Una micrografía electrónica de barrido muestra pequeñas células violetas de Patescibacteria que crecen en la superficie de células mucho más grandes. Una nueva investigación dirigida por el laboratorio de Joseph Mougous en la UW Medicine en Seattle revela su ciclo de vida, sus genes y algunos de los mecanismos moleculares que pueden estar detrás de su inusual estilo de vida. Estas bacterias epibióticas son Southlakia epibionticum. Crédito: Yaxi Wang, Wai Pang Chan y Scott Braswell/Universidad de Washington
Los científicos descubren genes esenciales para el estilo de vida inusual de bacterias diminutas que viven en la superficie de bacterias más grandes.
Las patescibacterias son un grupo misterioso de microbios diminutos con métodos de supervivencia difíciles de alcanzar. Aunque los científicos sólo pueden cultivar unos pocos de estos tipos, son parte de una familia diversa que se encuentra en muchos entornos.
Los pocos tipos de Patescibacteria que los investigadores pueden cultivar en el laboratorio residen en las superficies celulares de otro microbio huésped más grande. Las patescibacterias en general no tienen los genes necesarios para producir muchas moléculas necesarias para la vida, como aminoácidos que forman las proteínas, los ácidos grasos que forman las membranas y los nucleótidos en ADN. Esto llevó a los investigadores a especular que muchas de ellas dependen de otras bacterias para crecer.
En un estudio publicado recientemente en Celúla, los investigadores presentan el primer vistazo a los mecanismos moleculares detrás del inusual estilo de vida de Patescibacteria. Este avance fue posible gracias al descubrimiento de una forma de manipular genéticamente estas bacterias, un avance que abrió un mundo de posibles nuevas direcciones de investigación.
«Si bien la metagenómica puede decirnos qué microbios viven en nuestros cuerpos y dentro de ellos, las secuencias de ADN por sí solas no nos dan información sobre sus actividades beneficiosas o dañinas, especialmente para organismos que nunca antes se han caracterizado», dijo Nitin S. Baliga del Instituto. para Biología de Sistemas en Seattle, quien contribuyó con mucho análisis computacional y de sistemas al estudio.
El investigador de bacterias epibióticas Larry A. Gallagher bajo un microscopio en un laboratorio de microbiología de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington. Crédito: S. Brook Peterson/Universidad de Washington
«La capacidad de alterar genéticamente Patescibacteria abre la posibilidad de aplicar una potente lente de análisis de sistemas para caracterizar rápidamente la biología única de los epibiontes obligados», añadió, refiriéndose a los organismos que deben vivir en otro organismo para sobrevivir.
Los equipos detrás del estudio, dirigido por el laboratorio de Joseph Mougous en el Departamento de Microbiología del Universidad de Washington La Facultad de Medicina y el Instituto Médico Howard Hughes estaban interesados en Patescibacteria por varias razones.
Se encuentran entre las muchas bacterias poco conocidas cuyas secuencias de ADN aparecen en análisis genéticos a gran escala de genomas encontrados en especiesricas comunidades microbianas de fuentes ambientales. A este material genético se le conoce como “materia oscura microbiana” porque se sabe poco sobre las funciones que codifica.
Es probable que la materia oscura microbiana contenga información sobre rutas bioquímicas con posibles aplicaciones biotecnológicas, según el Celúla papel. También contiene pistas sobre las actividades moleculares que sustentan un ecosistema microbiano, así como sobre la biología celular de las diversas especies microbianas reunidas en este sistema.
El grupo de Patescibacteria analizado en esta última investigación pertenece a las Saccharibacteria. Viven en una variedad de ambientes terrestres y acuáticos, pero son más conocidos por habitar en la boca humana. Han formado parte del microbioma bucal humano desde al menos la Edad de Piedra Media y se han asociado con la salud bucal humana.
En la boca humana, las Saccharibacterias requieren la compañía de Actinobacterias, que les sirven de huéspedes. Para comprender mejor los mecanismos utilizados por Saccharibacteria para unirse con sus huéspedes, los investigadores utilizaron manipulación genética para identificar todos los genes esenciales para el crecimiento de Saccharibacterium.
