CIENCIA

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Socios inseparables

Una asociación simbiótica entre un protozoo y una bacteria ayuda a entender el origen de orgánulos celulares

MARIA GUIMARÃES | ED. 236 | OCTUBRE 2015

 

Microscopía electrónica de barrido muestra la división de Angomonas deanei, un protozoario con bacteria simbiótica

Microscopía electrónica de barrido muestra la división de Angomonas deanei, un protozoario con bacteria simbiótica

Es sabido que los protozoos tripanosomátidos atacan a los seres humanos, y también a plantas y animales de interés económico. En tal sentido, despuntan los parásitos Trypanosoma cruzi, responsable de la enfermedad de Chagas, T. brucei, de la enfermedad del sueño en África, y los del género Leishmania, que causan las leishmaniasis. Pero, para el parasitólogo Cristina Motta, del Instituto de Biofísica Carlos Chagas Filho de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), éste no es el aspecto más interesante de esos seres unicelulares. Algunos tripanosomátidos albergan en su interior una bacteria sin la cual son incapaces de vivir en la naturaleza. Y viceversa: la bacteria tampoco sobrevive sola. Esa relación de endosimbiosis puede ayudar a entender el origen de los eucariontes (organismos con material genético compartimentado en el núcleo de la célula), cuyos orgánulos – tales como la mitocondria y el cloroplasto– son productos de asociaciones con bacterias.

Lo que se observa en esos organismos es un paso intermedio en la evolución de los orgánulos. “Son dos seres distintos que se encontraron, vivieron en armonía y ahora forman un solo ser, ya que uno no existe sin el otro”, dice Motta. Pero resulta intrigante el hecho de que cada protozoario contenga únicamente una bacteria: éstas se dividen más rápido que el tiempo de generación del huésped, de seis horas, y podrían ser numerosas dentro de la célula. “Pero esto no ocurre, lo que constituye una fuerte indicación de que el protozoo controla la proliferación del endosimbionte”. Ese control riguroso es importante, pues sin él, la bacteria puede convertirse en un parásito y dominar, o incluso matar al huésped. Motta y sus colegas están estudiando ese control, tal como lo muestran los resultados con las especies Strigomonas culicis y Angomonas deanei, publicados en junio de este año en la revista Frontiers in Microbiology como parte de la tesis doctoral defendida este año por Carolina Catta-Preta. Utilizando compuestos que inhiben el ciclo celular del huésped, pero que normalmente no afectan a las bacterias, los investigadores mostraron que la división del endosimbionte también se ve impedida. Es un indicio más de que la bacteria ha perdido el control de la maquinaria que causa su fisión, que pasa a estar a cargo del huésped. Con el bloqueo realizado en diversos puntos del ciclo celular del protozoario, en algunos casos el endosimbionte da inicio al proceso de replicación de su material genético, sin conseguir concretar la división final, formando así un largo filamento que contiene varias copias del material genético bacteriano.

Normalmente, cuando las bacterias se dividen, primeramente duplican todo su contenido, incluso el ADN. Después se forman el septo y un anillo que, por constricción, promueven la formación de dos células hijas. En el caso del simbionte estudiado, esas estructuras típicas de la división bacteriana no se forman. Con su especialidad en microscopía, años atrás, Motta ya había observado la acción coordinada de la replicación de Angomonas deanei y de la bacteria que vive dentro de él. El primer ADN que se replica en el organismo compuesto es el del endosimbionte, que se ensancha apoyado en el núcleo del protozoario hasta dividirse en dos. Según Motta, el núcleo funciona como referencia topológica y la bacteria debe estar bien ubicada para dividirse y asegurar que cada nuevo protozoo cargue un simbionte. Luego se divide el cinetoplasto, la región especializada de la mitocondria que contiene el ADN y está asociada a la estructura locomotora del protozoario conocida como flagelo. Cuando el núcleo al fin se divide, el protozoario está entonces listo para separarse en dos con una bacteria en cada uno, tal como se los describió en 2010, en un artículo publicado PLoS One. Falta ahora detallar los mecanismos moleculares implicados en esa división sincronizada de estructuras. Motta cuenta con el avance tecnológico y de los conocimientos científicos, que aportan el desarrollo de proyectos con genomas, transcriptomas e incluso con redes metabólicas. “Es una visión más integrada, que nos permitirá entender más profundamente esa relación simbiótica”, dice la investigadora.

