinfectantes) se habían transferido de E. faecalis a SAVR, creando así una cepa nueva de SAVR.

Lamentablemente, no es insólito que un en-fermo crónico se vea coinfectado por dos pató-genos bacterianos que hacen surgir un tercero. Dado que en las unidades de cuidados intensi-vos y en las residencias de tercera edad recalan a menudo pacientes de sistema inmunitario frágil, que reciben tratamientos antibióticos intensos, es allí donde más se desarrollan bac-terias resistentes a los antibióticos. Sin saberlo, el personal sanitario facilita la propagación de las bacterias al ir de un paciente a otro para cambiar sondas o catéteres intravenosos; por esa razón, el cumplimiento de las normas sobre la higiene de las manos del personal hospitalario, mientras pasan de un paciente a otro, reduce el número de infecciones.

SAVR, que no ha alcanzado todavía una gran difusión, muestra sensibilidad a una cuan-tía limitada de antibióticos de uso clínico; la mortalidad en los infectados es elevada. Está surgiendo otra clase de patógenos, las bacterias gram-negativas panresistentes a fármacos, cuyo perfil de resistencias es todavía más amedren-tador. Cuentan con dos membranas celulares; ta

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Los antibióticos típicos de la farmaco-pea actual tratan de vencer a las bacterias impidiendo alguna de sus funciones vitales. Las bacterias, a su vez, cuentan con varios medios para destruir los fármacos o eludir su acción.

MECANISMOS ANTIBIOTICOS ACTUALES... ...y LAS dEfENSAS frENTE A ELLOS

rUPTUrA dEL CICLOLos antibióticos actuales se orientan contra actividades celulares vitales para la bacteria: la expansión de su pared externa (crecimiento), la síntesis de proteínas y el despliegue del ADN (reproducción). Señalamos aquí algunas vías de acción de los fármacos, las clases de antibióticos que las utilizan y ejemplos de principios activos.

MECANISMO: Bloqueo de la síntesis de la pared celular

PrINCIPIOS ACTIVOS: Beta-lactamos (meticilina) Glicopéptidos (vancomicina) Cefalosporinas (ceftibuteno) Carbapenemos (imipenemo)

Pared celular externa

Ribosoma

ARN

MECANISMO: Inhibición de la síntesis de proteínas

PrINCIPIOS ACTIVOS: Tetraciclinas (minociclina) Macrólidos (eritromicina) Oxazolidinonas (linezolida) Aminoglicósidos (estreptomicina) Mutilinas (retapamulina)

Célula bacteriana

ADN

Precursores de ADN/ARN

ADN- girasa

MECANISMO: Inhibición de la síntesis de precursores de ADN y ARN

PrINCIPIOS ACTIVOS: Sulfonamidas (sulfametoxazol) Trimetoprima

MECANISMO: Inhibición del despliegue de ADN

PrINCIPIOS ACTIVOS: Quinolonas (ciprofloxacino)

Christopher T. Walsh ocupa la cátedra Hamilton Kuhn de bioquímica y farmacología molecular en la facultad de medicina de Harvard. Centra su investigación en los mecanismos que usan los microorganismos para sintetizar antibióticos y otras moléculas de interés terapéutico. Michael A. fischbach trabajaba en el departamento de biología molecular del Hospital General de Massachusetts cuando empezó a colaborar con Walsh en la bús-queda de genomas microbianos, para detectar genes productores de antibióticos. En la actualidad es profesor en el departamento de bioingeniería y ciencias tera-péuticas de la Universidad de California en San Francisco.

Los autores


la membrana externa adicional impide que numerosos antibióticos penetren la célula.

Entre los patógenos gram-negativos que son resistentes a casi todos los antibióticos mencionemos Escherichia coli, que contamina los alimentos, otra emparentada con ésta, Kleb-siella pneumoniae, y dos bacterias oportunistas, Pseudomonas aeruginosa y Acinetobacter bau-mannii, responsables de neumonía, meningitis y bacteremia en pacientes hospitalarios cuyo sistema inmunitario se encuentra debilitado.

El personal sanitario debe hacer todo lo posible para evitar la difusión de bacterias resistentes —y, por ende, de genes de resis-tencia— dentro y fuera del hospital. Por otra parte, son necesarios antibióticos nuevos para complementar esos esfuerzos y combatir los gérmenes que ya han adquirido resistencia.

Entre las postrimerías de los años treinta y los primeros sesenta del siglo pasado, el des-cubrimiento de antibióticos experimentó una “edad de oro”: se desarrollaron los principa-les tipos de antibióticos que se utilizan en la actualidad. Desdichadamente, en los cuatro decenios que median entre el lanzamiento de las quinolonas (1962) y la aprobación de las oxazolidinonas (2000) se ha producido un hiato en la innovación, durante el cual no se han desarrollado nuevas clases de antibióticos.

Una de las causas de semejante sequía re-side en las compañías farmacéuticas, que han perdido incentivo económico para invertir en la investigación de antibióticos; requiere un

gran esfuerzo y los márgenes de beneficio son escasos, en comparación con los de medica-mentos para tratamientos de larga duración como antihipertensivos y antiinflamatorios. Otra de las causas estriba en que los antibió-ticos actuales fueron descubiertos mediante técnicas que están ya agotadas; el hallazgo de otros nuevos va a requerir nuevos enfoques.

Búsqueda y síntesisCasi todos los antibióticos actuales son pro-ducidos por bacterias u hongos. Se obtienen también por modificación química de esos antibióticos naturales. Los microorganismos esgrimen sus antibióticos unos contra otros, en una suerte de “guerra química”; puede que los segreguen también, en concentracio-nes menores, como moléculas de señalización. Tradicionalmente, la búsqueda de antibióticos naturales ha consistido en aislar microorganis-mos, buscándolos, a menudo, en muestras de suelo, y cultivarlos después en el laboratorio para extraer sus secreciones. Se ensayan estos compuestos enfrentándolos a bacterias pató-genas, lo que permite cribar las moléculas con potencial terapéutico. Las compañías farma-céuticas han estudiado de esa forma millones de extractos bacterianos. En el mercado hay sólo unas 10 clases de antibióticos naturales. Se han descubierto otras, pero, por razones diversas (actividad antibacteriana débil o toxi-cidad inaceptable), nunca se han prescrito de forma generalizada.iS

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INNOVACION EN ANTIBIOTICOSEn 1962 se recogió el último fruto de los métodos tradicio-nales de hallazgo de principios activos; no se descubriría nin-guna otra clase de antibiótico durante los próximos 40 años. Las introducidas en estos últi-mos años fueron descubiertas hace decenios, pero no fueron desarrolladas en su tiempo.

MECANISMOS ANTIBIOTICOS ACTUALES... ...y LAS dEfENSAS frENTE A ELLOS

TACTICAS dE rESISTENCIALas bacterias, sea por una muta-ción genética o por apropiación de un gen procedente de otro or-ganismo, adquieren resistencias a los antibióticos. Las tres formas de resistencia habituales consis-ten en el despliegue de una enzi-ma que destruye o inutiliza el fár-maco antibiótico; el uso, en la pa-red celular, de una bomba que excreta el fármaco antes de que pueda actuar, y, por fin, la susti-tución de la proteína diana del fármaco por una variante que el fármaco no reconoce. Se mues-tra, debajo de cada uno de estos mecanismos defensivos, un pató-geno que se vale del mismo.

Antibiótico

Célula bacteriana

Diana del fármaco

MECANISMO: Excreción del fármaco

EJEMPLO: Pseudomonas aeruginosa

Bomba celular

MECANISMO: Destrucción del fármaco

EJEMPLO: Escherichia coli

Enzima

MECANISMO: Sustitución de diana

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Diana modificada

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AñoClases de antibióticos comerciales

SulfamidasBeta-lactamosCloranfenicolTetraciclinasAminoglicósidos

MacrólidosGlicopéptidosQuinolonasEstreptograminas

OxazolidononasLipopéptidosMutilinas

SIN INNOVACIONES


Esta metodología funcionó a la perfección durante la edad de oro del descubrimiento de antibióticos. Pero todos los frutos que estaban al alcance de la mano ya se han recolectado. A pesar de los continuos esfuerzos de los labo-ratorios farmacéuticos durante los últimos 50 años, ha caído la cadencia de descubrimien-tos. Una de las causas más irritantes es el re-descubrimiento: dado que la mayoría de los microorganismos productores de antibióticos forman esporas que viajan por todo el planeta y que los genes responsables de la producción de antibióticos están expuestos a la transferencia horizontal (igual que los genes de resistencia a los mismos), son muchos los microorganismos que producen un mismo antibiótico. Se estima que una de cada 250 cepas del orden de las bacterias más explotadas en la obtención de an-tibióticos (actinomicetes) produce tetraciclina.

A pesar de que esta elevada proporción de redescubrimiento ha llevado a algunos in-vestigadores a concluir que se ha agotado “la veta madre” de antibióticos, análisis genéticos recientes de bacterias han puesto sordina a semejante conclusión. Sugieren, en cambio, la necesidad de aplicar nuevas tácticas.

Por otra parte, no es raro que los progresos técnicos susciten el renacer de alguna discipli-na antigua; parece que el descubrimiento de antibióticos se encuentra en los albores de ese renacer. Las estrategias actuales para el desarro-llo de antibióticos se basan en la modificación

de los ya existentes o en el descubrimiento de otros completamente nuevos. La modificación química de antibióticos naturales proporciona antibióticos “semisintéticos”, con la “carga ex-plosiva” intacta y la periferia modificada. Halla-mos un ejemplo en las tetraciclinas, antibióticos que inhiben la actividad de los ribosomas. La resistencia a las tetraciclinas suele deberse a un sistema de bombeo en la membrana de la célula bacteriana que las excreta antes de que puedan realizar su tarea. Tal fenómeno se ha convertido en un problema grave en el caso de bacterias gram-negativas panresistentes.

Los científicos de Wyeth han sintetizado una tetraciclina químicamente modificada, la tigeciclina, que ya no puede ser bombeada al exterior de las células diana. La tigeciclina, aprobada por la FDA en 2005, se indica contra cierta variedad de patógenos resistentes a la tetraciclina, si bien su uso se halla restringido a medios hospitalarios porque requiere adminis-tración intravenosa. Pero las cosas comienzan a torcerse: se ha observado ya resistencia a la tigeciclina en algunas cepas de A. baumannii. El tiempo dirá a qué velocidad se expande la resistencia al nuevo fármaco.

La modificación de un principio activo de producción microbiana (penicilina, vancomi-cina, eritromicina) también puede llevarse a cabo mediante la introducción de alteraciones genéticas en el microorganismo que lo fabrica. Casi todos los organismos sintetizan antibióticos ta

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ANTIGRIPALESLos antibióticos son inocuos para virus como la nueva cepa gripal A (H1N1, abajo), pero en la hipótesis de que este virus nuevo provoca-se una pandemia, es probable que los fallecimientos se debieran a infecciones bacterianas secunda-rias, causantes de neumonías. La gripe debilita las defensas del infectado, que queda expuesto al ataque de bacterias oportunistas. Cuando el Staphylococcus aureus resistente a la meticilina u otras bacterias resistentes provocan la neumonía, empeora una dolencia que era ya grave, resulta más difí-cil de tratar y puede convertirse en letal.

Casi todos los antibióticos actuales son producidos por bacterias; en condiciones naturales, éstas mantienen una guerra química contra microorganismos rivales. Mediante la secuenciación de genomas y la manipulación de genes podrían descubrirse nuevas armas químicas o modificar las existentes para mejorar su eficacia.

MINErIA GENETICA y fArMACOS

rEBUSCA dE GENESLas bacterias producen ciertos antibióticos naturales mediante cadenas de montaje de enzimas agrupadas en módulos, que van añadiendo cada uno componentes sucesivos. Las enzimas están codificadas por conjuntos de genes. Una posibilidad consiste en explorar genomas completos de un gran número de cepas bacterianas, para localizar grupos de genes susceptibles de crear antibióticos nuevos. No todos esos bloques de genes se encuentran activos en las células, por lo que la única for-ma de identificar esos antibióticos “crípticos” consiste en rebuscar por el genoma.

TrASLACION dE GENESSi un compuesto antibiótico recién descubierto se halla “durmiente” en su bacteria nativa o se produce en cantidades tan reducidas que el microorganismo no sirve como “fábri-ca” del fármaco, puede transferirse la secuencia génica que codifica las enzimas necesarias e insertarla en organismos más cooperativos.

