Este estudio explica, por primera vez, un mecanismo clave para entender las estrategias de adaptación de microorganismos a diferentes ambientes / Imagen: Pseudomonas putida

El azar como estrategia de supervivencia y adaptación

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Investigadores de la UAM y el CNB han demostrado que Pseudomonas putida, un tipo de bacterias adaptadas a vivir en ambientes contaminados, diversifica su metabolismo utilizando única y exclusivamente el azar, o “ruido”, inherente a la expresión génica.

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UAM Gazette / A pesar de los múltiples mecanismos que regulan la expresión de los genes, la traducción del contenido genético a las proteínas es un proceso con un elevado componente de azar.

La traducción del contenido genético a las proteínas es un proceso con un elevado componente de azar

Una fuente inevitable de azar proviene del hecho de que las moléculas que intervienen en la expresión genética (ARN, factores de transcripción, enzimas,…) se encuentran, a menudo, a bajas concentraciones dentro de la célula, lo que hace que la serie de reacciones enzimáticas que originan proteínas se produzcan de forma aleatoria. Este componente azaroso es lo que se ha denominado como “ruido” en expresión genética.

Aunque en principio parece deseable minimizar la magnitud de ese ruido, como el de cualquier otro proceso celular incontrolado, algunos organismos han aprendido, evolutivamente, a utilizar este elemento incontrolado a su favor.

Diversificación metabólica en bacterias que degradan contaminantes

Muchos microorganismos, entre ellos algunas bacterias resistentes a antibióticos, desarrollan una estrategia de supervivencia conocida como “diversificación de apuestas” (traducción del término inglés bet-hedging). Esta estrategia consiste en diversificar una población de individuos en subpoblaciones con diferentes fenotipos o características en un ambiente determinado. Aunque sólo un fenotipo crece de forma óptima en este contexto, cuando las condiciones se vuelven adversas (como por ejemplo, en presencia de un antibiótico) y la subpoblación óptima muere, los individuos de otras subpoblaciones pueden sobrevivir y adaptarse de forma rápida al nuevo ambiente.

Izquierda: Imagen de una población de Pseudomonas putida con diferentes niveles del factor de transcripción responsable de la degradación de xileno. Derecha: La población de desdobla en dos subpoblaciones con el factor expresado y sin expresar | UAM

Izquierda: Imagen de una población de Pseudomonas putida con diferentes niveles del factor de transcripción responsable de la degradación de xileno. Derecha: La población de desdobla en dos subpoblaciones con el factor expresado y sin expresar | UAM

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En un estudio publicado recientemente en la revista The ISME Journal, investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y el Centro Nacional de Biotecnología (CNB) han demostrado que un tipo de bacterias, adaptadas a vivir en ambientes contaminados por compuestos orgánicos, diversifica su metabolismo en presencia de contaminantes; y esta diversificación es debida exclusivamente al ruido inherente a la expresión genética.

Un tipo de bacterias diversifica su metabolismo en presencia de contaminantes; y esta diversificación es debida exclusivamente al ruido inherente a la expresión genética

La bacteria Pseudomonas putida es capaz de degradar compuestos contaminantes (como el xileno, derivado del petróleo) y utilizarlos en su metabolismo, por lo que adquiere gran importancia en biorremediación.

Utilizando técnicas de fluorescencia en células individuales, los investigadores han observado que una población de Pseudomonas putida expuesta a altas concentraciones de xileno se diversifica en dos subpoblaciones de células: en una de ellas, las células expresan genes responsables de la biodegradación del xileno, que utilizan como fuente de metabolitos; en la otra, dichos genes permanecen inactivos.

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La regulación genética es importante en términos de beneficio colectivo

“Con experimentos más detallados y modelos matemáticos estocásticos, hemos demostrado que esta diversificación es completamente aleatoria (no es posible predecir qué célula pertenecerá a cada una de las subpoblaciones) y está ocasionada por el elevado ruido en la expresión del gen que regula la degradación de xileno”, explica Raúl Guantes, coautor del trabajo.

Este ruido tiene su origen en las bajísimas concentraciones a las que se encuentra el factor de transcripción que activa la expresión de este gen. Curiosamente, este tipo de diversificación metabólica es dependiente del estado de crecimiento de las células.

“Este estudio explica, por primera vez, un mecanismo clave para entender las estrategias de adaptación de microorganismos a diferentes ambientes y señala la importancia de estudiar la complejidad inherente al proceso de regulación genética a la luz del comportamiento y la función en una comunidad, en lugar de en términos exclusivos de beneficio individual”, concluye el investigador.

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Referencia bibliográfica:

R. Guantes; I. Benedetti; R. Silva-Rocha & V. De Lorenzo. Transcription factor levels enable metabolic diversification of single cells of environmental bacteria. The ISME Journal. Doi: 10.1038/ismej.2015.193

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