¿Que sabemos sobre el Ébola?

El pasado 8 de Mayo (2018) se declaró en la República Democrática del Congo en dos brotes diferentes un nuevo brote de Ébola, después de registrarse unas 17 muertes y 21 posibles casos de infección más. Tiempo atrás, en el 2014,  ya habíamos oído hablar sobre este virus pero prácticamente no sabíamos nada sobre él. ¿Qué sabemos actualmente sobre este virus? Entra y conoce todos los datos biológicos que tenemos actualmente sobre el Ébolavirus. 

VIRUS ÉBOLA

GENERALIDADES

El virus del Ébola presenta una forma muy característica: parece un hilo. Por ese motivo está clasificado en la Familia Filoviridae (juntamente con el virus del Marbugo y el Cuevavirus). Actualmente se conocen cinco cepas diferentes, nombradas generalmente por el lugar donde se produjeron brotes conocidos: Ëbola Zaire (EBOV), Reston virus (RESTV que no presenta síntomas en humanos), Bundibugyo (BDBV), Sudan (SUDV) i Taïforest (TAFV).

El virus del Ébola fue descubierto en dos brotes diferentes (Sudán Sur y República Democrática del Congo) afectando sobre todo a comunidades pequeñas y con una mortalidad entre 50-90%. A partir de ese primer encuentro se han registrado una gran cantidad de brotes esporádicos y muy intensos. Normalmente son cortos en el tiempo pero de rápida expansión con una mortalidad muy variada. Los brotes se han observado en Europa (con una mortalidad del 0%), Estados Unidos (mortalidad del 0%) y África (con mortalidad variada). En el gráfico siguiente observamos los brotes en el continente africano desde que se descubrió el Ébolavirus.

En el gráfico destaca el brote que se produjo en 2014, el mayor desde que se conoce el virus con un total de más de 25.000 afectados y más de 10.000 muertes. Para poder observar bien los datos del gráfico, haz click encima.

Gráfico de los diferentes brotes de Ébola registrados en África. Fuente: SciDevNet.

Después de padecer tantos brotes y el último tan peligroso (por su rápida y gran expansión) y la posible utilización del virus como arma biológica, la comunidad científica aceleró la producción de conocimientos sobre este virus, sus características biológicas y su ecología. Con esos conocimientos podemos tratar de prevenir o curar la enfermedad producida por este virus.

CARACTERÍSTICAS BIOLÓGICAS

Como bien hemos dicho anteriormente, el virus del Ébola presenta una forma alargada semejante a un hilo. Puede alcanzar grandes longitudes de hasta 14.000 nm y unos 80 nm de diámetro. Recomendamos leer el artículo de microbiología básica para entender mejor los diferentes tamaños de los microorganismos.

El virus presenta una cadena de ARN negativo de 19.1 kb que codifica para siete proteínas virales que conforman las diferentes capas del virus y garantizan sus funciones.

Microfotografía del Ébolavirus. Fuente Health and Lifestyle.

ESTRUCTURA DEL VIRIÓN

El virus del Ébola presenta tres capas diferenciadas. Por una parte, encontramos el nucloide (donde encontramos el ARN). Presenta una forma tubular y en espiral de unos 20-30 nm de diámetro. El nucleoide se encuentra centrado y rodeado por la cápside helicoidal (de unos 40-50 nm de diámetro). Ésta última está rodeada por una membrana espiculada conocida como envuelta viral.

Recreación de un virión del Ébola. Se nombran las diferentes capas: N (nucleoide), C (cápside) y MB (envoltura viral). Imagen modificada de PrtoMontt.

NUCLEOIDE

En esta capa más interior encontramos dos proteínas concretas: una nucleoproteína estructural y una ARN polimerasa, conocida como proteína L. La primera de ellas conforma la estructura del nucleoide y encontramos 11 proteínas por cada giro de la hélice. Esta nucleoproteína es la que se une al ARN.

Por otro lado, la proteína L se encarga de sintetizar ARN positivos dentro de la célula huésped para su posterior replicación.

Esquema detallado de los diferentes componentes del virión. Imagen modificada de Visual Science.

CÁPSIDE

La cápside tiene forma helicoidal y es la capa que contiene mayor cantidad de proteínas. Por un lado contiene la proteína P (con función desconocida). También encontramos la proteína VP30 (que se encarga de desplegar el ARN en el interior del huésped y a su vez, es un factor de transcripción) y la proteína VP35 (factor de transcripción y antagonista de los interferones). En mayor cantidad encontramos la VP40 (función estructural) que forma dímeros y se cree que en el interior de la célula huésped forma estructuras circulares (cuya función aún es desconocida). En menor cantidad encontramos la VP24 (también estructural) que se cree que tiene funciones como interferón o cofactor de la polimerasa.

ENVUELTA VIRAL

La membrana que forma la envuelta viral está formada por una glicoproteína viral que forma trímeros en la membrana. Ésta presenta forma de trímeros con una sección transmembrana y una sección extracel·lular. La glicoproteína está rodeada de proteínas, receptores, lípidos y factores de histocompatibilidad de la célula huésped, es decir, no son de origen viral.

Representación 3D de la glicoproteína viral (rojo) y la membrana de origen no viral. Imagen de Visual Science.

Estas representaciones 3D de las diferentes capas del virión se han obtenido de Visual Science. Las regiones representadas en rojo corresponden a estructuras de origen viral, mientras que las zonas grises son de origen no viral.

CICLO DEL VIRUS ÉBOLA

CICLO EPIDEMIOLÓGICO

Este virus es de origen africano y su reservorio natural son los murciélagos frugívoros de la familia  Pteropodidae. Éstos pueden infectar de forma accidental a otros mamíferos como por ejemplo simios no humanos. Éstos son los que más sufren las consecuencias de la infección por Ébola. Los primates o el mismo murciélago pueden infectar, a su vez, de forma accidental a los humanos. Un ejemplo muy interesante de infección por ébola en humanos fue por el consumo de cerebro de mono infectado.