Yaxi Wang, investigador de bacterias epibióticas, en una estación de trabajo anaeróbica en un laboratorio de microbiología de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington en Seattle. Crédito: S. Brook Peterson/Universidad de Washington
«Estamos muy entusiasmados de poder tener este vistazo inicial a las funciones de los genes inusuales que albergan estas bacterias», dijo Mougous, profesor de microbiología. «Al centrar nuestros estudios futuros en estos genes, esperamos desbloquear el misterio de cómo Saccharibacteria explota las bacterias huésped para su crecimiento».
Los posibles factores de interacción con el huésped descubiertos en el estudio incluyen estructuras de la superficie celular que pueden ayudar a las Saccharibacteria a unirse a las células huésped y un sistema de secreción especializado que puede usarse para transportar nutrientes.
Otra aplicación del trabajo de los autores fue la generación de células Saccharibacteria que expresan proteínas fluorescentes. Con estas células, los investigadores realizaron imágenes microscópicas fluorescentes en lapso de tiempo de Saccharibacteria creciendo con su bacteria huésped.
«Las imágenes en intervalos de tiempo de cultivos de células huésped de Saccharibacteria han revelado una sorprendente complejidad en el ciclo de vida de estas bacterias inusuales», señaló S. Brook Peterson, científico principal del laboratorio de Mougous.
Los investigadores informaron que algunas Saccharibacteria sirven como células madre, se adhieren a la célula huésped y brotan repetidamente para generar pequeñas crías. Estos pequeños empiezan a buscar nuevas células huésped. Algunos de los descendientes, a su vez, se convirtieron en células madre, mientras que otros parecieron interactuar de forma improductiva con el huésped.
Los investigadores creen que estudios adicionales de manipulación genética abrirán la puerta a una comprensión más amplia de las funciones de lo que describen como “las ricas reservas de materia oscura microbiana que contienen estos organismos” y potencialmente descubrirán mecanismos biológicos aún inimaginables.
Referencia: «La manipulación genética de Patescibacteria proporciona conocimientos mecanicistas sobre la materia oscura microbiana y el estilo de vida epibiótico» por Yaxi Wang, Larry A. Gallagher, Pia A. Andrade, Andi Liu, Ian R. Humphreys, Serdar Turkarslan, Kevin J. Cutler, Mario L Arrieta-Ortiz, Yaqiao Li, Matthew C. Radey, Jeffrey S. McLean, Qian Cong, David Baker, Nitin S. Baliga, S. Brook Peterson y Joseph D. Mougous, 7 de septiembre de 2023. Celúla.
DOI: 10.1016/j.cell.2023.08.017
Este estudio interdisciplinario y colaborativo fue impulsado por la recientemente creada Centro de Interacciones Microbianas y Microbiomas (llamado por las siglas mim_c), dirigido por Mougous. La misión de mim_c es reducir las barreras a los estudios de investigación de microbiomas y promover colaboraciones a través de conexiones de investigadores de todas las disciplinas con ideas afines. Aquí, mim_c fue el catalizador para reunir al laboratorio de Mougous con el experto en microbioma oral Jeffrey McClean en el Departamento de Periodoncia de la Facultad de Odontología de la Universidad de Washington.
Los autores principales de este estudio fueron Yaxi Wang y Larry A. Gallagher del Departamento de Microbiología de la Universidad de Washington. Los autores principales fueron Baliga, Peterson y Mougous. Los bioquímicos Qian Cong de la Universidad de Texas Southwestern y David Baker y otros investigadores del Instituto de Medicina para el Diseño de Proteínas de la Universidad de Washington también contribuyeron al trabajo, junto con McClean.
Mougous y Baker son investigadores del Instituto Médico Howard Hughes. Mougous ocupa la Cátedra Lynn M. y Michael D. Garvey en la Universidad de Washington.
El estudio fue apoyado por donaciones de Instituto Nacional de Saludla Fundación Nacional de Ciencias, la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa del Departamento de Defensa, la Fundación Bill y Melinda Gates y la Fundación Welch.