El simbionte (verde) lidera el proceso de división en el núcleo (azul). El cinetoplasto (rojo) se divide a continuación. Las estructuras aparecen en reconstrucción tridimensional (al lado) y en el microscopio electrónico de transmisión (abajo)

El simbionte (verde) lidera el proceso de división en el núcleo (azul). El cinetoplasto (rojo) se divide a continuación. Las estructuras aparecen en reconstrucción tridimensional…

Sociedades
La amplitud del trabajo exige la reunión de especialidades distintas. En Río de Janeiro, Motta cuenta con colegas de la UFRJ y del Instituto Oswaldo Cruz. Pero también amplió los horizontes geográficos y buceó en los aspectos celulares y genéticos, en parte con la ayuda de colaboradores de São Paulo, donde encontró interlocutores interesados en la cuestión evolutiva. Uno de ellos es el parasitólogo Erney Plessmann de Camargo, de la Universidad de São Paulo (USP). Renombrado por sus investigaciones con T. cruzi (lea la entrevista en Pesquisa FAPESP, edición nº 204), desde los años 1980 se interesa en el estudio de la endosimbiosis en tripanosomátidos y más recientemente emprendió la secuenciación de cinco especies que contienen bacteria simbiótica en colaboración con el Laboratorio Nacional de Computación Científica (LNCC), en Petrópolis, en la sierra fluminense. En un estudio publicado en 2013 en PLoS One, Motta realizó análisis de los genomas de dos de esas especies y mostró pérdida de genes en las bacterias. “Es un genoma reducido, pero bastante funcional, capaz de completar vías biosintéticas esenciales del protozoario huésped”, comenta, comparándolo con un árbol bonsái.

Estos resultados ayudan a explicar algo que le llamó la atención a Motta cuando tenía 18 años y estaba empezando a hacer una pasantía en el Instituto de Biofísica Carlos Chagas Filho: la bajísima exigencia nutricional de un parásito de insectos cuando se la comparaba con la de otros tripanosomátidos. Ya en aquel tiempo, el microscopio electrónico ayudó a observar a la bacteria simbiótica. Posteriormente, el genoma de protozoos y los respectivos endosimbiontes corroboró datos obtenidos en estudios nutricionales y bioquímicos, que indicaron un intenso intercambio metabólico entre ambos organismos.

Gracias a la bacteria, el protozoo logra producir prácticamente todos los aminoácidos necesarios, mientras que los tripanosomátidos sin simbionte necesitan que el medio de cultivo sea suplementado. Lo propio vale para el heme, compuesto a base de hierro, que forma parte de proteínas tales como la hemoglobina de la sangre. “Las bacterias sintetizan heme, que termina siendo importante para el crecimiento del protozoario”, comenta el biólogo Sergio Schenkman, de la Universidad Federal de São Paulo (Unifesp), coautor del artículo. “Los protozoarios que causan enfermedades no fabrican heme, por eso deben ser parásitos”. Para el investigador, esa laguna crea en ellos un punto débil que puede utilizarse como arma contra la enfermedad, o para entenderla.

La autosuficiencia con relación a los nutrientes puede resultar esencial en las siete especies caracterizadas por la endosimbiosis. Éstas infectan únicamente a insectos, de nutrición inconstante. “Los protozoos que parasitan vertebrados encuentran un ambiente nutricional más rico en la sangre o en el interior de las células”, compara Motta. Su asociación con el grupo de Schenkman y el de la bióloga Carolina Elias, del Instituto Butantan, ya tiene más de una década y apunta a dilucidar aspectos del ciclo celular del protozoario y entender de qué manera la bacteria puede coevolucionar con la célula huésped. “Sólo se conocía el ciclo celular en T. brucei, que no tiene endosimbionte”, recuerda el investigador de la Unifesp. A su juicio, sólo es posible comprender un organismo cuando se detalla su proceso de división celular para la reproducción, la llamada mitosis, y qué moléculas lo regulan. En el caso de los protozoarios y sus endosimbiontes, aún no lo han logrado. “No sabemos cómo controla el huésped la formación del anillo que provoca la división de las bacterias.”

El objetivo es refinar cada vez más la comprensión de este sistema integrado. Un enfoque en la colaboración con Schenkman, parte del trabajo de Carolina Catta-Preta, consiste en usar el sistema de ARN interferente, el ARNi, para influir en el ciclo celular de A. deanei. Es una herramienta más precisa para manipular puntos exactos del control de la división celular, una vez que se identifiquen las secuencias blanco en el organismo. Resultados aún no publicados muestran que ése es un camino prometedor para corroborar y profundizar lo que ya se ha descrito con la ayuda de fármacos que bloquean la división de las bacterias, entre otros aspectos.