MOdIfICACION dE GENESPuede modificarse un compuesto con el fin de que venza la resistencia bacteriana: basta con modificar por ingeniería genética el or-ganismo que lo produce para que éste utilice nuevos módulos enzimáticos. En una serie de experimentos se mezclaron y armonizaron genes para obtener 50 variantes del núcleo de la molécula de eritromicina que pudieran originar nuevas versiones de la misma.

ADNGenes codificadores de enzimas

Módulo enzimático

Subunidad química

Molécula de antibiótico

Bacteria nativa

Productor prolífico

Núcleo de eritromicina

Molécula modificada


naturales mediante enormes cadenas de montaje integradas por equipos de enzimas (“módulos”): cada uno inserta un bloque constructivo en la preparación de la molécula de antibiótico. Mediante alteraciones genéticas que modifican determinados módulos enzimáticos, se induce en esos organismos la producción de princi-pios activos que se diferencien en un bloque constructivo ubicado en una posición concreta. Kosan, una compañía de biotecnología adquiri-da en fecha reciente por Bristol-Myers Squibb, ha aplicado esta forma de ingeniería genética programada al objeto de generar docenas de derivados de la eritromicina, difíciles de obtener mediante los métodos de síntesis habituales.

A pesar de que la modificación de antibió-ticos conocidos ha constituido una estrategia fructífera, importaría más el descubrimiento de clases de antibióticos enteramente nuevas, ya que es menos probable que sufran un rápi-do incremento de resistencias, auténtica plaga de las sucesivas generaciones de antibióticos existentes.

Minería genómicaEn años recientes, la investigación se ha orien-tado sobre todo hacia la identificación de enzi-mas esenciales para el metabolismo bacteriano, con la esperanza de que en las bibliotecas de compuestos químicos figuren ya moléculas in-hibidoras de estas enzimas vitales, aptas para su conversión en fármacos. Antes de embarcarse en la búsqueda del inhibidor correspondiente, se determina el efecto que tendría sobre la bacteria la pérdida de la enzima. Una vez des-cifrado el genoma bacteriano (la secuencia completa de código ADN), se silencian los genes codificadores de ciertas enzimas, para ver si la bacteria sobrevive sin ellas.

Aunque esa estrategia de identificación de dianas enzimáticas no ha aportado nuevos antibióticos, es posible que dé frutos en años venideros. Entre las principales dificultades se cuenta la formidable barrera alzada por la pared celular bacteriana: aun cuando se des-cubriera una molécula de tamaño reducido con capacidad para inhibir una enzima bac-teriana clave, de poco serviría si no alcanzara su objetivo intracelular. En lugar de buscar puntos flacos en los patógenos, otra forma de hallar nuevos antibióticos consiste en estudiar microorganismos productores de antibióticos. La genómica, también en este caso, resultará de gran utilidad.

Cuando en 2002 se obtuvieron los primeros genomas de bacterias productoras de antibió-ticos, se planteó un intrigante misterio: esos microorganismos, pertenecientes a la clase de los actinomicetes, contaban con 25 o 30 juegos de genes que, de acuerdo con su secuencia,

parecían corresponder a instrucciones de mon-taje de módulos enzimáticos productores de moléculas de tipo antibiótico; sin embargo, las bacterias no parecían utilizar la mayoría de esos genes. Cultivadas en el laboratorio, sintetizaban sólo una o dos de tales moléculas.

Para verificar si esos genes, en apariencia durmientes, codificaban maquinaria para la fabricación de antibióticos nuevos, los autores, juntamente con varios colaboradores de la fa-cultad de medicina de Harvard y del Instituto Broad, han acometido la secuenciación del genoma de otras 20 cepas más de actinomice-tes y la aplicación de algoritmos informáticos refinados para seleccionar genes que pudieran contener instrucciones para módulos enzimáti-cos productores de antibióticos. El estudio de las secuencias genómicas que rodean esos mó-dulos contribuiría a descifrar los mecanismos reguladores que utilizan las células para deter-

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Las bacterias del suelo resultaron ser tan caudalosa fuente de principios activos durante la era inicial de descubrimiento de los antibióticos, que pocos han explorado más allá. La búsqueda de compuestos novedosos en ambientes y organismos distintos de los considerados hasta ahora está arrojando moléculas antibióticas cuyos mecanismos difieren en grado suficiente de las clases de fármacos actuales para evitar la aparición de resistencias.

BUSQUEdA EXHAUSTIVA

OrGANISMOS MArINOSLos ambientes extremos constituyen buenos lugares

donde buscar productores de compuestos insólitos, porque los organismos que allí medran afrontan condiciones y amenazas exóti- cas. La abisomicina, un nuevo y potente antibiótico, es elaborado por la bacteria Verrucosispora (en cultivo,

izquierda, y en espora, derecha), que habita en el mar del Japón a una pro-

fundidad de casi 300 metros.

MICrOOrGANISMOS MUTUALISTASLa cooperación conduce a la especialización; por eso, los participantes en relaciones mutualistas producen moléculas altamente especializadas. Un hongo que habita en un escarabajo descortezador, endémico del sur de EE.UU., le ayuda a digerir la pulpa de madera. A cambio, el escarabajo hospeda a una bacteria que produce un potente agente antifúngico, que mata a los hongos competidores, pero no al hongo mutualista del escarabajo.

PrOdUCTOrES NO COOPErANTESAunque ciertas bacterias son fecundas productoras de nuevos antibióticos, no se prestan a crecer en condiciones industriales o en el laboratorio. Stigmatella aurantiaca (izquierda) genera una molécula de tipo antibiótico, la mixocromida, que no se presta al cultivo. Con nuevos medios para trasladar los genes de interés a productores mejor dispuestos, podrían investigarse familias de bacterias, obviadas hasta ahora, en busca de moléculas útiles.


minar cuándo debe sintetizarse un antibiótico. Con esa información, podemos manipular las células mediante ingeniería genética para ac-tivar los genes deseados y ver si las moléculas crípticas muestran actividad antibiótica.

Por otra parte, un grupo de investigadores de la Universidad de Saarland, en lugar de es-forzarse en inducir a las bacterias la producción de antibióticos bajo demanda, ha optado por trasladar los genes productores de antibióticos desde sus recalcitrantes productoras a bacterias de otros tipos, más indicadas para la manu-factura de antibióticos.

Rolf Müller y sus colaboradores trabajan con mixobacterias, un orden de bacterias que, al igual que los actinomicetes, son productoras prolíficas de antibióticos. Sin embargo, dado que el cultivo en el laboratorio de mixobacterias entraña mayor dificultad que el de los actino-

micetes, se ha trabajado para cribar de entre ellas las productoras de antibióticos novedosos.

Müller ha eludido este problema mediante la escisión de los genes implicados en la pro-ducción de mixocromida, una molécula de tipo antibiótico, a partir de la mixobacteria Stigma-tella aurantiaca e insertándolos en Pseudomonas putida, cepa bacteriana más sencilla de cultivar. De hecho, P. putida se utiliza a menudo para la producción comercial de enzimas útiles en la industria. El trabajo de Müller ha afrontado dos dificultades clave: el hallazgo de un hospe-dador genéticamente manipulable dotado de la infraestructura metabólica requerida para la producción de antibióticos y el desarrollo de técnicas para desplazar de un microorganismo a otro grandes fragmentos de ADN. Ello ha abierto la cueva del tesoro para nuevos anti-bióticos procedentes de mixobacterias y sugiere la necesidad de una secuenciación genómica a gran escala de las mixobacterias.

Además de estudiar microorganismos del suelo infrautilizados, los investigadores pueden dirigir su atención hacia ecosistemas inexplo-rados. No es mala opción, si consideramos que resulta más probable que los antibióticos creados por organismos de ambientes exóti- cos no se hayan descubierto todavía.

En la Universidad de Tübingen, el equipo que dirige Roderich Süssmuth acaba de lograr un hallazgo: en un actinomicete aislado de un sedimento yacente a una profundidad de 289 metros del mar del Japón han encontrado un nuevo antibiótico, la abisomicina.

Otro grupo que estudia bacterias marinas (Bradley Moore, William Fenical y sus colabo-radores de la Institución Scripps de Oceano-grafía en La Jolla, California) ha secuenciado el genoma de cepas de actinomicetes marinos, anteriormente desconocidas. Los genomas pre-sentan un abanico de genes correspondientes a antibióticos y a moléculas relacionadas, lo que demuestra el potencial de las bacterias marinas para la preparación de nuevas clases de antibióticos.

Otra metodología de prospección de nuevos ambientes consiste en estudiar microorganis-mos que participan en sistemas de mutualismo (interacciones en las que ambas partes resul-tan beneficiadas). El escarabajo descortezador Dendroctonus frontalis porta consigo un hongo que digiere el interior de los pinos invadidos por el insecto. La protección que el escarabajo proporciona a su fúngico mutualista frente a un segundo linaje de hongos antagonistas, que compite con el primero, ha sido un misterio hasta hace poco. Cameron Currie, Jon Clardy y sus colaboradores, de la Universidad de Wis-consin en Madison y la facultad de medicina de Harvard, han demostrado que el escarabajo iS

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Además de perfeccionar los antibióticos existentes y de buscar nuevas molé-culas con efectos antibióticos, se están estudiando métodos novedosos para matar o inutilizar bacterias patógenas. Muchos de éstos poseen la ventaja adicional de evitar mecanismos que suelen crear resistencia.

NUEVOS ENfOQUES

ABrIr POrOSEn lugar de atacar las enzimas bacterianas o sus procesos vitales, los túbulos que abren poros las matarían por perforación de la mem-brana celular. Unas diminutas proteínas natu-rales, las definsinas, llevan a cabo una función similar en los vertebrados para defenderlos de los microorganismos. Varios grupos de investi-gación están desarrollando péptidos (fragmen-tos de proteína) sintéticos que se orga- nizarían por sí mismos, formando túbulos insertados en las membranas bacterianas.

PUNTErIA fINALos bacteriófagos son virus que infectan a bacterias; suelen mos-trar preferencia por un solo tipo de hospedador. Los fagos vienen estudiándose desde hace mucho por su posible utilización contra bacterias patógenas; además, ilustran el principio subyacente a los nuevos fármacos de “espec-tro estrecho”, que se dirigen sólo contra un patógeno, sin lesionar a las células humanas ni a las bacterias “amistosas”.

SOMETEr SIN MUErTEUna forma de usar antibióticos sin crear resistencias consistiría en dejar al microorganismo con vida, si bien privado de ca-pacidad patógena. Hallamos un ejemplo en una E. coli (rojo) modificada por inge-niería genética, diseñada para imitar a las células que moran en el intestino huma-no. Al ingerir E. coli inocuas, éstas embe-ben Shiga, una toxina mortal producida por otro microorganismo.

Tubo peptídico creador de poros

Membrana celular


cobija a un segundo microorganismo mutualis-ta (un actinomicete) que produce un potente agente antifúngico desconocido. Esa molécula, la micangimicina, mata al hongo antagonista y respeta al mutualista.

Jörn Piel, de la Universidad de Bonn, ha demostrado que otro tipo de escarabajo y una esponja marina alojan simbiontes bacterianos que producen moléculas relacionadas, ambas de tipo antibiótico. También en Alemania, Christian Hertweck, del Instituto Hans Knöll de Jena, ha descubierto un hongo portador de su propio simbionte bacteriano, que produce rizoxina, compuesto de tipo antibiótico. De hecho, la podofilotoxina y la camptotecina, dos fármacos anticancerosos que durante largo tiempo se creyeron producidos por plantas, proceden de hongos que viven en esas plantas. Aunque la exploración de los microorga-nismos simbiontes apenas si ha empezado, se cuentan ya entre las fuentes de antibióticos naturales más prometedoras; es posible que incluyan compuestos que definan nuevas clases de antibióticos o que posean mecanismos de acción novedosos. Asimismo, la exploración de la función de los microorganismos simbion-tes que medran en nuestro cuerpo está abrien-do nuevas vías de tratamiento antibiótico.

Preservar a los aliadosLo mismo que los insectos y las esponjas, los humanos damos cobijo a una rica variedad de simbiontes bacterianos responsables de múlti-ples funciones: entre otras, facilitar la digestión de los alimentos y el desarrollo de nuestro sistema inmunitario. Desdichadamente, los an-tibióticos actuales son instrumentos demasiado contundentes: no atacan sólo a las bacterias patógenas, sino también a las mutualistas be-neficiosas que se hallan instaladas en nuestros intestinos. En ocasiones, la erradicación de la microflora intestinal del enfermo despeja el paso a bacterias dañinas, como Clostridium difficile, que, al multiplicarse, provocan una nueva infección “secundaria”, a veces más pe-ligrosa que la primera.