Entre humanos, la transmisión se produce a través de los fluidos corporales como por ejemplo la sangre, vómitos, excrementos y en ciertos casos más graves por el semen, leche materna u orina. Este virus no se transmite por el aire, pero si puede hacerlo por las microgotas de saliva expulsadas en estornudos o mientras hablamos.

Representación del ciclo ecológico del ébola. Fuente CDC.

CICLO INTRACELULAR

Una vez los viriones han entrado dentro del cuerpo humano, estos se unen a la célula receptora con las glicoproteínas virales. Estas proteínas reconocen los receptores celulares tipo HAVCR! (TIM1) y se unen a ellos. En ese instante, se inicia una señalización celular que activa el mecanismo de macropinocitosis (proceso de captación de material en el espacio extracelular por invaginación de la membrana celular). Así pues, la membrana recubre el virus y lo introduce en un endosoma hacia al citoplasma. Dentro del endosoma, la envoltura viral es destruida por los enzimas lisolíticos y el nucleoide se fusiona con la membrana del endosoma y sale hacia el citoplasma.

Una vez allí, la proteína L inicia su función y empieza a transcribir el ARN negativo a uno positivo y mediante los mecanismos celulares se empiezan a transcribir todas las proteínas virales. Por otro lado, el ARN se replica en el núcleo celular. Una vez hechas las copias, el ARN viral sale del núcleo mediante un transportador dependiente de actina y se dirige a la membrana celular. Allí se ensambla con las demás proteínas y se fusiona con la membrana celular, llevándose para formar su envoltura una parte de la membrana del huésped.

Representación del ciclo que sigue el ébola en su proceso de infección celular. Foto de Viralzone.

¿EXISTE ALGÚN TRATAMIENTO O PREVENCIÓN PARA EL ÉBOLA?

Después del intenso brote que tuvo lugar en 2014, se puso a prueba una vacuna preventiva conocida como VSV-EBOV. Ésta es una vacuna recombinante formada por un virus de la estomatitis vesicular modificado genéticamente. Este virión contiene glicoproteínas del Ébola y así es reconocido por el sistema inmune al entrar en el organismo huésped. Al ya tener preparado un sistema de reconocimiento, cuando entra un virión del Ébola, éste es reconocido  y, por tanto, se inicia una respuesta inmune.

A su vez, en el Centro Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) se está trabajando con cinco prototipos diferentes de vacuna para el Ébola. Uno de ellos es una gran mejora de la vacuna VSV-EBOV, ya que aparte de contener la glicoproteína también se sintetiza la VP40, facilitando así el reconociemiento por parte del sistema inmune del virus.

Cabe destacar, que una vez se esta infectado con el virus del Ébola, el único tratamiento posible es la tranfusión de anticuerpos monoclonales y medicamentos antivirales.

·

El Ébola no va a desaparecer, por tanto, todos los conocimientos sobre él son bienvenidos. Su cura y tratamiento están cada vez más cerca. 

BIBLIOGRAFÍA

• Centro de control y prevención de enfermedades (CDC, en inglés)
• MicroBio Blog. Ignacio López-Goñi.
• Visual Science. Poster educativo sobre el Ébola (disponible aquí).
• Imagen de portada: Janssen

Ebola: què en sabem?

8 de Maig del 2018. Repúlica Democrática del Congo. El Govern del país declara un nou brot d’ Ebola Virus després de la mort de 17 persones i 21 possibles afectats. Ja haviem sentit parlar d’aquest desconegut virus a l’any 2014 a la coneguda com a major epidemia del virus. Però, que en sabem d’ell? Passa i coneix de primera mà totes les dades virològiques que es coneixen sobre aquest interessant virus. 

 

EBOLA VIRUS

GENERALITATS

El virus de l’Ebola, que presenta una forma característica en forma de fil, pertany a la família dels Filoviridaes (juntament amb el virus del Marbug i el Cuevavirus). Es coneixen actualment cinc variants diferents: Bundibugyo (BDBV), Ebola Zaire (EBOV), Reston virus (RESTV que no presenta símptomes als humans), Sudan (SUDV) i Taïforest (TAFV).

Va ser descobert  l’any 1976 en dos brots diferents a Sudán Sud i República democràtica del Congo, afectant sobretot a petites comunitats i amb una mortalitat d’entre el 50-90%. A partir d’aquesta primera observació, s’han tingut constància una gran quantitat de brots explosius i temporals (és a dir, curts en el temps però de ràpida expansió) amb una mortalitat molt variada. Els brots s’han donat a Europa (Amb una letalitat del 0%), a Nord Amèrica (també amb una mortalitat del 0%) i sobretot a Àfrica (amb una mortalitat variada). Al gràfic següent podem observar els diferents brots que s’han registrat a Àfrica fins al 2014, on destaca el darrer brot enregistrat amb més de 25.000 afectats i 10.000 morts. Per poder observar correctament les dades, pitjau a sobre la imatge.

 

Representació gràfica dels brots d’Ebola a Àfrica des del seu descobriment. Imatge de SciDevNet.

Els coneixements sobre aquest virus eren escassos, però degut als grans efectes que ha provocat al llarg dels anys i la possibilitat de que s’utilitzi en un futur com a arma biològica, les iniciatives per descobrir noves característiques i possibles tractaments han proliferat de forma significativa. Doncs, que sabem actualment sobre el virus de l’Ebola?

CARACTERÍSTIQUES BIOLÒGIQUES

 

Com es poden observar a les diferents imatges microscòpiques, el virus de l’Ebola presenta una forma filamentosa que pot arribar fins a 14.000 nm de llarg i uns 80 nm aproximadament de diàmetre (consultau aquest article de microbiología bàsica per tenir un concepte més clar sobre la mida dels microorganismes). El virus presenta una ARN monocaternari negatiu de 19,1 kb que codifiquen per unes set proteïnes estructurals que conformen les diferents capes del virus.

Microfotografia del virus de l’Ebola. Imatge extreta de Health and Lifestyle.

ESTRUCTURA

L’ebola presenta un nucleoide de forma tubular i espiral  (d’aproximadament 20-30 nm de diàmetre) que es troba al centre i  rodejat per una càpside helicoidal ( d’uns 40-50 nm) que alhora es troba envoltada per una membrana espiculada (envolta viral).

