Un equipo de investigación de la Estación Experimental el Zaidín del CSIC y la Universidad de Roma La Sapienza ha confirmado que la L-arginina, uno de los 20 aminoácidos que componen las proteínas, estimula la formación de comunidades bacterianas, que favorece su persistencia y les confiere mayor resistencia. Este mecanismo puede aplicarse en un doble sentido en algunos tipos de bacterias. Algunas especies de estos microorganismos son las causantes de infecciones recurrentes o crónicas en humanos, como en la fibrosis quística. Sin embargo, otras variantes son beneficiosas en plantas, ya que favorecen su crecimiento. Los resultados del estudio podrían servir para el desarrollo de aplicaciones biomédicas y biotecnológicas.

Biofilm de Pseudomonas putida visto con microscopía de fluorescencia.

La mayoría de las bacterias son capaces de colonizar superficies sólidas formando un biofilm, en el que las células quedan embebidas dentro de una matriz que las conecta y les permite hacerse más fuertes ante cualquier necesidad o adversidad. Así, comparten nutrientes, se multiplican, generan defensas comunes frente a cualquier amenaza que provenga del exterior y se transfieren genes, como los de ciertas resistencias a antibióticos. Que estos microorganismos formen biopelículas y colonicen otros seres vivos puede ser beneficioso o perjudicial según qué casos. Si se buscan relaciones simbióticas con plantas, el objetivo es que creen esas comunidades. Si se trata de combatir enfermedades, el fin será evitar su formación.

Para conocer el comportamiento de estas comunidades, uno de los aspectos clave es la investigación sobre las señales químicas que influyen en la formación de biofilms y que pueden estimular a estos microorganismos para colonizar a otros seres vivos. Así, en el artículo ‘Nutrient Sensing and Biofilm Modulation: The Example of L-arginine in Pseudomonas’, publicado en la revista International Journal of Molecular Sciences, los autores desarrollan un completo mapa sobre cómo actúa la L-arginina y qué reacciones provoca en estas bacterias.

Este aminoácido es, en principio, una molécula que no presenta ninguna característica especial y está presente en todos los organismos. Conocer más profundamente su participación en la creación de biofilms contribuye al desarrollo de técnicas que la inhiban si el objetivo es que no se unan o fomentarla si el fin es favorecer la unión bacteriana.

De ese modo, puede convertirse en uno de los compuestos diana para el desarrollo de nuevas aplicaciones biomédicas y biotecnológicas. “Conocer qué proteínas se activan en los microorganismos ante la presencia de la señal química de la L-arginina propiciará el diseño de nuevos métodos para controlar el desarrollo de comunidades bacterianas”, indica a la Fundación Descubre el investigador del CSIC Manuel Espinosa, autor del artículo.

Manuel Espinosa, investigador responsable del estudio.

Tras la ruta de la L-arginina

Conocer cuáles son los compuestos que contribuyen a desarrollar o reducir los biofilms y cómo es el proceso por el que las bacterias responden ante ellos ayuda por un lado, a la eliminación de microorganismos infecciosos, pero también, por otro, a su proliferación cuando éstos son beneficiosos. Así, las Pseudomonas estudiadas en el trabajo incluyen ambas. Por un lado, la especie P. putida, que estimula el crecimiento de las plantas y ayuda a su defensa contra otros microbios y, por otro, P. aeruginosa, un patógeno oportunista responsable entre otras enfermedades, de infecciones hospitalarias o infecciones crónicas en pacientes de fibrosis quística.

Los investigadores han recopilado la información disponible sobre la ruta metabólica de la L-arginina en Pseudomonas, presentando las sustancias más relevantes que se liberan y las diferentes categorías metabólicas. Estas bacterias pueden utilizar este compuesto como fuente de energía, por lo que este aminoácido podría indicar a los microorganismos que se encuentran en un ambiente favorable para ser colonizado.

El siguiente paso es conocer cuál es la proteína exacta que detecta y responde a la presencia de la L-arginina y conduce a las bacterias a la colonización y la formación de las biopelículas. Esto propiciaría el desarrollo de nuevas herramientas que estimulen o inhiban su activación en presencia de este aminoácido.

Así, en el caso de estimular la señal, se provocaría el aumento de la colonización en plantas para mejorar su crecimiento y resistencia ante ciertas plagas y enfermedades, en el caso de P. putida. “En el caso contrario, se podría impedir la respuesta de la bacteria para acabar con la recurrencia en otras dolencias infecciosas provocadas por P. aeruginosa y diseñar nuevas terapias para su tratamiento”, añade el investigador.

Los expertos han demostrado que la L-arginina favorece la creación de las biopelículas.

Además, estas Pseudomonas suponen un instrumento muy útil para el tratamiento de desechos en procesos de degradación y remediación de suelos contaminados.

Los estudios se han financiado mediante los proyectos ‘Biofilms y colonización de plantas por bacterias beneficiosas y patógenas: señales ambientales y metabólicas, regulación por c-di-GMP y relevancia en protección vegetal’ del Ministerio de Ciencia e Innovación, fondos FEDER y la Universidad de Roma. Además, la colaboración internacional ha sido posible en el marco del programa Horizonte 2020 de la Unión Europea, a través de MOSBRI (MOlecular-Scale Biophysics Research Infrastructure, Grant Agreement N° 101004806).

Referencias

Chiara Scribani Rossi, Laura Barrientos Moreno, Alessio Paone, Francesca Cutruzzolà, Alessandro Paiardini, Manuel Espinosa Urgel y Serena Rinaldo. ‘Nutrient Sensing and Biofilm Modulation: The Example of L-arginine in Pseudomonas’. International Journal of Molecular Sciences. 2022

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