Para evitar infecciones bacterianas se recurre a sustancias o microorganismos “amigos” que alienten el desarrollo de los mutualistas y así compitan con éxito contra los patógenos. Aun-que tales tratamientos “probióticos” pueden resultar útiles para obviar el uso generalizado de antibióticos que promueve la resistencia, no se ha demostrado que resulten eficaces en el tratamiento de infecciones ya existentes.

A pesar de ello, se acepta cada vez más que la microflora intestinal contribuye a mantener a raya a las infecciones. De ahí el interés de una nueva estrategia para el descubrimiento de compuestos antibacterianos: desarrollar fármacos

de espectro estrecho, diseñados para atacar a los patógenos responsables de la infección, dejando intactos al resto de nuestras bacterias mutualistas.

En esa línea, Neil Stokes y sus colegas de Prolysis, una compañía con sede en Oxford, han desarrollado en fecha reciente lo que po-dría ser un nuevo antibiótico, que ataca a S. aureus y afines (impide su división celular) y deja intactas a las demás bacterias. Victor Nizet y Andrew Wang, ambos de la Universidad de California en San Diego, junto con Eric Oldfield, de la Universidad de Illinois, han llevado esta idea un paso más allá. Han des-cubierto un compuesto que bloquea la síntesis de una molécula pigmentaria que contribuye a la virulencia de S. aureus, inhibiendo así la función patógena de S. aureus sin necesidad de matar a la bacteria.

Los métodos experimentales de inhibición de la virulencia bacteriana aportan el posible beneficio adicional de eludir los mecanismos que generan resistencia. Si un fármaco no mata al patógeno, deja de haber “supervivientes” que puedan resultar favorecidos por la selec-ción natural, por lo que será menos probable la evolución de cepas resistentes. De forma análoga, la metodología de espectro estrecho se funda en el hallazgo de dianas exclusivas o esenciales en la bacteria patógena, que no se encuentren en otras. Así pues, incluso si el microorganismo diana acaba desarrollando resistencia al fármaco, se tratará, en el peor caso, de una resistencia que es improbable que se difunda y resulte útil a otros patógenos.

Está por ver, no obstante, si tales terapias, solas o combinadas con otros tratamientos, resultan viables. Para empezar, los fármacos exigirían pruebas diagnósticas rápidas que identificaran al patógeno responsable de la in-fección del enfermo. Las pruebas en cuestión, aunque pergeñadas, no son todavía de aplica-ción generalizada. Los antibióticos de espectro estrecho, cuyas aplicaciones son, precisamen-te por eso, limitadas, podrían resultar poco atractivos para los laboratorios farmacéuticos.

Pero la idea del antibiótico universal, apto para todas las enfermedades, no es factible. Hace unos cuarenta años existía la creencia de que las enfermedades infecciosas estaban a pun-to de ser doblegadas. En fecha más reciente, en artículos de la prensa popular se ha proclamado que las bacterias polirresistentes a fármacos han traído consigo el “fin de los antibióticos”. Ni una ni otra cosa. Quizá no lleguemos nunca a vencer en esa carrera contrarreloj, pero durante el siglo pasado el desarrollo de terapias nuevas nos ha permitido ir un paso por delante de los patógenos. Debemos realizar el máximo esfuerzo para conservar esa ventaja.pe

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ANTIBIOTICS: ACTIONS, ORIGINS, RESISTANCE. Christopher Walsh. ASM Press, 2003.

ANTIBIOTICS AT THE CROSSROADS. Carl Nathan en Nature, vol. 431, págs. 899-902. 21 de octubre, 2004.

NEW ANTIBIOTICS FROM BACTE-RIAL NATURAL PRODUCTS. Jon Clardy, Michael A. Fischbach y Christopher T. Walsh en Na- ture Biotechnology, vol. 24, n.o 12, págs. 1541-1550. Diciembre, 2006.

SUPERBUGS. Jerome Groopman en New Yorker; 11 de agosto, 2008.


2 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, mayo 2013

M I C R O B I O LO G Í A

VenCeR LA ResIstenCIA

A LOs AntIBIótICOs

El conocimiento profundo de la percepción de quórum, un sistema de comunicación peculiar en las colonias bacterianas,

augura avances en la lucha contra las resistencias

Desde 1940, en que Edward P. Abraham y Ernst B. Chain describieron la primera resistencia a la meticilina en Staphylococcus, hasta hoy en día se han descrito diversos mecanismos de resistencia a múltiples antibióticos. Si se tie-ne en cuenta que muchos de esos fármacos se han obtenido a partir de hongos (como Peni-

cillium spp.) que se hallan en condiciones normales en la na-turaleza, no resulta extraño que desde el principio de la era de los antibióticos empezara a la vez la era de la resistencia a ellos.

En sus inicios, el problema de la resistencia se hallaba foca-lizado en el entorno hospitalario. Pero debido a diversas causas, como el no lavado de las manos tras el contacto hospitalario o el abuso de antibióticos en la agricultura y la ganadería, hoy en día los patógenos multirresistentes se han convertido en un problema comunitario. Ello conlleva enormes pérdidas econó-micas, además de humanas.

La resistencia se basa en diversos mecanismos. Las bacterias patógenas producen enzimas que destruyen el antibiótico, dismi-nuyen la permeabilidad de la membrana (con lo que dificultan la entrada del fármaco), cuentan con bombas de expulsión que extraen activamente el antibiótico fuera de la célula o bien alte-ran la diana de acción del antibiótico (cambian la estructura de cierta proteína contra la que va dirigida el medicamento). Tales mecanismos están codificados por genes que se hallan bien en el cromosoma de la bacteria o bien en plásmidos, segmentos de ADN circular extracromosómico que se transfieren de una bacteria a otra y se diseminan así en la población. Los plásmidos permiten que los mecanismos de resistencia sean transmisibles, lo que hace aumentar de forma exponencial la supervivencia de las bacterias como ya comprobaron la autora y otros en 2007

en un artículo publicado en la revista Journal of Antimicrobial Chemotherapy.

De una forma u otra, los genes responsables de la resistencia a los antibióticos se activan y las infecciones dejan de reaccionar a los tratamientos. Pero ¿cómo saben las bacterias cuál es el momento indicado para activar esos genes?

La comunicación entre bacteriasCabe introducir aquí el concepto de «percepción de quórum» (quorum sensing), que se podría definir como el lenguaje bacte-riano. Se trata de un mecanismo empleado por las poblaciones microbianas para poder comunicarse unas células con otras, con el objetivo de generar diferentes fenotipos de una forma coordinada. Tal lenguaje está basado en la secreción de ciertas sustancias al exterior. Estas son identificadas por el resto de las bacterias de la población que, como consecuencia, modifican su comportamiento.

El mecanismo de acción de la percepción de quórum es el siguiente: las bacterias producen ciertas moléculas señalizadoras (conocidas también como autoinductoras o feromonas) que son exportadas al medio externo; mientras la población bacteriana no alcanza cierta densidad, la cantidad de esas moléculas resulta insuficiente para ser detectada por las células vecinas o producir un efecto en ellas. Pero a medida que la población bacteriana va creciendo, las señales se van incrementando y acumulando en el medio. Al llegar a una determinada densidad de pobla-ción, las moléculas alcanzan un valor crítico a partir del cual pueden ser reconocidas por el resto de las bacterias. De este modo se coordina la expresión de ciertos genes que, a su vez, pueden inducir ciertos fenotipos, tales como la producción de biopelículas o toxinas.

Mónica Cartelle Gestal

Mayo 2013, InvestigacionyCiencia.es 3

Ese fenómeno no solo se emplea en la comunicación de una especie bacteriana consigo misma, sino también entre distintas especies, como veremos más adelante.

Una de las bacterias patógenas en que se ha demostrado la percep-ción de quórum y que causa hoy en día más problemas en diferentes aspectos de la medicina es Pseudomonas aeruginosa. Este microorganismo constituye un grave problema en los pacientes con fibrosis quística (una enfermedad hereditaria que ocasiona al-teraciones en las secreciones mucosas). Invade los pulmones y se adhiere a las células, inicia la formación de biopelículas y establece una infección crónica en los pulmones del paciente. Otra razón para destacar esta bacteria es que se ha convertido en uno de los principales patógenos de adquisición nosocomial, es-pecialmente en pacientes inmunodeprimidos. Además, en varias ocasiones se han descrito brotes debidos a cepas de P. aeruginosa con resistencia múltiple a antibióticos.

P. aeruginosa emplea la percepción de quórum para organi-zar y regular numerosos comportamientos, como la formación de biopelículas, la movilidad, la producción de exopolisacáridos o la agregación celular, todos ellos directamente relacionados con la virulencia y la patogenicidad del microorganismo. Pseudo-monas posee dos sistemas principales de percepción de quórum que interaccionan entre sí para regular todo el comportamiento de la población bacteriana.

Una sociedad organizadaLa percepción del quórum tiene dos consecuencias principales. Por un lado, regula diferentes comportamientos que promueven la cooperación, como la síntesis de productos extracelulares que proporcionan un beneficio local a la población. Por otro, hace aumentar la síntesis de las propias moléculas de percepción de quórum, con lo que se produce la autoinducción.

El funcionamiento de la colonia se basa en que los individuos de la población cooperan de una manera honesta y coordinada. Sin embargo, puede darse el caso de que existan individuos «tramposos». Son aquellos que se sirven de las señales del resto de la población, pero se ahorran el coste de producirlas, con lo que nunca pierden. Tales individuos suelen hallarse entremezcla-dos con las bacterias que producen las señales. En el momento en que estas comienzan a hacerlo, disminuyen su crecimiento porque la producción de la señal les supone un gasto energético. Tal situación es aprovechada por los tramposos, que empiezan a proliferar de forma exponencial, pues usan las moléculas seña-lizadoras pero no gastan energía en la síntesis de estas.

La combinación de cooperación y engaño en la comunicación bacteriana se mantiene en la evolución gracias a lo que se conoce como «selección de parentesco» (kin selection), el cambio en las frecuencias génicas a lo largo de las generaciones que surge a raíz de las interacciones entre individuos emparentados. De este modo, una alta relación genética permite a las bacterias cooperar e interactuar entre ellas, lo que conlleva una mayor virulencia, mientras que una baja relación genética permite a los tramposos explotar al resto de la población y obtener bene-ficio de ella. Las bacterias se benefician así de la comunicación honesta predominante, que garantiza la cooperación entre ellas, pero en poblaciones mixtas pueden existir «tramposos» que, cuando tienen la ocasión, se aprovechan de sus vecinos para crecer y propagarse.

¿Existe un lenguaje universal?La percepción de quórum no solo puede modificar el compor-tamiento de las bacterias vecinas, sino que también facilita la comunicación cruzada con las hormonas del huésped, de modo que estas pueden regular la expresión de algunos genes bacte-

e l l e n g ua j e b ac t e r i a n O

Célula bacteriana

Moléculaseñalizadora

Baja densidad de población Alta densidad de población

Activación de genes

FENOTIPO(biopelículas,toxinas, etc.)

Cuando la molécula señalizadora entra en una célula vecina, reconoce genes especí-ficos y desencadena la expresión de estos. Tales genes dan lugar a fenotipos a menu-do relacionados con la virulencia y la patogenicidad de la bacteria.

Las bacterias se comunican entre sí mediante la se-creción de moléculas señalizadoras que son detec-tadas por el resto de las células de la población, las cuales, como respuesta, generan diferentes fenotipos de forma coordinada. Cuando la densidad de pobla-ción es baja, la señal se diluye en el medio y no pue-de ser percibida por el resto de las bacterias. Sin em-bargo, cuando el cultivo alcanza cierta densidad y las moléculas señalizadoras adquieren una concentra-ción crítica, las células vecinas pueden identificar la señal y regular su fenotipo de acuerdo con ella.

4 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, mayo 2013

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rianos. Ello significa que existe una comunicación universal o comunicación entre reinos.

El sistema digestivo humano contiene entre 500 y 1000 es-pecies bacterianas, lo que proporciona un beneficio mutuo: las bacterias consiguen un hábitat idóneo que les proporciona nu-trientes constantemente, y los humanos nos servimos de las bac-terias para mejorar la digestión y la absorción de nutrientes. La composición de la microbiota intestinal puede variar en función de factores genéticos, ambientales o los hábitos alimentarios del huésped [véase «El ecosistema microbiano humano», por J. Ackerman; Investigación y Ciencia, agosto de 2012].