 

Estructura bàsica del virus de l’Ebola. Modificació de PtoMontt.

NUCLEOIDE

El nucleoide està format per dues proteïnes concretes: NP (nucleoproteïna estructural) i L (una ARN polimerasa). La primera d’elles conforma l’estructura del nucleoide i trobem 11 proteïnes per cada gir de l’hèlix (és la que s’uneix al ARN). Per altra banda, la proteïna L al ser una ARNpolimerasa s’encarrega de sintetitzar ARN positius per la replicació del virus dins la cèl·lula de l’hostatger.

Esquema de l’estructura detallada del virus de l’Ebola. Modificat de Visual Science.

CÀPSIDE

La càpside helicoidal és la capa que conté major nombre de proteïnes. Conté la proteïna P (funció desconeguda), la proteïna VP30 (que s’encarrega de desplegar l’ARN dins l’hostatger, factor de transcripció); la VP35 ( que juntament amb l’anterior es tracta d’un factor de transcripció i un antagonista dels Interferons); la proteïna VP40 (que es troba en grans quantitats) i la VP24 (en menor quantitat) que es creu que s’encarreguen de les funcions estructurals per unir la càpside amb el nucleoide. Per altra banda, aquesta VP40 forma tota una sèrie de dímers i es creu que dins la cèl·lula de l’hostatger forma estructures circulars, la funció de les quals encara és desconeguda. La VP24 es creu que també pot tenir funcions com interferó o un cofactor de la polimerasa.

ENVOLTA VIRAL

La membrana que conforma l’envolta viral està formada per la glicoproteïna viral que forma trímers amb una part transmembrana i una extracel·lular. Aquesta es troba envoltada per proteïnes, lípids, factors d’histocompatibilitat i receptors de membrana que obté de la membrana cel·lular de l’hostatger, és a dir, són d’origen no viral.

Representació de l’estructura de la membrana viral. Mostra una unitat de glicoproteïna viral. Imatge: Visual Science.

Als esquemes emprats per la visualització de l’estructura del virus de l’Ebola, les estructures de color grisenc corresponen a aquelles que són d’origen no viral (es a dir, que les agafa un cop ha sortit de la cèl·lula de l’hostatger) i les vermelles són les proteïnes i estructures víriques.

 

CICLE DEL VIRUS

CICLE ECOLÒGIC

 

El virus de l’Ebola és un virus d’origen africà i es creu que el seu reservori natural són els ratpenats frugívors de la Família Pteropodidae. Aquests poden infectar accidentalment altres mamífers, com ara simis no humans. Aquests són els que més pateixen la malaltia produïda pel virus de l’Ebola, però també poden infectar als humans de forma accidental o perquè aquests darrers s’alimentin de carn i cervells de simis infectats. Entre humans, la transmissió del virus es realitza mitjançant el contacte amb fluids corporals com per exemple la sang, vòmits, excrements i també en certs casos molt greus, al semen, llet materna o orina. No es pot transmetre per l’aire, però si en microgotes de saliva llançades amb esternuts o mentre parlem.

Cicle de transmissió del virus Ebola. Imatge de la CDC.

 

CICLE INTRACEL·LULAR (PROCÉS D’INFECCIÓ)

 

Un cop es troba dins l’humà, aquest virus s’uneix als receptors de membrana de les cèl·lules de l’endoteli capil·lar (sistema circulatori) o de determinades cèl·lules del sistema immunitari. S’ha observat que generalment s’uneix a receptors com l’HAVCR1 (TIM1) que inicia una senyalització cel·lular per activar el mecanisme de macropinocitosis (captació de material a l’espai extracel·lular per invaginació de la membrana cel·lular). Així doncs, la membrana de la cèl·lula recobreix el virus i l’introdueix cap al citoplasma. Dins l’endosoma, l’envolta viral és destruïda pels enzims lisolítics i el nucleoide es fusiona amb la membrana de l’endosoma i surt cap a l’exterior.

Un cop dins el citoplasma, la proteïna L comença a transcriure l’ARN viral i mitjançant els mecanismes de la cèl·lula de l’hostatger es sintetitzen les proteïnes virals i dins el nucli cel·lular es replica l’ARN viral. Aquest darrer surt del nucli mitjançant un transportador dependent d’actina i es dirigeix cap a la membrana cel·lular on es troba amb les proteïnes virals. Es fusiona amb la membrana i amb una part d’aquesta forma la seva envolta viral que recobrirà la càpside i el nucleoide.

Representació de les fases del procés d’infecció del virus de l’Ebola. Imatge de ViralZone.

 

HI HA ALGUN TRACTAMENT O VACUNA PER L’EBOLA?

 

Després del brot del 2014 es va posar a prova la vacuna preventiva anomenada VSV-EBOV. Aquesta és una vacuna recombinant formada per virus de l’estomatitis vesicular (VSV) modificada genèticament. Aquesta porta glucoproteïnes de l’Ebola i al entrar a l’hostatger provoca una resposta immunilògica. Així, el sistema immunitari estarà preparat per una possible infecció per Ebolavirus.

Per altra banda, al Centre Superior d’Investigacions Científiques (CSIC), es treballa amb cinc prototips de vacuna de l’Ebola, un dels quals es una gran millora de la VSV-EBOV, ja que a part de la glicoproteïna també es sintetitza una VP40. Així, la vacuna està composta amb un virus molt atenuat i molt semblant al virus de l’Ebola.

Un cop s’està infectat pel virus de l’Ebola, l’únic tractament viable actualment és la utilització d’anticossos monoclonals i antivirals.

·

L’Ebola no desapareixerà, per tant, tots els coneixements que es puguin adquirir sobre ell seran un gran avantatge per prevenir i poder arribar a curar aquestes infeccions. 

