Un equipo de investigadores europeos propone que la cooperación en las bacterias puede deberse a unos genes de gran movilidad que “saltan” de una célula a la contigua llevando consigo rasgos cooperativos, y transformando a la vecina en cooperadora. El estudio, realizado con la especie Escherichia coli, podría tener implicaciones en las actividades humanas.
La cooperación está presente en todos los planos de la vida, desde los microbios a los humanos, muchas veces sin ventajas evidentes para aquellos que la ofrecen a un precio muy alto. Sabemos que existen parásitos “gorrones” preparados para aprovecharse de los recursos de los que cooperan. Entonces, ¿por qué perdura esta cooperación?
En un artículo publicado en Current Biology, un equipo liderado por la investigadora Teresa Nogueira -del Centro de biología ambiental, Universidad de Lisboa, y la Escuela Superior de Tecnología de la Salud de Oporto, en Portugal-, sugiere que la cooperación en las bacterias puede deberse a unos genes de gran movilidad que “saltan” de una célula a la contigua llevando con ellos rasgos cooperativos, convirtiéndola en un cooperador efectivo.
Además, demuestran que, al menos en la bacteria Escherichia coli (E. Coli), esta nueva población permanece estable gracias a genes “castigadores” que imponen una estrategia parecida a la que utiliza “la mafia de cooperación o muerte”, lo que garantiza que los nuevos cooperadores no se conviertan en parásitos. El trabajo (que arroja alguna luz sobre las complejas interacciones de los microbios, y que determinan en última instancia qué bacteria prospera o desaparece) puede llegar a tener importantes implicaciones tanto para la vida humana como para la economía.
Hoy en día, los científicos coinciden en que la cooperación se fortalece si beneficia al cooperador o a sus parientes. La lógica que fundamenta este comportamiento se basa en el hecho de que beneficiar a los parientes (genéticamente similares al cooperador) es aumentar las posibilidades de que los genes compartidos, incluyendo los que tienen rasgos cooperativos, pasen a la siguiente generación. La selección natural que conserva los comportamientos cooperativos en beneficio de los allegados (algunas veces incluso a costa de la supervivencia o reproducción del cooperador) se llama selección de parentesco.
Ejemplos clásicos y actuales de la selección de parentesco son los “vigilantes”, individuos que poniendo en peligro su propia seguridad patrullan y dan la señal de alarma en la comunidad. Otro de estos ejemplos son los individuos obreros y estériles que se encuentran en las colonias de hormigas y abejas. De manera que la cooperación se ve afectada no sólo por los costes y los beneficios, sino también por la similitud genética que hay entre el cooperador y aquellos que se benefician de su comportamiento: cuanto más grado de parentesco más posibilidades hay de que esta cooperación tenga lugar.
Partiendo de esta idea, Teresa Nogueira, junto a Eduardo P. C. Rocha y sus colegas del Instituto Pasteur y la Universidad UPMC Paris 06 (París, Francia), mientras intentaban entender la cooperación entre las bacterias, se preguntaron si la transferencia de genes horizontal (proceso no sexual, muy común en las bacterias, en el que los genes “saltan” de un individuo a otro, que aumenta la similitud genética entre los individuos “infectados”) podía llevar a la cooperación mediante la selección de parentesco.
Utilizando métodos matemáticos y sumando el efecto de la transferencia genética horizontal a los costes, los beneficios y la similitud genética, los investigadores confirmaron que, al menos de forma teórica, los genes de gran movilidad que contienen rasgos cooperativos fomentarían la cooperación, que se mantendría mediante la selección de parentesco.
El papel del secretoma
Para confirmar esta hipótesis, Nogueira y sus colegas estudiaron la E. coli, un microorganismo que abunda en la flora intestinal del ser humano, donde las bacterias viven normalmente en una relación de beneficio mutuo con los humanos. No obstante, los cambios en sus interacciones sociales con otros microbios y con el cuerpo humano que ocupan hacen de la E. coli un organismo extremadamente virulento, lo que lo convierte en un interesante objeto de estudio. No sólo eso, si no que muchas de las funciones vitales de la E. coli dependen de proteínas segregadas (conocidas también como secretoma) de las que se aprovechan fácilmente otros microbios, lo que hace de la E. coli un posible “colaborador”, si bien involuntario.
El trabajo publicado analiza 21 genomas de E. coli y sus genes de secretoma y empieza por descubrir que sólo un pequeño porcentaje de ellos son parte del “genoma central” (los genes que comparten todas las cepas de las especies, es decir, supuestamente aquellas vinculadas con las funciones primordiales de supervivencia), lo que coincide con la idea de que el secretoma contiene rasgos cooperativos ya que, por definición, los genes cooperativos se pueden perder fácilmente con la selección natural.