Los microorganismos nos proporcionan asimismo una barrera de defensa, al impedir que las bacterias patógenas se adhieran a nuestro aparato digestivo o lo colonicen; además, segregan diversas sustancias antimicrobianas que destruyen los posibles patógenos invasores. Tales reacciones se producen gracias a la comunicación entre bacterias y huésped, regulada principalmente por moléculas autoinductoras (procedentes de las bacterias comensales) y por hormonas del huésped (como la epinefrina y la norepinefrina). Se ha observado que las alteracio-nes en esta comunicación dan lugar a la aparición de infecciones.

Aplicación terapéuticaActualmente se están desarrollando nuevas alternativas tera-péuticas frente al incremento de la resistencia a los antibióticos.

Entre los nuevos campos de estudio cabe mencionar los que se centran en el posible uso de bacteriófagos, bacteriocinas (toxi-nas proteicas) o péptidos, pero hacen falta más investigaciones para su aplicación.

Desde hace algunos años se están ensayando estrategias ba-sadas en moléculas que inhiban la percepción de quórum. La idea consiste en impedir la comunicación entre las bacterias con el fin de desestructurar la comunidad y eliminar así su virulencia y patogenicidad. La ventaja de tal estrategia reside en la escasa probabilidad de que el microorganismo desarrolle una resistencia ante ella. En la actualidad, diversas compañías farmacéuticas y universidades, como la de Nottingham, están colaborando para crear este tipo de tratamiento.

Tras el auge de la era antibiótica, la era de la lucha contra las resistencias ha cobrado especial importancia. El descubrimiento de la percepción de quórum ha dado pie a una nueva etapa que permite augurar avances importantes en los tratamientos anti-bióticos. Pensar en las bacterias como comunidades y sociedades que pueden cooperar y evolucionar en un fenotipo más resisten-te, y comprender tal comunicación para poder controlarla, son algunos de los nuevos objetivos de la microbiología.

—Mónica Cartelle Gestal Centro de Ciencias Biomoleculares

Universidad de Nottingham

biOpelícula de la bacteria Pseudomonas aeruginosa desarrollada en cultivo líquido en medio mínimo después de incubarla a 37 grados centígrados durante tres días. (Imagen obtenida mediante microscopía confocal.)

28 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, agosto 2014

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Cartografiar el intercambio de genes entre las bacterias inocuas y las patógenas abre nuevos caminos en la lucha

contra las cepas resistentes a los antibióticos

GENÉTICAdE lA rEsIsTENCIA

mICrobIANA

Desde el descubrimiento y empleo a gran escala de los antibióticos, numerosos patógenos a los que se había considerado vencidos no han cesado de desarrollar resistencia a estos medicamentos.

Para averiguar cómo logran sobre-vivir las bacterias ante los antibió-ticos, los investigadores estudian el resistoma, el conjunto de genes que transforma un patógeno vulnerable en resistente.

El estudio del resistoma del organismo humano y de otros entornos naturales demuestra que se había infravalorado la cantidad de genes de resistencia. el intercambio frecuente de estos entre distintas especies y ambientes ha favorecido la difusión de la resistencia.

Este conocimiento ofrece una base más sólida a la hora de plantear nuevas estrategias contra las en-fermedades infecciosas que se han vuelto intratables.

E N S Í N T E S I S

Gautam Dantas y Morten O. A. Sommer

m i c r o b i o lo g í a

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Clostridium diffiCile puede causar diarreas mor-tales. Una cepa surgida en el año 2000, resistente al cipro-flaxino y al levofloxacino, entre otros antibióticos, contribuyó a cuadruplicar el número de muertes por esta bacteria en Estados Unidos entre 2000 y 2007.

Agosto 2014, InvestigacionyCiencia.es 29


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Gautam Dantas es profesor de patología, inmunología e ingeniería biomédica y miembro del Centro de Ciencias Genómicas y Biología de Sistemas de la Universidad de Washington en San Luis, Misuri.

Morten O. A. Sommer es profesor de biología de sistemas y miembro del Centro para la Biosostenibilidad de la Fundación Novo Nordisk en la Universidad Politécnica de Dinamarca.

No mucho tiempo atrás parecía que la victoria sobre las enfermedades infecciosas estuviera cantada. El descubrimiento de la penicilina en 1929 dio a los médi-cos la primera arma para vencer males corrientes como la neumonía, la gonorrea y la fiebre reumática. Y durante las décadas siguientes se hallaron más de 150 ti-pos de antibióticos. Los nuevos fármacos demostraron tal eficacia que en 1967 el

Consejero de Sanidad de EE.UU., William Stewart, anunció que había llegado el momento de cerrar el capítulo de las enfermedades infecciosas.

Stewart y la mayoría de sus coetáneos subestimaron grave-mente la capacidad de adaptación de las bacterias patógenas a esos medicamentos proverbiales. Y es que, casi desde el mismo momento en que la penicilina comenzó a emplearse en los hos-pitales en 1946, surgieron las primeras bacterias resistentes. En la época dorada del descubrimiento de los antibióticos, entre 1940 y finales de los años sesenta, la propagación de la resisten-cia quedó compensada por la incesante aparición y difusión de nuevos tipos de antimicrobianos; pero en los años setenta, el creciente desinterés, aunado con la menor capacidad de la indus-tria farmacéutica para sintetizar nuevos compuestos, condujo a cuatro largas décadas en las que ningún nuevo antibiótico de amplio espectro vio la luz. Los laboratorios prefirieron invertir sus esfuerzos en modificar la estructura química de las clases de antibióticos autorizadas.

Pero durante esa crisis de innovación, las bacterias no cesa-ron de mutar y los fármacos que en otro tiempo habían combati-do múltiples patógenos acabaron arrinconados por su ineficacia. Algunas cepas de bacterias, como Escherichia coli y Klebsiella pneumoniae, muestran hoy resistencia a los principales tipos de antibióticos, incluso a los carbapenémicos, que durante mucho tiempo fueron el último recurso contra las infecciones pulmo-nares, entre otras. Con cada vez menos opciones, la mortalidad por esas dolencias ronda ya el 50 por ciento en Estados Unidos. En ciertas enfermedades, vivimos hoy una situación nunca vista desde la difusión de los antibióticos.

Un informe publicado en septiembre de 2013 por los Cen-tros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) de EE.UU. afirma que el tratamiento de las infecciones resistentes

a los antibióticos acarrea un coste anual de 35.000 millones de dólares y 8 millones de días de hospitalización para el país. Un reciente brote de Salmonella resistente que contaminó carne de pollo produjo cerca de 300 intoxicaciones en 18 estados, con bebés y nonagenarios afectados por igual. En EE.UU. fallecen cada año al menos 23.000 personas a causa de las infecciones, muchas provocadas por Staphylococcus aureus resistente a la meticilina (SARM), porque se han agotado los antibióticos efi-caces contra ellas.

Las autoridades sanitarias están pensando en ofrecer incen-tivos para el desarrollo de nuevos antimicrobianos, pero tales iniciativas aún no han surtido el efecto deseado. Fruto de esta situación, el número de antibióticos autorizados por la Agencia Federal de Fármacos y Alimentos (FDA) ha marcado un triste récord: solo se ha creado un antibiótico nuevo en el lustro de 2008 a 2012, frente a los dieciséis aprobados entre 1983 y 1987. El director de los CDC, Tom Frieden, advirtió hace poco que si no se actuaba de inmediato, se agotarían los recursos y no se dispondría de los medicamentos necesarios para salvar vidas. En realidad, el desarrollo de estos solo es una parte de la solución, puesto que los patógenos seguirán creando resistencia incluso contra los más eficaces.

La salvaguarda de los antibióticos exige descubrir qué ocurre en las bacterias patógenas cuando se vuelven resistentes. Los investigadores intentan averiguarlo estudiando el conjunto de genes que transforma un patógeno vulnerable en uno superre-sistente: el resistoma. Hasta hoy, la mayoría de los trabajos sobre la resistencia antibiótica habían tenido por protagonistas a las bacterias causantes de enfermedades, pero las últimas in-


vestigaciones de quienes escriben estas líneas y de otros grupos han desplazado el foco de atención hacia los resistomas de las bacterias no patógenas. Los grandes avances acaecidos en la secuenciación del ADN en la pasada década han abierto la puer-ta al estudio del genoma de ambos tipos de microorganismos (patógenos y no patógenos) en diversos entornos naturales.

Tales trabajos han mejorado el conocimiento sobre cómo evoluciona la resistencia antibiótica en especies bacterianas concretas y cómo se transmite esta propiedad entre especies y ambientes distintos. Nos hallamos muy lejos de la victoria pro-clamada por Stewart, pero los últimos avances están ayudando a idear nuevas estrategias para ganar la batalla que mantene-mos contra las bacterias resistentes desde hace noventa años. Conocer los factores que influyen en la evolución y propagación del resistoma podría extender la vida útil de los fármacos y se-ñalar el camino hacia nuevas tácticas contra las enfermedades infecciosas.

los oríGENEs dE lA rEsIsTENCIALas bacterias patógenas pueden adquirir resistencia a los antibióticos a través de dos vías: la vertical, con la acumula- ción de cambios genéticos durante el proceso natural de repli-cación del genoma, y la horizontal, mediante la transmisión de genes de resistencia entre microbios.

La trasmisión vertical es el proceso evolutivo fundamental por el cual el genoma de la célula acumula errores durante la replicación y engendra una descendencia genéticamente distinta de sus antecesores bacterianos. El número de errores generados durante la replicación es bastante bajo, por lo que, en circuns-tancias normales, solo una de cada mil bacterias incorpora un error, o mutación, en el genoma. No todas las mutaciones son beneficiosas, pero una de cada mil millones da lugar a un mu-tante que puede crecer más rápido o que tolera concentraciones de antibióticos más altas que sus antecesores. Si las bacterias

mutantes quedan expuestas a los antibióticos, las portadoras de genes de resistencia proliferarán hasta desplazar a las demás, que acabarán desapareciendo. Suelen necesitarse varios ciclos de mutación y selección para desarrollar una resistencia anti-biótica elevada.

Los genes surgidos de este modo pueden ser cedidos de un tipo de bacterias a otro mediante la transferencia horizontal de genes. Si bien algunos patógenos adquieren resistencia por trans-misión vertical, estudios recientes apuntan a que la vía horizontal puede ser el principal motor de la difusión de la resistencia anti-biótica. En la transferencia horizontal, los genes de resistencia se insertan en elementos genéticos móviles y son acarreados de una célula a otra. Tales elementos pueden corresponder a segmentos lineales o circulares de ADN, llamados plásmidos, que la célula replica junto con el genoma principal.

Los fragmentos de ADN acceden a nuevas células por medio de tres mecanismos: transformación, transducción y conjuga-ción. En el primero de ellos, las células microbianas absorben restos de ADN de bacterias muertas y los insertan en su genoma. La transducción consiste en la transferencia de material gené-tico a través de virus bacteriófagos (los que infectan bacterias). Los virus introducen su ADN en el genoma bacteriano, donde permanece inserto durante muchas generaciones antes de vol-ver a ser empaquetado y abandonar la célula en busca de otra nueva. En el éxodo, las partículas víricas pueden arrastrar por accidente un segmento del genoma de la célula hospedadora, que llevarán consigo como un polizón.

Por último, los genes de resistencia pueden pasar de un microbio a otro mediante la conjugación. El descubrimiento de este proceso, hoy considerado el principal mecanismo de transferencia horizontal de genes, le valió a Joshua Lederberg el premio Nobel de medicina en 1958. En la conjugación, los plásmidos acaparan la maquinaria celular para crear unas es-tructuras llamadas pili, que sobresalen de la célula donante y

La aparIcIóN dE bacTErIaS rESISTENTES (rojo) siempre ha seguido muy de cerca al empleo de los nuevos antibióticos (azul). Durante la época dorada de los descubrimientos se desarrollaron 150 tipos de antibióticos. Desde entonces, la difusión de la resistencia ha sobrepasado ampliamente el ritmo de desarrollo de nuevos fármacos. La Sociedad de Enfermedades Infecciosas de EE.UU. calcula que el 70 por ciento de las infecciones contraídas en los hospitales y centros de salud de ese país están causadas por bacterias resistentes a uno o varios antibióticos.


penetran en la membrana de la célula receptora. A través de ellos se transfieren los plásmidos conjugativos y todas las fun-ciones que codifican. Numerosos patógenos nosocomiales (los adquiridos en hospitales o centros de salud), como las citadas bacterias resistentes a los carbapenémicos, albergan grandes plásmidos conjugativos con decenas de genes de resistencia que confieren a las células receptoras inmunidad contra casi todos los antibióticos.