 

BIBLIOGRAFIA

 

• Centre pel control  i prevenció de malalties (CDC, en anglès)
• MicroBio Blog.
• Visual Science. Poster educatiusobre l’Ebola (Disponible aquí)
• Imatge de portada: Janssen 

 

 

The mom’s microbiological present

During the gestation, the mothers bring all that necessary for thecorrect development of the baby. Did you know that also implies to microorganisms? For the good maturation of our intestines and immune system, we  need a contribution microbiological from mom. Enter and discover the different bacterial species  that gives us our mother in our first days of life.

STERILE PREGNACY?

For a long time it was believed that the uterus and amniotic sac that containing the fetus are a sterile place without any microbiological presence. Moreover, the mere presence of microorganisms was associated with a disease or a risk to the baby. So, it was believed that the fetus was conducted in a completely sterile environment during 40 weeks of gestation and came into first contact with some type of bacteria during birth.

Today, thanks to technological advances and genetic studies, it has been observed that this dogma was not true. Fetuses are in contact with bacteria throughout gestation. Generally it is non-pathogenic bacteria that are transmitted by the mother during pregnancy and after delivery.

Ultrasound of the placenta. In red are the bacterial communities, while in blue are observed them veins. (Image of Wolfgang Moroder)

This maternal microbiological transmission is a widespread phenomenon in many groups of the animal kingdom, such as Porifera, mollusks, arthropods and chordates. The presence of this phenomenon throughout the animal kingdom and the ease with which these organisms to reach the fetus, show that this transmission is a very old process and represents an evolutionary advantage to organisms.

Different organisms that maternal transmission has been observed. A) Pea Aphid (Acyrothosiphon pisum). b) Common chicken (Gallus gallus domesticus). c) Red Salmon (Oncorhynchus nerka) and d) River turtle Podocnemis expansa. (Image: Lisa Funkhouser).

TRANSMISSION ROUTES

There are different ways why does the mother get the baby the first bacterial communities. So the baby’s contact with his future microbiome is given for the first time through bacteria of the placenta. Then and during the delivery, some bacterial strains are transferred through the birth canal, skin and finally, through breast milk.

The differents transmission routes of microbiological communities. (Image: Lisa Funkhouser)

MICROBIOME OF THE PLACENTA

Is relatively recently,  that the presence of bacterial communities in this organ is known. Yet it is noteworthy that it is a small microbiome in terms of abundance. Generally, it is non-pathogenic microorganisms, but their variation could be related to common disorders in pregnancy such as premature births.

Initially it was believed that these bacterial communities would be related to the vaginal microbiota of the mother, but it has been observed that placental bacteria are more similar to those of the mother oral microbiota. According to research, the bacteria come from the mouth of the mother to the fetus through the bloodstream. So good oral health is essential for the proper development of the baby.

In the following diagram represent the main bacterial species identified in the human placenta. 

The major bacterial phyla observed in the placenta. Own image.

TRANSMISSION DURING CHILDBIRTH

As it is well known, during labor, a major transfer of bacteria occurs. Most of these bacteria are related to the vaginal and fecal microbiota of progenitor. During pregnancy, the vaginal microbiome of the mother varies and becomes less diverse, being more predominant the presence of bacteria such as Lactobacillus sp.

Still, it is noteworthy that this transmission will vary depending on the type of delivery, that is, babies born vaginally present similar microbiome to that of the vagina of the mother microbiota (Very rich in Lactobacillus sp., Prevotella sp., Bacteroides and Bifidobacterium sp.), while those born by Caesarean section present a more similar microbiome to the microbiota of breast skin, rich in Clostridium sp., Staphylococcus sp., Propionibacterium sp. and Corynebacterium sp.

The first baby’s microbiome depends on the type of chilbirth. In this diagram we can observe the differents bacterial communities that are involved in each one. (Own image)

SKIN CONTACT

As in other cases, skin with skin contact produces a transmission of microorganisms between two humans. In this case, it can be through the type of delivery (C-section), by contact with the external vulvar area of mother and by contact with the outer skin of his mother.

Some of the bacteria that are acquired at birth and are commonly in the skin of adult humans are Staphylococcus sp. Corynebacterium sp. and Propionibacterium sp.

MILK WITH BACTERIA

Another of the myths about esteril pregnancy was breast milk. Until recently it was thought that breast milk was sterile and bacteria that were in the samples were due to cross-contamination through the skin of the mother and the baby’s mouth. Today, thanks to the discovery of certain anaerobic bacteria, has concluded that the mother also provides certain bacterial communities by human milk.

There are a variety of microorganisms in milk and generally vary depending on the type of feeding and origin of the mother (See the different abundances of microorganisms in different mothers in the figure below). Still, it has been observed that during the early months of breastfeeding, breast milk is rich in Staphylococcus sp., Streptococcus sp. and Lactococcus sp.; while from six months of lactation milk is rich in typical microorganisms of the oral microbiota as Veillonella sp., Leptotrichia sp. and Prevotella sp.

Differences in the abundance of the bacterial species found in the breast milk of 16 analyzed subjects. (Image: Katherin Hunt)

Thus, it is expected that breastfed infants present a different intestinal and fecal microbiota than the artificialfed babys. These bacteria favor the baby against diarrhea, respiratory diseases and reduce the risk of obesity. BE CAREFULL! This does not mean that a child fed with artificial milk is worse than a breastfed, as many of these bacteria also can be purchased by other means.

·

All these bacterial transmissions by the mother let the baby start the maturation of their immune system and the development of good intestinal microbiota. Our mothers always give it best to us!

REFERENCES

• Hunt, Katherin. Characterization of the diversity and temporal stability of bacterial Communities in human milk. (Article in English)

• Grens, Kerry. The maternal Microbiome. (Article in English)

• Funkhouser, Lisa. Mom knows best: the universality of maternal microbial transmission. (Article in English)

• Cover image: Joanna Noguera Riobueno.

El regalo microbiológico de mamá

¿Sabías que para el correcto desarrollo de un bebé las madres le brindan algo más que nutrientes y elementos necesarios para su crecimiento? Exacto, nuestras madres nos entregan los primeros microorganismos necesarios para que nuestro sistema inmune y digestivo se desarrolle correctamente. En este articulo hablamos sobre este precioso micro-regalo. 