A continuación, Nogueira y sus colegas tratan de identificar las proteínas del secretoma comparándolas con un gran número de muestras conocidas de la flora intestinal humana. De hecho, varias de ellas tenían rasgos potencialmente cooperativos pero, lo que es más interesante, encontraron numerosos genes de secretoma de E. coli en otra bacteria. Esto coincide con la predicción de Nogueira de que los rasgos cooperativos abundan en los genes con gran movilidad que cambian su ubicación y de que aumentan la similitud genética de las bacterias que antes no tenían parentesco (en este caso, incluso entre especies distintas). Esta conclusión encuentra un sólido pilar de fundamentación en el hecho de que gran parte del secretoma se reveló codificado por una parte de ADN extracromosómica llamada plásmido, que es, sencillamente, la parte con mayor movilidad de todo el genoma de la bacteria.
Por último, las proteínas segregadas son valiosas y, puesto que no se reciclan (en el caso de que la teoría de Nogueira sea acertada) y dados los rasgos cooperativos relacionados responsables de que los parásitos saquen provecho de ellas, deberían encontrarse bajo una gran presión de selección. De hecho, el secretoma resultó que se componía de las proteínas menos costosas de producir de todo el organismo, en consonancia con los costes de cooperación.
El castigo si el gen se pierde
Quedaba pendiente una última cuestión: si los genes cooperativos con gran movilidad, saltando entre los individuos, los transformaban en cooperadores, de la misma forma su movilidad debería hacer que se perdieran fácilmente, creando, de nuevo, una población de parásitos. ¿De qué forma se evitaría esto? Una de ellas sería imponiendo castigos, y esta posibilidad llevó a Nogueira y a sus colegas a buscar proteínas que estabilizaran la integración de genes “castigando” al organismo si el gen se perdía.
De hecho, encontraron dos mecanismos que encajaban: la modificación de restricción y el sistema toxina-antitoxina bacteriano. Ambos sistemas funcionan como un compuesto de dos genes en el que uno de ellos provoca la muerte del anfitrión si el otro se pierde. En la bacteria E. coli, estos sistemas se encontraban cerca de los genes de secretoma, lo que sugería que la estabilidad de la nueva población de cooperadores se mantenía haciendo que el coste de perder el rasgo cooperativo fuese mayor que el beneficio de transformarse en un parásito.
En conclusión, el trabajo de Nogueira y sus colegas demostró que las proteínas segregadas de la E. coli se comportan como rasgos cooperativos: se incluyen en la parte “desechable” del genoma, muestran signos de una fuerte presión de selección e incluso algunas se han identificado como rasgos cooperativos potenciales. De acuerdo con el modelo de los investigadores, la mayoría de los genes que codifican el secretoma están localizados en la parte con mayor movilidad del genoma bacteriano y se ha observado que se comparten con otra bacteria. Esta última similitud genética incrementada permite que los rasgos cooperativos permanezcan en la población a través de la selección de parentesco, mientras que los genes “castigadores” aseguran la estabilidad de la nueva población mediante una política de “cooperar o morir”.
Estos resultados llevan a pensar que, tal y como propone Nogueira, la cooperación entre las bacterias se puede reforzar mediante genes extremadamente móviles que contienen los rasgos cooperativos y que saltan entre los individuos transformándolos en cooperadores. Esta nueva población se conserva mediante la selección de parentesco y el castigo.
La importancia de los microbios
Los microbios se utilizan en una gran variedad de trabajos que son importantes para el ser humano, desde la limpieza del petróleo de los océanos hasta el tratamiento de los desperdicios, pasando por el crecimiento de alimentos y, por supuesto, son agentes fundamentales en lo relacionado con las enfermedades y la salud. Además, son organismos extremadamente sociales que normalmente viven entremezclados con muchas otras especies (la flora intestinal humana es un buen ejemplo de ello) con distintas poblaciones en mayor o menor grado de crecimiento dependiendo de la interacción social entre ellos y con el anfitrión.
El trabajo de Nogueira, Rocha y el resto de colegas constituye un paso importante en el conocimiento de estas relaciones complejas y es posible que un día pueda contribuir a mejorar las formas de manipulación del crecimiento bacteriano, ya sea con la intención de detener poblaciones patógenas o la de estimular el crecimiento de las que son beneficiosas. En el caso específico de la E. coli, este conocimiento es particularmente importante, ya que muchos de los rasgos cooperativos son factores virulentos capaces de transformar una bacteria normalmente inocua en un patógeno peligroso para la vida.
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Referencia bibliográfica:
T. Nogueira et al. «Horizontal Gene Transfer of the Secretome Drives the Evolution of Bacterial Cooperation and Virulence». Current Biology 19 (20): 1683-1691, octubre de 2009.