Las últimas campañas de secuenciación del genoma de bacte-rias patógenas, llevadas a cabo por grupos como los del británico Instituto Wellcome Trust Sanger y el estadounidense Instituto Broad, han añadido otro giro más a este conocimiento. Se ha demostrado así que los patógenos pueden adquirir todos los genes de resistencia por transferencia horizontal a partir de otro reservorio génico como el suelo urbano, las aguas residuales o la carne procesada. Existe un enorme interés por caracterizar dichos reservorios, ya que permitiría conocer mejor la influencia de este mecanismo en la evolución de la resistencia bacteriana a los antibióticos.

El CoNTrAATAquE dE los pATóGENosDe la misma manera que las bacterias hacen gala de diversos mecanismos para adquirir los genes de resistencia antibiótica, los propios genes recurren a varias estrategias para codificar esa resistencia. Este tipo de genes pueden dividirse a grandes rasgos en cuatro categorías según el mecanismo de neutraliza-ción del antibiótico.

Las bacterias dotadas de una barrera impermeable son resis-tentes naturales a ciertos antimicrobianos, bien porque carecen de la diana contra la que actúa el fármaco, bien porque sus membranas son impermeables a este.

En un segundo grupo de bacterias, los genes adquieren mutaciones que modifican la diana del antibiótico y merman su eficacia. Cada fármaco está diseñado para actuar contra un proceso bacteriano concreto. De este modo, las fluoroquinolo-nas integran un grupo de antibióticos muy empleado contra las infecciones cutáneas, pulmonares y urinarias. Reconocen el ADN y alteran el funcionamiento de las proteínas encar-gadas del desenrollamiento de la hélice de ADN durante la replicación. Las mutaciones que confieren resistencia contra las fluoroquinolonas suelen cambiar la conformación de esas proteínas, lo que disminuye la unión del fármaco a su diana y aumenta la concentración necesaria de este para impedir el proceso.

La tercera estrategia se basa en la modificación del anti-biótico. En esta, el gen de resistencia codifica una enzima que lo degrada o altera antes de que pueda matar la bacteria. Esta táctica es muy habitual contra los betalactámicos, los antibióti-cos más numerosos y prescritos y a los que pertenece la célebre penicilina. La penicilina inhibe las enzimas que remodelan la pared bacteriana y que son esenciales para el crecimiento ce-lular. Las principales responsables de la resistencia contra ella son las betalactamasas, unas enzimas que rompen la molécula de antibiótico y neutralizan su efecto inhibidor.

Un último tipo de genes de resistencia codifican proteínas que bombean el antibiótico fuera de la célula y mantienen la concentración interna lo bastante baja para evitar la inhibición. Este mecanismo de resistencia actúa contra todos los antibióti-cos cuyas dianas se hallan ubicadas en el interior de la célula; a menudo, las bombas expulsan varios antibióticos distintos, lo cual se traduce en multirresistencia. Un ejemplo es la tetracicli-na, empleada contra infecciones muy diversas; la resistencia a

m e ca n i s m o s d e t r a n s m i s i ó n

Propagación de genes de resistencia

La resistencia antibiótica puede adquirirse de dos formas básicas. En la transmisión vertical, el ge-noma de la bacteria acumula erro-res o mutaciones durante la repli-cación; algunos de esos cambios (rojo) confieren resistencia a los antibióticos y se transmiten a las generaciones posteriores. En la transmisión horizontal, los micro-bios intercambian genes de resis-tencia. Tiene lugar a través de tres mecanismos: transformación (asi-milación de genes de resistencia de bacterias muertas que la bacte-ria «carroñera» incorpora a su ge-noma), transducción (transferencia de genes de resistencia mediada por bacteriófagos) y conjugación (traspaso de genes de una célula bacteriana a otra por medio de tubos llamados pili).

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ella puede radicar en genes que codifican proteínas insertadas en la membrana bac-teriana que expulsan el antibiótico.

Para complicar más las cosas, la resis-tencia suele obedecer a una combinación de varios mecanismos. Así, la correspondiente a la tetraciclina conjuga la modificación de la diana, la alteración del antibiótico y los mecanismos de expulsión.

A pesar de que el término resistoma antibiótico se acuñó hace solo un lustro, el concepto condensa décadas de investi-gación sobre la evolución y la trasmisión de los genes de resistencia entre microbios y entornos distintos. La definición de re-sistoma designa el conjunto de genes de un microorganismo o grupo de microor-ganismos que les permite sobrevivir ante los antibióticos. Abarca todos los genes de resistencia de un grupo, sea cual sea su es-cala: desde una sola célula hasta la micro-biota completa de una muestra ambiental.

Numerosos datos indican que casi todos los ambientes microbianos acogen resisto-mas antibióticos. La miríada de actividades naturales y humanas influye en el intercam-bio dentro y entre distintos entornos, y una compleja red de interrelaciones conecta los resistomas. El suelo y el cuerpo humano constituyen dos ambientes primordiales para la evolución y el intercambio del resistoma.

El rEsErvorIo dEl suEloLa resistencia a los antibióticos es ubicua y se halla presente hasta en nuestro propio jardín. Los microbios edáficos representan tal vez el reservorio evolutivo de la mayoría de esa resistencia, y el resistoma del suelo es, con mucho, el más grande y diverso de todos. La mayor parte de los antibióticos utilizados en medicina son o derivan de productos naturales sintetizados por microor-ganismos de ese medio, principalmente del género Streptomyces, perteneciente al filo Actinomicetos.

En 1973, Julian Davies, actualmente en la Universidad de la Columbia Británica, y sus colaboradores plantearon por primera vez la idea del resistoma en la llamada hipótesis del productor, que explica el origen de la resistencia clínica. El in-vestigador argumentaba que los actinomicetos «productores» debían de contar con elementos que los protegieran contra los antibióticos sintetizados por ellos mismos. Estos elemen-tos eran, por definición, genes de resistencia. Los antibióticos debieron de aparecer hace cientos de millones de años, por lo que probablemente tales genes son tan antiguos como ellos.

Las bacterias no productoras de antibióticos (incluidas al-gunas patógenas) habrían adquirido los genes de resistencia de las productoras o de sus vecinas del suelo, que los habrían desarrollado en respuesta a la presión selectiva ejercida por los antibióticos liberados de modo natural por otros microbios edáfi-cos. De hecho, el grupo de Davies demostró que las bacterias del suelo Streptomyces, en general inofensivas, codifican enzimas de resistencia que alteran los antibióticos aminoglucósidos y que son idénticas a las presentes en patógenos clínicos.

En los cuarenta años transcurridos desde la propuesta de Davies, un gran número de estudios ha refrendado su hipótesis y la ha perfilado. Un artículo trascendental de Gerry Wright y sus colaboradores de la Universidad McMaster publicado en 2006, que además introdujo formalmente el concepto de resistoma, demostró que 400 muestras de Streptomyces aisladas del suelo al azar eran multirresistentes a un nutrido grupo de antibióticos de importancia clínica. Por término medio, resistían a siete u ocho fármacos (una lo hizo a 15 de los 21 estudiados), algunos de ellos totalmente sintéticos y autorizados hacía muy poco. Los resultados de Wright causaron sorpresa porque ese grado de multirresistencia superaba al conocido en muchos patógenos.

En 2008, nuestro grupo publicó un estudio que amplió aún más la visión del resistoma edáfico al describir cerca de 600 es-pecies pertenecientes a tres de los 60 filos o divisiones del reino de las bacterias (en concreto, Proteobacterias, Bacteroidetes y Actinomicetos) capaces de medrar en presencia de antibióticos. Dichos microorganismos eran resistentes, en promedio, a 17 de los 18 fármacos estudiados, una proporción insólita que se atri-buyó a las condiciones de elevada presión selectiva de los cultivos por las concentraciones extremadamente altas de antibiótico.

El descubrimiento de la ubicuidad de la multirresistencia en la microbiota del suelo indica que el resistoma de este medio

LaS bacTErIaS pueden contrarrestar el efecto de los antibióticos y volverse resistentes a ellos mediante cuatro mecanismos: su membrana celular se vuelve impermeable al medicamento y forma una barrera que impide la entrada del anti-biótico (esferas azules) (a); la célula altera las proteínas que constituyen la diana del antibiótico y evita la unión a ellas (b); sintetiza una enzima que neutraliza el medi-camento (c); o codifica enzimas que ayudan a la expulsión o bombeo del antibiótico fuera de la célula (d).


podría ser inmenso. Estudios complementarios de los genes de resistencia corroboran la predicción. Numerosos ensayos que han empleado la técnica de reacción en cadena de la poli-merasa (PCR, por sus siglas en inglés) para ampliar pequeñas muestras de ADN apuntan a que el resistoma edáfico habría sido enriquecido por la actividad humana. David Graham y sus colaboradores, de la Universidad de Newcastle, analizaron un conjunto de muestras de suelo originarias de Holanda y archiva-das entre 1940 y 2008 para determinar la presencia y la abundancia de varios tipos de genes de resistencia. Descubrieron así un drástico aumento de los genes contra los betalactámicos, los macrólidos y las tetraciclinas durante el período estudiado, una dinámica que coincide con la fabri-cación de los antibióticos a gran escala.

Los datos sobre los genes de resisten-cia edáficos conocidos son solo la punta del iceberg. El equipo de Jo Handelsman, hoy en la Universidad Yale, fue pionero en el empleo de la metagenómica funcional sin cultivo, una técnica que proporciona la composición génica de muestras ambien-tales y permite caracterizar los resistomas edáficos tanto en entornos humanizados como vírgenes. El equipo descubrió nue-vos genes de resistencia, algunos con mecanismos inéditos. Considerados en conjunto, los estudios indican que el re-sistoma del suelo es antiguo, diverso y ha sido enriquecido por la actividad humana en tiempos modernos. El grupo de Wright ha demostrado que es muy anterior al uso clínico de los antibióticos. En 2011 secuen-ciaron el ADN de muestras de permafrost de Beringia de 30.000 años de antigüedad y revelaron los ancestros evolutivos de los genes de resistencia a medicamentos tan importantes como los betalactámicos, las tetraciclinas y la vancomicina.

Uno esperaría que el conocimiento sobre el alcance y la profundidad del re-sistoma edáfico habría confirmado la pre-dicción fundamental de la hipótesis del productor; es decir, que los genes de resis-tencia de los patógenos clínicos se hallan también en las bacterias del suelo, lo que indicaría un intercambio reciente entre el resistoma de ambos medios. Pero, sor-prendentemente, hasta hace muy poco ese tipo de datos brillaban por su ausencia. La inmensa mayoría de los estudios sobre el resistoma edáfico apenas habían revelado semejanzas con los genes de resistencia de las bacterias patógenas.

A fin de explicar ese resultado inespe-rado, planteamos la hipótesis de que un subgrupo clave de bacterias del suelo, las proteobacterias, podrían ser el canal de intercambio con las bacterias patógenas. Nuestro razonamiento se basaba en que la mayor parte de la problemática clínica

de la multirresistencia tiene su origen en este grupo de microor-ganismos, por lo que sus homólogos del suelo podrían mostrar indicios de intercambios recientes del resistoma.

Nos propusimos poner a prueba la idea con medios de cre-cimiento selectivos. Obtuvimos unos 100 cultivos de bacterias edáficas multirresistentes, mayoritariamente proteobacterias. Determinamos el perfil de los resistomas con una estrategia novedosa que integra selecciones metagenómicas funcionales

t é c n i ca s n ov e d o sa s

Explorar la resistencia fuera de la placa de Petri

En las primeras décadas que siguieron al descubrimiento de los antibióticos se investigó el incipiente problema de la resistencia a estos fármacos mediante el cul-tivo de bacterias de interés. La dependencia de tales métodos se remonta hasta el fundador de la bacteriología moderna, Robert Koch, cuyos trabajos convirtieron el cultivo puro en el método de referencia de los laboratorios de microbiología clínica. Ahora sabemos que el cultivo puro pasa por alto el creciente número de enferme-dades que no están causadas por una sola bacteria patógena, sino por varias que actúan de forma concertada. Además, la mayoría de los microbios ambientales no pueden cultivarse con facilidad en el laboratorio. Los últimos avances técnicos han propiciado la aparición de tres estrategias sin cultivo que permiten analizar en pro-fundidad la resistencia antibiótica, en bacterias tanto patógenas como inocuas.