¿GESTACIÓN EN CONDICIONES ESTÉRILES?

Durante mucho tiempo se ha creído que el útero y el saco amniótico que contiene al feto es un lugar estéril sin ninguna presencia microbiológica. Es más, la simple presencia de microorganismos estaba asociada a alguna patología o un riesgo para el bebé. Así pues, se creía que el feto se desarrollaba en un ambiente completamente estéril durante las 40 semanas de gestación y entraba en contacto por primera vez con algún tipo de bacteria durante el parto.

Actualmente, gracias a los avances tecnológicos y los estudios genéticos, se ha observado que este dogma no era cierto. Los fetos están en contacto con bacterias durante toda la gestación. Generalmente se trata de bacterias no patógenas que son transmitidas por la madre durante el embarazo y después del parto.

Ecografía de la placenta. En color rojo se han coloreado las bacterias y en azul las venas. (Imagen de Wolfgang Moroder)

Esta transmisión microbiológica maternal es un fenómeno muy extendido en muchos grupos del reino animal, como por ejemplo poríferos, moluscos, artrópodos y cordados. La presencia de este fenómeno a lo largo del reino animal y la facilidad que tienen estos organismos para llegar al feto, muestran que esta transmisión es un proceso muy antiguo y supone una ventaja evolutiva para los organismos.

Ejemplos de animales en los que se ha observado la transmisión bacteriana maternal. A) Pulgón del guisante (Acyrothosiphon pisum), b) Gallina doméstica (Gallus gallus domesticus), c) Salmón rojo (Oncorhynchus nerka) y d) Tortuga de río Podocnemis expansa. (Imagen: Lisa Funkhouser).

VÍAS DE TRANSMISIÓN

Existen distintas vías por las que la madre hace llegar las primeras comunidades bacterianas al bebé. Así pues, el contacto del bebé con su futuro microbioma se da por primera vez a través de las bacterias de la placenta. A continuación y durante el parto, se transfieren algunas cepas bacterianas por el canal vaginal, la piel y finalmente, por la leche materna. 

Diferentes vías de trasmisión microbiológica maternal. (Imagen modificada de Lisa Funkhouser)

BACTERIAS DE LA PLACENTA

Hace relativamente poco que se conoce la presencia de comunidades bacterianas en este órgano. Aún así hay que destacar que se trata de un microbioma pequeño en términos de abundancia. Generalmente, se trata de microorganismos no patógenos, pero su variación podría estar relacionada con alteraciones comunes en el embarazo como por ejemplo los partos prematuros.

En un principio se creía que estas comunidades bacterianas estarían relacionadas con la microbiota vaginal de la progenitora, pero se ha observado que las bacterias de la placenta son más similares a las de la microbiota bucal de la madre. Según las investigaciones,  las bacterias llegarían de la boca de la madre al feto por el torrente sanguíneo. Así pues, una buena salud bucodental es esencial para el correcto desarrollo del bebé.

En el siguiente esquema se representan las principales especies bacterianas identificadas en la placenta humana.

Principales filos bacterianos que se pueden encontrar en la placenta humana. Imagen de elaboración propia.

TRANSMISIÓN DURANTE EL PARTO

Como bien se sabe, durante el parto, se produce una importante transmisión de bacterias. La mayoría de estas bacterias estan relacionadas con la microbiota vaginal y fecal de las progenitoras. Durante el embarazo, el microbioma vaginal de la madre varía y se hace menos diverso, siendo más predominante la presencia de bacterias como Lactobacillus sp.

Aún así, cabe destacar que esta transmisión variará en función del tipo de parto, es decir, los bebés nacidos por parto vaginal presentaran una microbiota similar a la de la vagina de la madre (muy rica en Lactobacillus sp., Prevotella sp., Bacteroides y Bifidobacterium sp.), mientras que los que nacen por cesárea presentaran una microbiota más parecida a la microbiota de la piel materna, rica en Clostridium sp., Staphylococcus sp., Propionobacterium sp. y Corynebacterium sp.

Variación de la microbiota neonatal en función del tipo de parto. Imagen de elaboración propia.

CONTACTO PIEL CON PIEL

Como en otros casos, el contacto piel con piel produce una gran transmisión de microorganismos entre los dos humanos. En este caso, puede ser a través del tipo de parto (cesárea), con el contacto con la zona vulvar externa de la madre y por el contacto con la piel exterior de su progenitora.

Algunas de las bacterias que se adquieren nada más nacer y se encuentran de forma común en la piel de los humanos adultos son Staphylococcus sp. Corynebacterium sp. y Propionobacterium sp.

LECHE MATERNA CON BACTERIAS

Otro de los mitos sobre la esterilidad del embarazo era el de la leche materna. Hasta hace relativamente poco se pensaba que la leche materna era estéril y que las bacterias que se encontraban en las muestras se debían a una contaminación cruzada por la piel de la madre y la boca del bebé. Actualmente, y gracias al descubrimiento de ciertas bacterias anaeróbicas, se ha llegado a la conclusión que la madre también aporta determinadas comunidades bacterianas por la leche materna.

Existe una gran variedad de microorganismos en la leche materna y generalmente, varían en función del tipo de alimentación y origen de la progenitora (ver las diferentes abundancias de microorganismos en diferentes madres en la figura siguiente). Aún así, se ha observado que durante los primeros meses de lactancia la leche materna es rica en Staphylococcus sp., Streptococcus sp. y Lactococcus sp.; mientras que a partir de los seis meses de lactancia la leche es rica en microorganismos típicos de la microbiota bucal como Veillonella sp., Leptotrichia sp. y Prevotella sp. 

Diferencias de abundancia de las especies bacterianas de la leche materna en 16 sujetos. (Imagen: Katherin Hunt)

Así pues, cabe esperar que los bebés alimentados con leche materna presenten una microbiota intestinal y fecal diferente a aquellos que son
alimentados con leche de fórmula. Estas bacterias favorecen al bebé frente a diarreas, enfermedades respiratorias y reducen el riesgo de obesidad. ¡Ojo! Esto no quiere decir que un niño alimentado con leche artificial sea peor que uno alimentado con leche materna, ya que muchas de estas bacterias también se pueden adquirir por las otras vías.