En colaboración con colegas franceses, de las universidades de Lyon y de Bordeaux y del LNCC, Motta también está detallando la red metabólica y el metabolismo energético de esos organismos mediante análisis en computadora de las secuencias genéticas identificadas.

...y en el microscopio electrónico de transmisión

…y en el microscopio electrónico de transmisión

Origen
Aún existe un largo camino por recorrer a los efectos de comprender a esos organismos compuestos, pero la mirada de Motta va mucho más allá de ellos. “Utilizamos al endosimbionte en tripanosomátidos para entender cómo surgieron los orgánulos en la célula eucariota y también su estructura y funcionamiento optimizados”, comenta. “El establecer de qué manera controla el protozoario la división de la bacteria tiene relación directa con el origen de la mitocondria en la célula eucariota.”

Los estudios evolutivos muestran que las bacterias simbióticas de las distintas especies de tripanosomátidos tienen un mismo y único ancestro, tal como lo demuestra el estudio de 2013 publicado en BMC Evolutionary Biology, cuyo primer autor es el biólogo João Alves, del Instituto de Ciencias Biomédicas (ICB) de la USP. Dicho estudio apunta también la transferencia de genes de bacterias al núcleo de la célula huésped, tanto de las endosimbiontes como de otras ya perdidas. Algunas de esas transferencias génicas completan vías de síntesis de aminoácidos esenciales para el protozoario.

El origen único del endosimbionte en tripanosomátidos constituye un paralelo más con el surgimiento de los orgánulos como la mitocondria, que deriva de un solo encuentro entre microorganismos. La teoría conocida como endosimbiótica, que describe este acontecimiento, se popularizó a partir de los años 1970, con la publicación del libro Origin of Eukaryotic Cells [El origen de las células eucariotas], de la evolucionista estadounidense Lynn Margulis, pero es mucho más antigua que eso. En 1905, el biólogo ruso Konstantin Mereschkowski propuso que estructuras de células vegetales habrían surgido de una cianobacteria.

Desde ese entonces una infinidad de estudios corrobora esa idea, pero investigar y descubrir de qué manera puede haber transcurrido ese proceso es un privilegio de pocos. Los endosimbiontes de los tripanosomátidos se ubican a mitad del camino evolutivo entre bacterias de vida libre y los orgánulos. Al haber perdido la mayor parte de su material genético y de su pared celular, no tienen existencia autónoma en la naturaleza. En la práctica, esta asociación funciona como un mismo organismo, aunque es posible “curar” al protozoario mediante un tratamiento con antibióticos. Una cura útil en la investigación, pero poco deseable desde el punto de vista del organismo, ya que lo condena a una vida en laboratorio, con nutrientes suministrados por los investigadores.

“Veo a la endosimbiosis en tripanosomátidos como un caso de amor eterno y eso siempre me incentivó a estudiar esa historia”, dice Motta, estableciendo una comparación entre el casamiento de los microorganismos y el interés que la impulsa.

Aun dedicando la mayor parte de su tiempo al microscopio, al laboratorio y al análisis en la computadora, Motta afirma que su herramienta principal de trabajo es el pensamiento. Por eso mismo, desde hace más de diez años también se dedica a cursar especializaciones en filosofía, e incluso es docente de materias de filosofía en el posgrado en biofísica. Esa mirada multidisciplinaria va más allá de la ciencia de laboratorio y le brinda una visión amplia. “El parasitismo también es una forma de simbiosis, porque el término simbiosis significa vivir juntos”, afirma, y así se vuelve más vasta su fascinación por su objeto de estudio. “Son las dos caras de la moneda en un único ser: el protozoario es al mismo tiempo parásito del insecto y huésped del endosimbionte.”

Artículos científicos
CATTA-PRETA, C. M. et al. Endosymbiosis in trypanosomatid protozoa: the bacterium division is controlled during the host cell cycle. Frontiers in Microbiology. v. 6, artículo 520. 2 jun. 2015.
ALVES, J. M. P. et al. Endosymbiosis in trypanosomatids: the genomic cooperation between bacterium and host in the synthesis of essential amino acids is heavily influenced by multiple horizontal gen transfers. BMC Evolutionary Biology. v. 13, p. 190. 9 sep. 2013.
MOTTA, M. C. M. et al. Predicting the proteins of Angomonas deanei, Strigomonas culicis and their respective endosymbionts reveals new aspects of the Trypanosomatidae family. PLoS One. v. 8, n. 4, e60209. 2 jun. 2013.
MOTTA, M. C. M. et al. The bacterium endosymbiont of Crithidia deanei undergoes coordinated division with the host cell nucleus. PLoS One. v. 5, n. 8, e12415. 26 ago. 2010.


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