La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) amplifica de forma selectiva genes de resistencia específicos en las complejas comunidades microbianas, lo que permite su rápida identificación. La técnica es idónea para el estudio de la prevalen-cia de genes conocidos pero no es válida para descubrir nuevos.

La secuenciación metagenómica identifica todos los ADN de un entorno con-creto, con independencia de su origen. Las secuencias se ensamblan y analizan en busca de nuevos genes similares a los de resistencia ya conocidos.

Las selecciones metagenómicas funcionales combinan los viejos métodos de cultivo con las nuevas técnicas que prescinden de este. Una bacteria anfitriona nor-malmente sensible a los antibióticos es modificada genéticamente para incorporar varios segmentos de ADN extraídos de la comunidad microbiana de interés. A con-tinuación, los hospedadores modificados se exponen a los antibióticos: sobrevivirán aquellos que hayan adquirido el gen de resistencia. Por último, los microbios se ana-lizan para conocer la secuencia que confiere resistencia.

Asimismo, nuestro grupo ha ideado una estrategia novedosa llamada pArFums (Parallel Annotation and Reassembly of Functional Metagenomic Selections), que integra selecciones metagenómicas funcionales sin cultivo, secuenciación de ADN de van-guardia, ensamblaje optimizado de secuencias con métodos bioinformáticos y algo-ritmos de notación para obtener el perfil de los resistomas.

El estudio de la resistencia a los antibióticos dependía sobre todo de métodos de cultivo bacte-riano en el laboratorio, nor-malmente en placas de Petri (derecha). Hoy en día, tales métodos están dando paso a otros que permiten caracte-rizar el enorme porcentaje de bacterias (hasta el 99 por ciento) que no es posible ais-lar en cultivos puros.

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sin cultivo, secuenciación de ADN de vanguardia, ensamblaje optimizado de secuencias con medios bioinformáticos y algorit-mos de anotación. Con este método, bautizado como PARFuMS (del inglés Parallel Annotation and Reassembly of Functional Metagenomic Selections), descubrimos que nueve genes de re-sistencia procedentes de suelos de Estados Unidos se hallaban presentes también en patógenos clínicos cosmopolitas, un sólido indicio de que las bacterias inofensivas del suelo y las bacterias patógenas humanas han intercambiado genes de sus resistomas en tiempos recientes.

A pesar de los últimos avances en el conocimiento de los resistomas edáficos, la exploración de este ecosistema extraor-dinariamente diverso no ha hecho más que comenzar. Se calcula que un solo gramo de suelo alberga cerca de mil millones de células bacterianas; ningún método actual puede ni de lejos escrutar tamaña diversidad. Alrededor de la mitad de los 60 filos conocidos del reino de las bacterias no se pueden cultivar en el laboratorio, y ni siquiera los cultivables se conocen en profundi-dad. Por suerte, los progresos en los métodos de experimentación y en los análisis bioinformáticos permiten explorar y secuenciar el ADN microbiano sin necesidad de recurrir al cultivo para completar los datos que faltan.

El rEsIsTomA humANoAunque el suelo es el principal reservorio de resistencia desde la perspectiva evolutiva, los microbios que colonizan nuestro orga-nismo (la microbiota comensal humana) contienen el resistoma más accesible para los patógenos. Diez veces más numerosos

que las propias células del cuerpo, su acervo génico (el micro-bioma) multiplica por cien el número de genes humanos [véase «El ecosistema microbiano humano», por J. Ackerman; Inves-tigación y Ciencia, agosto de 2012]. Ecosistemas microbianos especializados y estables colonizan varias partes del cuerpo, con la comunidad más numerosa y diversa alojada en el intestino. La microbiota participa de uno u otro modo en casi todos los aspectos de la condición humana, en la salud y en la enfermedad.

Puesto que uno de los principales cometidos de esa comuni-dad es evitar que los patógenos invadan el intestino y que cual-quier intruso interaccione antes con las células bacterianas que con las humanas, el resistoma comensal se halla a menudo en una buena posición para intercambiar genes de resistencia con los patógenos cercanos. La exposición creciente que ha sufrido la microbiota desde la aparición de los primeros antibióticos ha ejercido una amplia presión selectiva que ha mantenido un resistoma fuerte y diverso.

Las primeras observaciones del resistoma humano proce-den de estudios en los que se cultivaron dichas bacterias. En los años noventa, Abigail Salyers, de la Universidad de Illinois, llevó a cabo experimentos con Bacteroides, normalmente mu-tualista pero en ocasiones patógeno, y demostró que ambas formas de la bacteria canjeaban entre sí genes de resistencia a las tetraciclinas y los macrólidos. El análisis de muestras con-servadas de Bacteroides demostró, asimismo, que esos genes de resistencia habían aumentado sin tregua durante dos décadas.

Las conclusiones de dichos ensayos, esto es, que el empleo cada vez más profuso de los antibióticos está aumentando los

LaS rELacIoNES ENTrE LaS pErSoNaS, los animales y el ambiente facilitan el salto de las bacterias resistentes de un hospedador a otro. Una cepa resistente que habite en el suelo puede ser arrastrada por el agua de la lluvia y acabar colonizando a una persona que beba o se bañe en ella. Múltiples vías de intercambio impulsan la evolución y la propagación de la resistencia.

http://www.investigacionyciencia.es/investigacion-y-ciencia/numeros/2012/8/el-ecosistema-microbiano-humano-9351




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niveles de resistencia, han sido corroboradas por muchos otros estudios realizados con otros microbios comensales. Martin Blaser y sus colaboradores de la Universidad de Nueva York constataron el aumento de la resistencia a los macrólidos en Enterococcus comensales (un microorganismo vinculado a in-fecciones urinarias y meningitis) como efecto secundario de los tratamientos contra Helicobacter pylori, causante de algunas úlceras gástricas. También observaron que la mayor resistencia

perduraba años después del final del tratamiento, lo que ponía en cuestión la idea tradicional de que la resistencia supone un alto coste para la bacteria beneficiosa, que sigue otros derroteros evolutivos o, en ausencia del antibiótico, acaba siendo despla-zada por las cepas sensibles al mismo.

Esos resultados no solo se han observado en el ecosistema intestinal. Staphylococcus epidermidis, uno de los principales causantes de infecciones nosocomiales y con una resistencia per-

sistente a los antibióticos, se ha hallado en los orificios nasales de pacientes tratados con estos fármacos. Numerosas inves-tigaciones con modelos animales y hu-manos han demostrado que el resistoma comensal se intercambia con facilidad en el seno de los ecosistemas y entre ellos. Anette Hammerum y sus colaboradores, del Instituto Statens Serum de Dinamarca, han confirmado hace poco la transferen-cia entre humanos y cerdos de genes que permiten hacer frente a la vancomicina.

lA puNTA dEl ICEbErGTodas las pruebas presentadas indican que el tratamiento con antibióticos se-lecciona los genes de resistencia, que el aumento de esta puede perdurar durante años y que dichos genes se pueden inter-cambiar con los de la microbiota comen-sal y microbios foráneos. Como sucede con el suelo, nos estamos dando cuenta de que la imagen que poseemos del re-sistoma humano representa tan solo un pequeño retazo de la realidad, porque su medición se ha realizado con métodos basados en el cultivo.

En 2009 describimos la primera apli-cación de selecciones metagenómicas fun-cionales sin cultivo en el estudio de los resistomas de la microbiota intestinal de dos personas sanas no emparentadas que no habían sido tratadas con antibióticos durante al menos un año. Partiendo de las muestras fecales de los voluntarios, caracterizamos los resistomas de las bac-terias cultivables (resistoma cultivado) y los de todas las no cultivables (resistoma completo). La mayoría de los genes del resistoma cultivado figuraban en las ba-ses de datos públicas de secuencias y eran idénticos a los genes de resistencia de pa-tógenos corrientes, dato que confirmó el reciente intercambio entre las bacterias comensales y las patógenas.

En cambio, la mayor parte de los genes hallados en los resistomas completos eran desconocidos y guardaban una escasa si-militud con los de las bases de datos. Los nuevos genes conferían al modelo pató-geno empleado, E. coli, resistencia frente a varios antibióticos importantes, lo que ponía de manifiesto que ese reservorio gé-nico inexplorado es funcional y no debe

r e s e rvo r i o s d e G e n e s

Más del 70 por ciento de los antibióticos vendidos en Estados Unidos se emplean para evitar que los cerdos, las vacas, las gallinas y otros animales de consumo contraigan enfermedades y favorecer así su crecimiento.

De los animales de granja a los humanos, y viceversa

Además de los microorganismos del suelo y del intestino humano, se cree que los microbios procedentes de la agricultura y la acuicultura contribuyen de manera decisiva al intercambio de genes de resistencia antibiótica. En Estados Unidos y Europa los antibióticos se utilizan cuatro veces más en la industria alimentaria que en la medicina humana. Frank Aarestrup, de la Universidad Politécnica de Dina-marca, ha demostrado que este consumo desenfrenado ha provocado altos nive-les de resistencia en la microbiota intestinal de los animales de granja. Y los análisis genómicos computacionales del grupo de Eric Alm, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, han revelado que la transferencia de genes de resistencia entre la microbiota de los animales de granja y la humana es habitual. Además, el uso de los antibióticos en la acuicultura crece a un ritmo alarmante, en paralelo con el incre-mento de esta explotación a escala mundial. Felipe Cabello, de la Facultad de Medi-cina de Nueva York, y sus colaboradores han demostrado el aumento concurrente de la resistencia a los antibióticos en las bacterias del pescado criado en cautividad.

Los resistomas asociados a la agricultura y la acuicultura seguramente actúan como intermediarios entre los microorganismos comensales y patógenos humanos que viven en ambientes menos alterados, como el suelo, el mar o las aguas conti-nentales. La transferencia de los genes de resistencia tal vez sea bidireccional. Las bacterias de los animales de granja se dispersan en el suelo con el estiércol, donde pueden propagar su resistencia a las bacterias edáficas. Y viceversa, los animales de granja suelen mantener contacto directo con el suelo, lo que posibilita la transferen-cia de los genes de la microbiota local a ellos. La localización de los focos de resis-tencia no es tarea fácil, pero está claro que el uso intensivo de antibióticos en la pro-ducción alimentaria está acelerando la evolución y la difusión de los genes que la confieren.


ser obviado si se quieren estudiar todos los intercambios del resistoma.

Un par de estudios sobre la diversidad microbiana indican que nuestros hallazgos describen solo una ínfima parte; será ne-cesaria una indagación más profunda en muchas más personas para obtener una idea global del resistoma comensal humano. A inicios de año, los grupos de Peer Bork, del Laboratorio Europeo de Biología Molecular de Heidelberg, y Baoli Zhu, del Instituto de Microbiología de Pekín, estimaron por métodos computacio-nales los resistomas a partir de los datos de secuenciación de microbiomas intestinales de 207 y 162 personas, respectivamente, representativas de múltiples nacionalidades y culturas. Ambos equipos predijeron la existencia de miles de genes de resistencia en el microbioma analizado. La abundancia de tales genes con-cuerda con los datos acerca del uso de los antibióticos humanos y veterinarios, así como con la antigüedad de tales sustancias.

Pese a que comenzamos a vislumbrar la genética de esos ecosistemas complejos, necesitamos refinar las técnicas con y sin cultivo para conocer mejor los reservorios de resistencia antibiótica. Los estudios a largo plazo de grupos de personas con una microbiota sana o alterada nos permitirán obtener una imagen completa de los resistomas comensales. Siempre que es posible se recogen muestras apareadas de hábitats microbianos modificados por la actividad humana para cartografiar la ecolo-gía y la dinámica de intercambios de los resistomas.

Algunos estudios de los microbiomas a gran escala, como el Proyecto Microbioma de la Tierra y el Proyecto Microbioma Hospitalario, están catalogando las secuencias genómicas de microbiomas ambientales especializados y ofreciendo un marco para el cartografiado de las interacciones del resistoma.

La investigación de los resistomas en diversos hábitats micro-bianos, muchos no comentados aquí, ofrece múltiples utilidades. Existe el interés de la ciencia básica por conocer los principios que rigen la ecología, la evolución y la dinámica de la resistencia a los antibióticos, un conocimiento que contribuirá al objetivo fundamental de poner freno a la difusión de la multirresistencia

y prolongar la vida útil de estos medicamentos. Pero ninguna caracterización del resistoma, por concienzuda que sea, acabará con las enfermedades infecciosas.