·

Todas estas transmisiones bacterianas por parte de la madre permiten al bebé iniciar la maduración de sus sistema inmune y al desarrollo de una buena microbiota intestinal. ¡Si es que como nos cuidan nuestras madres no lo hace nadie!

REFERENCIAS

• Hunt, Katherin. Characterization of the diversity and temporal stability of bacterial communities in human milk. (Artículo en inglés)
• Grens, Kerry. The maternal Microbiome. (Artículo en inglés)
• Funkhouser, Lisa. Mom knows best: the universality of maternal microbial transmission. (Articulo en inglés)
• Imagen de Portada: Joanna Noguera Riobueno.

El regal microbiològic de la mare

Les nostres mares sempre miren pel nostre bé, ens donen tot allò que tenen i més, però sabies que durant l’embaràs també ens aporten els microorganismes necessaris per un bon desenvolupament fetal? En aquesta ocasió parlarem d’aquests petits regals que ajuden a millorar i desenvolupar el nostre sistema immune. 

GESTACIÓ EN CONDICIONS ESTÈRILS: VERITAT O MITE?

Durant els darrers segles s’ha cregut que l’úter i el sac amniòtic on trobem el fetus són espais estèrils sense cap tipus de presència microbiològica. El simple fet de trobar algun  microorganisme estava associat a alguna patologia o perill per l’infant. Així, doncs, es creia que durant les 40 setmanes de gestació el fetus es trobava en un lloc estèril i que durant el part entrava en contacte per primera vegada amb algun tipus de bacteri.

Actualment, gràcies als avanços tecnològics i genètics, s’ha observat que aquest pensament era un mite. Els nens estan en contacte amb bacteris durant tota la gestació. Generalment es tracta de bacteris no patògens que són transmesos per la mare durant l’embaràs i el part.

Ecografia de la placenta. En vermell destaquen les comunitats bacterianes, mentre que de blau destaquen les venes. (Imatge de Wolfgang Moroder)

Aquesta transmissió microbiològica maternal es un fenomen molt estès al regne animal, com per exemple als porífers, mol·luscs, artròpodes i cordats. L’aparició d’aquest fenomen a diferents fílums animals i la facilitat que tenen aquests microorganismes per arribar a l’infant, són proves que demostren que aquesta transmissió és un procés antic i que suposa un avantatge evolutiu pels organismes. 

Exemples d’organismes en els quals s’ha estudiat la transmissió bacteriana maternal. A) Pugó pèsol (Acyrothosiphon pisum). b) Gallina domèstica (Gallus gallus domesticus). c) Salmó roig (Oncorhynchus nerka) i d) Tortuga de riu Podocnemis expansa. (Imatge: Lisa Funkhouser).

LES  VIES DE TRANSMISSIÓ

Existeixen diferents vies de transmissió per les quals els bacteris arriben a l’infant. Per exemple, el primer contacte del fetus amb el seu futur microbioma es dóna a través dels bacteris que hi ha a la placenta. A continuació, durant el part, es transfereixen més bacteris a través del canal vaginal i el primer contacte amb la pell materna. Finalment, la darrera via que trobem és la lactància materna.

Diferents vies de transmissió microbiològica maternal. (Imatge modificada de Lisa Funkhouser)

BACTERIS DE LA PLACENTA

Fa relativament poc que es coneix la presència de comunitats bacterianes a aquest òrgan. Tot i així, s’ha de destacar que es tracta d’un microbioma petit, és a dir, no és molt abundant. Generalment, es tracta de microorganismes no patògens, però la seva variació podria estar relacionada amb alteracions comunes de l’embaràs, com per exemple els parts prematurs.

En un principi es creia que aquestes comunitats bacterianes estarien relacionades amb la microbiota vaginal de la mare, però s’ha observat que els bacteris que trobem a la placenta són més semblants als bacteris de la microbiota bucal materna. Segons les investigacions, els bacteris bucals arribarien al fetus pel torrent sanguini. Així, doncs, una bona salut bucodental és essencial pel bon desenvolupament de l’infant.

Al següent esquema es representen els principals fílums bacterians que s’han identificat a la placenta humana.

Principals fílums bacterians que es troben a la placenta humana. (Imatge d’elaboració pròpia).

TRANSMISSIÓ DURANT EL PART

Com ja sabem, durant el part es produeix una important transmissió de bacteris. La majoria d’aquests estan relacionats amb la microbiota vaginal i fecal de la mare. Durant la gestació, el microbioma vaginal de la mare va canviant i es fa menys divers, afavorint les comunitats de Lactobacillus sp.

Tot i això, cal destacar que aquesta transmissió varia en funció del tipus de part, és a dir, els nadons nascuts per part vaginal presenten una microbiota similar a la de la vagina de la mare (molt rica en Lactobacillus sp., Prevotella sp., Bacteroides i Bifidobacterium sp.), mentre que els nadons que neixen per cesària presenten unes comunitats bacterianes semblants a la microbiota de la pell materna, rica en Clostridium sp., Staphylococcus sp., Propionobacterium sp. i Corynebacterium sp. 

Variació de la microbiota neonatal en funció del tipus de part. Elaboració pròpia.

CONTACTE PELL AMB PELL

Com en els altres casos, el contacte pell amb pell produeix una gran transmissió de microorganismes entre els dos. En aquest cas, pot ser a través del part i pel contacte amb la pell exterior de la seva mare.

Alguns bacteris que s’adquireixen tot just al néixer i es troben normalment a la pell dels humans adults són Staphylococcus sp., Corynebacterium sp. i Propionobacterium sp. 

LLET MATERNA AMB BACTERIS

Un altre gran mite sobre l’esterilitat durant l’embaràs era el de la llet materna. Fins fa poc temps relativament, es pensava que la llet materna era estèril i que els bacteris que es trobaven a aquest fluid eren causats per una contaminació creuada per la microbiota de la pell de la mare. Actualment, i gràcies al descobriment de determinats bacteris anaeròbics, s’ha arribat a la conclusió que la mare aporta determinats microorganismes a través de la llet.