Necesitamos con apremio nuevos antibióticos, y tantos como sea posible. El mensaje más elocuente que emana de cada nuevo estudio del resistoma es que el acervo de genes y de mecanismos de resistencia a disposición de las bacterias es prácticamente ilimitado. Si queremos llevar la delantera, es preciso adoptar una estrategia en diversos frentes y buscar nuevos modos para man-tener a raya a los patógenos sin cejar en la búsqueda de nuevas estratagemas. Tarde o temprano, las bacterias perjudiciales en-contrarán en los enormes resistomas de sus incontables vecinos la fórmula para neutralizar hasta los medicamentos más eficaces.

© american scientist magazine

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LoS gENES dE rESISTENcIa a LoS aNTIbIóTIcoS de nueve cultivos de bacterias inocuas del suelo (fila inferior) resultaron idénticos (sombreado gris) a los genes de varios patógenos clínicos (cinco filas superiores). Ello demuestra el intercambio reciente entre los resistomas de las bacterias de ambos entornos.

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http://www.investigacionyciencia.es/investigacion-y-ciencia/numeros/2002/12/mutacin-y-resistencia-a-los-antibiticos-3546

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30 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, marzo 2015

Los biólogos evolutivos intentan atacar a las bacterias con una nueva estratagema

que consiste en desbaratar su vida socialCarl Zimmer

M E D I C I N A

R olf Kümmerli investiga en la Universidad de Zúrich nuevos fármacos para acabar con las infecciones mortíferas. Pasa la jornada en un laboratorio rodea-do de placas de Petri y matraces con bacterias en cultivo. Pero la senda toma-da por este investigador antes de llegar a su entorno actual de trabajo resulta

extraña. En su época de estudiante universitario pasó años recorriendo a pie los Alpes suizos para examinar la vida social de las hormigas. No dirigió su atención a los microbios hasta des-pués de recibir el título de doctor en biología evolutiva.

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Los investigadores de la naciente disciplina de la sociomi-crobiología creen haber dado con una nueva estratagema para combatir las bacterias patógenas resistentes a los antibióticos.

En concreto, pretenden in-terrumpir los procesos de comunicación y cooperación bacterianos.

La teoría evolutiva predice que las bacterias difícilmente adqui-rirán resistencia a tales fármacos «antisociales». Sin embargo, esta nueva estrategia para crear antibióticos no convence a todo el mundo.

E N S Í N T E S I S

Marzo 2015, InvestigacionyCiencia.es 31

No obstante, el camino que separa las hormigas de los anti-bióticos no es tan tortuoso como pudiera parecer. Hace décadas que se estudia la evolución de la conducta cooperativa en so-ciedades animales como las de las hormigas, donde un ejército de obreras estériles cuida los huevos de la reina. Una nueva rama de la ciencia, a veces denominada sociomicrobiología, está revelando que algunos de los principios que rigen la vida de estos insectos pueden aplicarse a las sociedades bacterianas. A semejanza de ellos, los microbios viven en comunidades comple-jas donde se comunican entre sí para obtener un bien común. Esta visión de la evolución social apunta a una nueva táctica para vencer las infecciones: en lugar de luchar contra un tipo de bacteria, como hacen los antibióticos tradicionales, se intenta atacar a las sociedades microbianas enteras.

Ahora más que nunca precisamos nuevas estrategias, puesto que las bacterias están generando una amplia resistencia a los antibióticos que nos está conduciendo a una crisis sanitaria. Se-gún los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades de EE.UU. (CDC), en ese país fallecen cada año 23.000 personas a causa de infecciones resistentes a los antibióticos. Y se conocen cepas del bacilo de la tuberculosis y de otros patógenos invul-nerables a casi todo el arsenal disponible. «El problema resulta apremiante. Y hay razones para pensar que empeorará», afirma Anthony S. Fauci, director del Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas.

La respuesta habitual a esta crisis ha consistido en frenar la evolución de la resistencia y buscar nuevos fármacos para sustituir a los que iban perdiendo eficacia. Una solución este-reotipada. Las bacterias desarrollan continuamente resistencia y seguirán haciéndolo a menos que hallemos una forma distinta de combatirlas. John Pepper, biólogo teórico en el Instituto Na-cional del Cáncer de EE.UU., advierte que cada nuevo fármaco que aparece acaba por fallar, tarde o temprano. La solución inmediata de sintetizar uno distinto cada vez nos resuelve la papeleta unos meses, pero ya no basta.

Muchos tipos de bacterias infecciosas se sirven de su compor-tamiento colectivo para hacernos enfermar. Los sociomicrobió-logos buscan puntos flacos para trastocar sus sociedades, como dificultar su comunicación o anular sus esfuerzos de cooperación para recolectar nutrientes. La teoría evolutiva predice que el comportamiento colectivo de las bacterias debería ser un ob-jetivo de la medicina. Alterar su vida social quizá no evite los fenómenos evolutivos, pero podría frenar de modo notable la aparición de resistencias.

Los sociomicrobiólogos tendrán que vadear ríos de escepticis-mo. A pesar de haber presentado argumentos teóricos fundados y datos experimentales halagüeños, ciertos especialistas dudan de que esos fármacos inspirados en la evolución logren poner coto a la resistencia. Y los laboratorios farmacéuticos, que en general han dejado de lado los antibióticos, aún no están listos para ultimar el proceso de desarrollo y lanzar tales medicamentos al mercado.

Aun así, los sociomicrobiólogos están logrando cierta aten-ción. Los Institutos Nacionales de Salud (NIH) de EE.UU. pla-nean investigar la resistencia a los antibióticos y los científicos consideran la vida social microbiana un objetivo prioritario. Si el trabajo da sus frutos, habrán conseguido revertir la relación en-tre la medicina y la evolución. Esta última, en vez de enemiga, se convertiría así en aliada en la lucha contra las bacterias nocivas.

MICroorgANIsMos obstINADosLa crisis de la resistencia a los antibióticos se viene gestando desde hace mucho tiempo. Poco antes de la aparición de los

primeros antibióticos a mediados del siglo xx, los médicos ya habían descubierto algunos tipos de bacterias que podían sobre-vivir a sus efectos. En aquel momento no se tuvo clara conciencia de lo que estaba pasando, pero hoy conocemos con detalle los entresijos moleculares de la evolución de la resistencia.

La penicilina, por ejemplo, mata las bacterias porque secues-tra una proteína involucrada en la construcción de su pared celular. Sin ella, los microorganismos sufren fugas y mueren. Las bacterias cuentan con bombas que expulsan las sustancias tóxicas de su interior. Y en una población microbiana puede surgir una mutante que produzca más bombas de lo normal, lo que le permitirá eliminar con rapidez la penicilina y conservar la proteína necesaria para construir la pared.

Ese tipo de mutaciones no suele reportar ninguna ventaja evolutiva al microbio. Pero si un paciente toma penicilina para acabar con una infección, las bombas de más adquieren de repen-te una importancia decisiva. Las bacterias que no las presentan mueren, mientras que muchas de las mutantes logran sobrevivir. Estas últimas se multiplican y refuerzan su presencia en la pobla-ción y, en las generaciones venideras, sus descendientes pueden refinar aún más sus defensas, en ocasiones con la adquisición de genes de otras especies de bacterias.

Durante décadas los laboratorios farmacéuticos han descu-bierto y sintetizado nuevos fármacos con la suficiente rapidez como para sustituir a los que quedaban desfasados. Pero ahora la fuente se está secando. El alza de los costes de desarrollo de los nuevos antibióticos ha recortado los beneficios y muchos la-boratorios han optado por abandonar su fabricación en favor de otros medicamentos más rentables contra el cáncer o la hepatitis.

Con el agravamiento de las resistencias, los científicos han renovado sus esfuerzos en busca de un antibiótico que no que-dase obsoleto. Y a veces han creído dar con uno a prueba de adaptaciones evolutivas. En 1987, Michael Zasloff, por entonces en los NIH, descubrió que la rana africana con uñas (Xenopus laevis) segregaba en la piel un potente veneno antibacteriano. Él y otros investigadores no tardaron en averiguar que no solo los anfibios producían toxinas. Casi todos los animales que estu-diaron sintetizaban pequeñas proteínas con carga positiva que mataban las bacterias, unas moléculas que han sido bautizadas como péptidos antimicrobianos.

En revistas científicas y en reportajes en la prensa, Zasloff auguró que las bacterias no generarían resistencia contra ese tipo de fármacos. Señaló que los animales segregan péptidos an-timicrobianos desde hace cientos de millones de años y que las bacterias siguen siendo vulnerables a ellos. En 2003, Graham Bell, biólogo evolutivo de la Universidad McGill, advirtió de que Zasloff podía andar errado. La penicilina y muchos otros fármacos también proceden de fuentes naturales. Pero la medicina moderna los administra en concentraciones enormes y crea una tremenda presión selectiva que propicia la aparición de mutantes resisten-tes. En cuanto los médicos comenzasen a recetar comprimidos de péptidos antimicrobianos, la historia se volvería a repetir.

Zasloff retó a Bell a que demostrase que las bacterias logra-rían adquirir resistencia contra el pexiganán, uno de los péptidos mejor estudiados. Bell y su entonces estudiante de posgrado Gabriel Perron cultivaron una cepa de Escherichia coli y la expu-

Carl Zimmer es columnista del New York Times y autor de varios libros de divulgación científica sobre biología y neurociencia.


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sieron a una dosis baja de la sustancia. A continuación tomaron algunas de las bacterias supervivientes para iniciar una colonia nueva y la expusieron a una dosis más alta del fármaco. Con el paso de los meses, a medida que aumentaban la dosis, compro-baron que los microbios se volvían resistentes al pexiganán, tal y como había predicho Bell.

Zasloff reconoció de inmediato el error y dio todo el crédito a Bell. El experimento le hizo ser más prudente sobre estos péptidos. «Si algo sucede en un tubo de ensayo es muy probable que suceda en el mundo real», escribió Zasloff en Nature.

Hoy ignoramos si tal afirmación es correcta y no lo sabremos con certeza si no se autoriza el uso de los péptidos antimicrobia-nos contra las infecciones. En la actualidad, los laboratorios far-macéuticos llevan a cabo varios estudios clínicos, pero, 28 años

después de su descubrimiento, no hay todavía ningún péptido aprobado para el uso clínico. Sufren las consecuencias del lento proceso de desarrollo de los fármacos.

CoopErACIóN bACtErIANACharles Darwin tal vez ignorase por completo que las bacterias se convertirían en uno de los mejores ejemplos de la teoría de la selección natural. Él y otros científicos coetáneos sabían muy poco sobre el crecimiento de los microbios. Cuando en 1859 dio a conocer su teoría en El origen de las especies, se centró en los rasgos que resultaban familiares a sus colegas victorianos, como el pelo de los mamíferos y la coloración de las plumas.

Darwin también escribió sobre rasgos conocidos de la natu-raleza que en un principio le hicieron vacilar en su convenci-

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PRIVACIÓN

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SUMINISTRO

Lecciones de la biología evolutivaLos investigadores esperan crear tratamientos antibacteria-nos que frenen los mecanismos de comunicación y cooperación de los microbios patógenos. En teoría este tipo de estratage-mas generarían menos resistencia farmacológica porque nin-

guna célula bacteriana podría sacar provecho de modificar por sí sola su respuesta. A continuación se expone un tratamiento diri-gido contra una molécula empleada por las bacterias Pseudomo-nas para sustraer hierro.

e j e m p l o d e t r ata m i e n t o

Hierro

Sideróforo

diana: la obtención colectiva de nutrientesPseudomonas sintetiza un tipo de moléculas llama-das sideróforos que arrebatan el hierro a su anfi-trión (flechas azules). Cada sideróforo es reuti-lizado por muchas células bacterianas, lo que lo convierte en un bien común y no privado.

estrategia: Sustracción de los bienes comunesLos símbolos en magenta destacan una estrategia inspirada en la sociomi-crobiología: trastocar el servicio prestado por un bien común. En este caso, la administración de galio socava la capacidad de los sideróforos para suminis-trar hierro a la población bacteriana. Por mucho que una célula desarrolle una mutación que mejore sus sideró-foros, probablemente seguirá sin obtener hierro porque empleará los fabricados por otras bacterias.

Liberación de sideróforos

Los sideróforos arrebatan el hierro a moléculas del hospedador.

Las células bacterianas reabsorben los sideróforos (no los que han pro-ducido ellas, sino otros) y destinan el hierro a impulsar la división celular.

El galio, químicamente muy similar al hierro, se admi-nistra como fármaco; los sideróforos captan el galio en lugar del hierro.

Los sideróforos retornan a la colonia bacteriana cargados con galio y el crecimiento de las bacterias se paraliza porque no pueden usar este metal.

Galio

P. aeruginosa

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miento. Uno de ellos era la esterilidad de las hormigas obreras. Según su teoría, la selección natural nace de la competencia entre los individuos por sobrevivir y procrear. Pero estas hor-migas parecen haber rehusado desde un buen principio a ello. En palabras de Darwin, su existencia parecía «insuperable y realmente fatal para toda la teoría».

Él sospechaba que la solución a la paradoja de la obrera radicaba en el parentesco. El hormiguero no es una mera aglo-meración de extraños, sino más bien una familia multitudinaria. Juntas pueden engendrar más descendencia que si lo intentaran cada una por separado.

Las ideas de Darwin acerca de la cooperación han inspirado a generaciones de biólogos evolutivos el estudio de esta cuestión. Sin ir más lejos, Kümmerli emprendió su carrera científica por esa razón. Lo que le llevó a secuenciar el ADN de hormigas de distintas colonias para observar la influencia del parentesco en la conducta hacia las otras. La investigación era fascinante, pero también lenta y limitada. Y cuando se acercaba el momento de defender su tesis, conoció a algunos biólogos evolutivos que habían dejado los animales por las bacterias sociales.

A la mayoría de la gente las palabras «social» y «bacteria» no le parecen conceptos afines. Sin embargo, los microorganis-mos viven hacinados en comunidades donde la comunicación y la cooperación abundan. Tomemos como ejemplo la bacte-ria Pseudomonas aeruginosa, causante de graves infecciones pulmonares. Cuando una de ellas penetra en un hospedador, lanza moléculas señalizadoras que otros miembros de su especie captan por medio de receptores especiales. La liberación y la recepción de esas moléculas es un modo de informar al resto del grupo sobre la ubicación de uno mismo.

Si las bacterias perciben la presencia de un número suficiente de congéneres comienzan a cooperar para levantar un refugio. Segregan moléculas pegajosas que acaban formando un tapete en el quedan inmersas las bacterias. Esta biopelícula se adhiere al epitelio de los pulmones o de otros órganos. Inmersas en esta capa, las bacterias quedan resguardadas del ataque de las células inmunitarias.

Pseudomonas también coopera para obtener nutrientes. Los microbios no pueden crecer sin hierro, entre otros elementos; pero las células del cuerpo humano atrapan con avidez ese metal y lo mantienen retenido en la hemoglobina y otras moléculas. Para hacerse con él, las bacterias liberan sideróforos, unas mo- léculas que arrebatan átomos del preciado metal a nuestras moléculas. «Básicamente sustraen el hierro», explica Sam Brown, biólogo evolutivo de la Universidad de Edimburgo. Absorben los sideróforos cargados de hierro y lo asimilan para crecer.

El esfuerzo por conseguirlo es cooperativo, porque segura-mente los sideróforos que el microbio capta habrán sido fabri-cados por alguno de sus millones de vecinos. «La aportación de cada célula bacteriana beneficia a la población entera, no solo a ella misma», asegura Pepper. Los teóricos de la evolución lla-man a esas moléculas de un modo: bienes comunes. Favorecen a todos, en este caso a la comunidad microbiana, a diferencia de los bienes privados, que solo repercuten en las bacterias que los fabrican.

Los bienes comunes representan una paradoja darwinista. En teoría, la selección natural debería haber acabado con ellos. Los mutantes que no crean para sí bienes comunes pueden recurrir a los producidos por otros. Este desequilibrio podría dar a los oportunistas una ventaja evolutiva. El mutante que no sintetiza sideróforos podría obtener el hierro sin pagar el precio de su producción. Ello le permitiría multiplicarse con más celeridad

que las bacterias que cooperan y acabar predominando sobre ellas. Pero son los cooperadores los que dominan en especies como P. aeruginosa, no los aprovechados.

A mediados de la década pasada, un pequeño grupo de bió-logos evolutivos comenzó a dirigir su atención a estas incóg-nitas sobre la vida social de las bacterias. La Universidad de Edimburgo se erigió en un centro de vanguardia de la sociomi-crobiología, por lo que Kümmerli se dirigió a ella en 2007, aun-que no comenzó de inmediato con sus experimentos. Los años dedicados al estudio de las hormigas no le habían preparado para el duro trabajo de la microbiología. Él y otros aspirantes a esta disciplina tuvieron que aprender sus técnicas específicas: cultivar las bacterias, evitar las contaminaciones en los cultivos, manipular sus genes y hacer experimentos. «Se tardan años en aprender todos los métodos. A veces los microbiólogos clásicos no nos tomaban en serio», asegura Kümmerli.

Pero con el tiempo han obtenido resultados. Empezaron a desvelar los trucos esgrimidos por las bacterias sociales para mantener a raya a los aprovechados. En colaboración con Brown, Kümmerli descubrió que Pseudomonas no produce sideróforos de forma continua; los genera en masa, pero a ráfagas. Una vez creadas las existencias suficientes de sideróforos, los reciclan. Los absorben, se quedan con sus átomos de hierro y vuelven a liberarlos al exterior. Gracias a su durabilidad, las bacterias no tienen que destinar demasiada energía a la síntesis de nuevos sideróforos que sustituyan a los antiguos. El reciclaje, pues, abarata el coste de la cooperación. También limita la ventaja de actuar como aprovechado.

A medida que los sociomicrobiólogos descubrían más por-menores de la evolución social de las bacterias, comenzaron a preguntarse si podían dar a sus descubrimientos una aplicación muy valiosa: la búsqueda de nuevos tipos de medicamentos antiinfecciosos.

puNto DE INflExIóNDesde la perspectiva de la biología evolutiva, todos los antibió-ticos actuales resultan equiparables. Todos atacan los bienes privados de las bacterias. Si un microbio muta para proteger sus propios bienes, acaba desplazando a los que no pueden ha-cerlo. La sociomicrobiología pone de relieve una diana distinta para frenar las infecciones. «En lugar de combatir las células

Grupo ENEmIGo. La actividad conjunta de las bacterias Pseudomonas aeruginosa, visibles aquí en una imagen de micros-copía electrónica, les permite provocar infecciones recalcitrantes.


bacterianas de forma individual, fija como objetivo sus bienes comunes», explica Pepper.

La teoría de la evolución predice que las bacterias serán menos proclives a generar resistencia contra los fármacos que alteren los bienes comunes. Imaginemos que se inventa un fár-maco que destruye los sideróforos; privados de hierro, los mi-croorganismos morirían. Supongamos ahora que un microbio adquiere una mutación que protege sus sideróforos del fármaco. Con ello no conseguiría ventaja alguna. Las bacterias liberan colectivamente los sideróforos en el cuerpo del hospedador, por lo que las moléculas producidas por cada una se entremezclan. Cuando una célula absorbe un sideróforo cargado de hierro, a buen seguro que no es suyo. Así pues, las mutantes no pueden imponerse sobre sus congéneres.

Los sociomicrobiológos concibieron este argumento en el campo abstracto de las ecuaciones matemáticas y de las simu-laciones informáticas. Pero, según Pepper, todo ese esfuerzo hu-biera sido en vano si nadie se hubiera atrevido a demostrarlo. Tales experimentos están ahora en marcha. En fecha reciente, Kümmerli, Brown y sus colaboradores han estado ensayando un fármaco que tiene como objetivo los sideróforos. Estudios anteriores habían revelado que los fabricados por Pseudomonas atrapan el galio con la misma facilidad que el hierro. Los in-vestigadores se preguntaron si sería posible emplear ese metal como fármaco para privar de hierro a las bacterias.

Para averiguarlo llevaron a cabo un experimento con orugas. Las infectaron con Pseudomonas y dejaron que la infección si-guiera su curso en algunas, que acabaron muriendo. En cambio, las larvas infectadas que habían recibido galio se restablecieron sin excepción.

Una vez demostrado que el galio puede actuar como anti-bacteriano, se está llevando a cabo otra prueba para verificar si las bacterias desarrollan resistencia hacia él. La teoría evolutiva predice que no debería ser así. «Estamos expectantes ante este experimento evolutivo», confiesa Kümmerli. Él y sus colabora-dores sabían perfectamente que otros medicamentos prome-tedores habían sido desbancados por el poder de la evolución. «Esperamos que no aparezcan adaptaciones», añade.

En ese nuevo experimento cultivaron Pseudomonas en un caldo que contenía hierro, pero donde este permanecía unido a moléculas que las bacterias no podían absorber. Los microbios necesitaban liberar sideróforos para arrebatar el elemento a esas moléculas y sobrevivir. En una serie de ensayos expusieron el cultivo a ciertos antibióticos habituales. Al principio, los fár-macos frenaron con rapidez el crecimiento bacteriano. Pero al cabo de doce días de exposición, las bacterias habían adquirido una resistencia completa a los antibióticos.

Acto seguido, repitieron el experimento, pero esta vez aña-diendo galio en lugar de antibióticos. El metal frenó drásti-camente el crecimiento y al cabo de doce días los microbios seguían mostrándose tan vulnerables como al principio. Se confirmaban así las predicciones de los sociomicrobiólogos. Un fármaco que actuaba contra los bienes comunes había evitado que las bacterias adquiriesen resistencia.

Pepper, que no participó en el ensayo del galio, lo califica como un éxito resonante para la sociomicrobiología: «Creo que es justo el paso que necesitábamos dar. Espero que represente un punto de inflexión». Kümmerli espera que otros científicos comiencen a ensayar con el galio en ratones infectados y, quizás en pocos años, en humanos. Tales experimentos serían relativa-mente sencillos porque el galio ya ha sido estudiado a fondo en pacientes, como parte de diversos tratamientos médicos.

fárMACos potENCIAlEsLos sideróforos constituyen solo uno de los bienes comunes que los sociomicrobiólogos están estudiando como dianas po-tenciales de medicamentos. Algunas bacterias liberan toxinas perjudiciales para nuestra salud. Pero solo lo hacen si son lo bastante numerosas para asestar un fuerte golpe. En tal caso. producen toxinas que revientan nuestras células para cebarse con los nutrientes desprendidos por estas. Los fármacos que logren desarmar las toxinas neutralizarían a las bacterias sin siquiera matarlas.

Otros expertos están examinando las señales que se envían entre sí las bacterias. Están descubriendo moléculas que pueden trastocar esa comunicación de diversas formas, como el bloqueo de los receptores que captan las moléculas señalizadoras. Si la comunicación bacteriana se interrumpe, la cooperación cesa.

Los fármacos antisociales podrían ofrecer otra ventaja frente a los antibióticos tradicionales: en lugar de erradicar numero-sas especies bacterianas a la vez, permitirían apuntar mejor al objetivo. La razón estriba en que los bienes comunes fabricados por una especie solo suelen resultarle útiles a ella. De este modo, será menos probable que los fármacos antisociales eliminen los microbios beneficiosos al mismo tiempo que los nocivos.

Aunque esa investigación resulta prometedora, algunos científicos no ocultan su escepticismo ante la idea de que los fármacos antisociales eviten las resistencias. Thomas Wood, de la Universidad estatal de Pensilvania, y sus colaboradores han estado examinando algunos de estos compuestos fascinantes. Y sus resultados dan que pensar. En un experimento con un fármaco que interfiere la transmisión de señales, descubrieron bacterias mutantes que pueden crecer en presencia de este. En otras palabras, los microorganismos se las apañaron para vivir sin un bien común. «No he perdido la esperanza. Pero dudo de que este tipo de fármacos sea la panacea», matiza Wood.

Puede que sus resultados solo indiquen que algunos bienes comunes no son esenciales. De ser así, los medicamentos ba-sados en la evolución tendrán que fijarse como objetivo única-mente los bienes que sí lo sean.

Pepper no descarta que los fármacos antisociales tan solo consigan frenar la resistencia, pero aun así supondrán un avan-ce importante. «Estamos perdiendo la batalla y hay vidas en juego. Y aunque el margen ganado sobre nuestro oponente sea pequeño, salvaremos muchas vidas».

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EN NuEstro ArChIvo

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http://www.investigacionyciencia.es/revistas/investigacion-y-ciencia/numeros/2014/8/gentica-de-la-resistencia-microbiana-12278

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