Existeix una gran varietat de microorganismes a la llet materna i generalment, aquests varien en funció del tipus d’alimentació i origen de les mares (es poden veure les diferencies en abundància de microorganismes de diferents mares al gràfic següent). Tot i això, s’ha observat que durant els primers mesos de lactància, la llet materna és rica en Staphylococcus sp., Streptococcus sp.i Lactococcus sp; mentre que a partir dels sis mesos de lactància, la llet és rica en microorganismes típics de la microbiota bucal com Veillonella sp., Leptotrichia sp. i Prevotella sp.

Diferències d’abundància de les diferents espècies bacterianes presents a la llet materna. (Imatge: Katherin Hunt)

Així, doncs, cal esperar que els nadons alimentats amb llet materna presentin una microbiota intestinal i fecal diferent d’aquells que són alimentats amb llet artificial. Aquests bacteris afavoreixen al nadó i el protegeixen front diarrees, malalties respiratòries i redueixen el risc de patir obesitat. Cal remarcar que això no significa que un nen alimentat amb llet artificial estigui pitjor alimentat o sa que un nen alimentat amb llet materna, ja que molts bacteris els poden adquirir per altres vies.

·

Totes aquestes transmissions bacterianes maternals permeten al nadó iniciar el procés de maduració del seu sistema immunitari i al bon desenvolupament de la seva microbiota intestinal. Ja ho diuen ja, que lesmares tenen molta cura de tots nosaltres, mare només n’hi ha una! 

 

REFERÈNCIES

• Hunt, Katherin. Characterization of the diversity and temporal stability of bacterial communities in human milk. (Article en anglès)
• Grens, Kerry. The maternal Microbiome. (Article en anglès)
• Funkhouser, Lisa. Mom knows best: the universality of maternal microbial transmission. (Article en anglès)
• Imagen de Portada: Joanna Noguera Riobueno.

Basic microbiology (II):thousands of bacterial forms

Imagine a bacterium. What image has come to your mind? You have possibly thought of elongated like a Bacillus, type E. coli bacteria or into a small ball. For years, we have associated the bacterial morphology to a few basic shapes, but there are a multitude of forms in the environment. Discover them in the second chapter of Basic Microbiology!

BACTERIAL SHAPES

Microorganisms represent a very varied group of organisms invisible to the naked eye. In the previous chapter previous chapter of this article collection we talk about the microbe’s size and in this second chapter of basic microbiology we are going to talk about the different morphologies or forms that exist of the group bacteria and the archaea group (extremophile bacteria).

Usually, when we started the trip in the bacterial world, found that bacteria have a series of basic shapes: coccus (spherical or berry), bacillus (shaped) and spirillum (coiled), as well as its aggregations. These are formed by the union of the cells after division. For example, there are species that are pairs of cocci (known as diplococci), others form long chains of cocci (such as Streptococcus sp.), others are arranged in three-dimensional cubic groupings (like Sarcina sp.) and others formed structures like clusters of grapes (Staphylococcus sp.).

Cocci and its aggregations (Image: Aula virtual).

In the case of rod-shaped bacteria, we can find also different groups such as the diplobacillus or the streptobacillus (such as for example Bacillus cereus). Apart we can find many variations of bacillus: there are shorter and more rounded (numerous coccobacillus, as it would be the case of Yersinia pestis), there are Pleomorphic (who have one or more forms depending on the phase of the cell cycle), finished in tip (as for example Epulopiscium fishelsoni), curved or crooked.

Rod shaped bacteria and its aggregation (image: Aula Virtual)

 

Finally, the spiral shapes appear as it would be the case of the vibrios (in the form of comma, as Vibrio cholerae), the spirils (as Rhodospirillium rubrum) or spirochaetes (Spirochaeta stenostrepta).

Spiral bacteria (Image: Aula Virtual).

 

But why morphology is generalized to these forms?

Should be remember that it microbiology always had been a medical discipline and these forms are the more recurrent in the pathogenic bacteria. Now, with the rise of Microbiology, it has been observed that in the environment there is a huge variety of different morphologies, some much more complex that is known so far. The following graphic is result of an elaborate study of David T. Kysela and shows the true morphological variety that exists in the bacterial world.

Differents bacterial morphologies around the Philogenetic tree (Image: David T. Kysela)

FEW EXAMPLES

Some individual bacteria present peculiar structures, as for example stretching narrow known as prostheca. This would be the case of Caulobacter sp. and Hyphomicrobium sp. These stretching allow to anchor the bacterium to a solid surface. There are bacteria that can also present stems, spines, or tips.

Hyphomicrobium sp. with their prostheca (Image: Holm Niels)

Other bacteria have unusual shapes. For example, Halophyte bacteria (that support high levels of salt concentration) like Stella sp. and Haloquadratum sp. Form a very odd aggregation. The first has a star shape and second rectangular shape.

Diagram of the characteristic shape of Stella vacuolata (a) and Haloquadratum walsbyi (b). (Image: Aula virtual).

Haloarcula japonica is an individual halophyte bacteria as the previous ones, presenting a very striking morphology. As we can see in the first section of the image, in certain stages of the cell cycle has a triangular shape. On the other hand, Pyrodictium abyssi (b) presents one of the most striking morphologies, since it has the form of a  “y”letter.

a) Haloarcula japonica (Image: Nite) b) Pyrodictium abyssi (Image: Benjamin Cummings)

Also, there are very characteristics bacterial associations, as for example long chains of organisms that give an aspect of filamentous bacteria. This is the case of the bacterial phylum known as Chloroflexi, where green sulfur bacteria like Chloroflexus sp. are classified (b). Another very striking grouping are the palisades. These are characterized by bacterial rods with vertical connections. A well-known example is the case of Simonsiella muelleri (b).

a) Microphotography of Chloroflexus sp. (Image: JGI Genome Portal). b) Scanner microphotography of Simonsiella sp. (Image: J. Pangborn)

In some cases, there are bacteria that do not have a definite shape or this may vary throughout the cell cycle. In this case, we speak of technically known as Pleomorphic bacteria. Corynebacterium sp. and Rhizobium sp. are good examples of this type of morphology.

DETERMINED BY THE GENOME

The form or morphology that presents the different bacteria is determined by its genome. This fact, and the great diversity of morphologies in different environments, suggest that this feature has an adaptive value and that have been produced by selective forces.

In general, the morphological features are attributed to environmental events as for example the limitation of nutrients, reproduction, dispersion, evasion of a predator or detection of the guest. In the case of filamentous bacteria, they presented a better buoyancy in liquid media and are more difficult to digest by protists. Helical bacteria move easiest in viscous media, while a spherical bacterium or cocci is ideal for the diffusion of nutrients (because it increases the surface/volume ratio).

So, expect that same morphology may appear by convergence in different lineages (that do not have a common ancestor), i.e. that shape is an adaptation to a given environment. For example, before, bacteria that have prostheca were grouped into a single genre known as Prosthecomicrobium, but thanks to genetic studies, this genus has been divided in three different genres. The surprise came when noted that each one of these genera was more similar to a gender without prostheca that between them, i.e., not were related phylogenetically. Simply these species have developed the same system of adaptation to the environment.

However, there are also remember that there are morphological characteristics that are inherited from a common ancestor and are preserved because it is useful for the life of the microbe.

·

As well as increase the knowledge in the microbial world and genetic techniques, we will discover more facts about these tiny organisms.

REFERENCES

• Brock, microbe Biology. Madigan. Ed. Pearson.
• Microbiology Introduction. Tortora. Ed. Panamericana. (Free access in spanish here)
• David, T. Kysela. Diversity takes shape: understanding the mechanistic and adaptative basis of bacterial morphology. PLOS Biology. (Free access)
• Kevin D. Young. The Selective Value of Bacterial Shape. Microbiology and Molecular Biology Reviews. (Free access)
• Kevin D. Young. Bacterial morphology: why have different shapes? Current Opinion in Microbiology. (Free access)
• Cover Photo: Escuela y Ciencia.

  

Microbiologia bàsica (II): Bacteris de mil i una forma

Imagina’t un bacteri. Quina imatge has pensat? Potser has pensat amb un bacteri de forma allargada, com E.coli? O potser has pensat en una esfera petita? Durant anys, hem associat la forma dels bacteris a diverses morfologies bàsiques, però a la natura podem trobar moltes formes més. Endavant, descobreix les més interessants amb nosaltres!

MIL I UNA FORMA BACTERIANES

Com bé sabem, els microorganismes representen un grup molt gran d’organismes invisibles a l’ull humà. Al darrer capítol sobre microbiologia bàsica parlarem de la mida d’aquests éssers i avui, parlarem sobre les diferents formes morfològiques que podem trobar al grup dels Bacteris (incloent-hi les Arqueas o bacteris extremòfils).

Generalment, quan iniciem el viatge pel món bacterià se’ns presenten tres morfologies bàsiques: el coc (de forma esfèrica), el bacil (en forma de bastó) i l’espiril (en espiral), i també les seves agregacions. Aquestes darreres es formen mitjançant la unió de les cèl·lules filles després de la divisió, és a dir, no s’arriben a separar. Per exemple, hi ha espècies que formen agregacions de dos cocs (diplococs), altres formen llargues cadenes (com seria el cas dels Streptococcus sp.), altres es disposen en agrupacions cúbiques tridimensionals (com Sarcina sp.) o formen estructures irregulars i en totes les dimensions, com si fossin un grell de raïm (com ara Stahpylococcus sp.).

Diferents agrupacions de cocs. (Imatge: Aula virtual).

Respecte als bacils, podem trobar també diferents agrupacions com els diplobacils o els estreptobacils (cadenes de bacils com per exemple Bacillus cereus). A part, es poden identificar variacions dels bacils més simples: n’hi ha de curs i redons (coneguts com a cocobacils, per exemple Yersinia pestis), n’hi ha de pleomòrfics (és a dir, tenen una o més formes en funció de la fase del cicle cel·lular), n’hi ha d’acabats en punta (com Epulopiscium fishelsoni), corbats o torts.

Diferents agrupacions i variacions dels bacils (imatge: Aula Virtual)

Finalment, trobem les formes tortes o en forma d’espiral com seria el cas dels vibrios ( en forma de coma, com Vibrio cholerae), els espirils (com Rhodospirillium rubrum) i les espiroquetes (en forma de llevataps, com  Spirochaeta stenostrepta).

Formes espiralades o helocoïdals (Imatge: Aula Virtual).

Però, per què si existeixen més morfologies a la natura, només ens parlen d’aquestes més bàsiques?

Cal recordar que durant gairebé tota la història, la microbiologia ha estat una disciplina mèdica i aquestes formes bàsiques són les que trobem majoritàriament als bacteris patògens. Actualment, com la microbiologia estudia ambients més amplis s’ha observat que hi ha una gran varietat de formes diferents, algunes molt més complexes del que es pensava. Al gràfic filogenètic següent, podem observar les formes que presenten els diferents fílums bacterians.

Diferents morfologies que podem trobar als fílums bacterians (Imatge: David T. Kysela)

ALGUNS EXEMPLES

Hi ha bacteris individuals que presenten estructures molt curioses, com per exemple elongacions estretes conegudes tècnicament com a prosteques. Caulobacter sp. i Hyphomicrobium sp. són exemples molt clars d’aquest tipus de cèl·lules. Aquestes estructures permeten als organismes aferrar-se a una superfície sòlida. En altres casos, també podem trobar bacteris amb  espines o puntes.

Bacteri de l’espècie Hyphomicrobium sp. amb la seva característica elongació o prosteca. (Imatge: Holm Niels)

Altres bacteris presenten formes més peculiars i variades. Per exemple, els bacteris halòfils (que poden sobreviure en ambients amb elevades concentracions salines) de les espècies Stella sp. i Haloquadratum sp. formen agregacions molt característiques: la primera ho fa en forma d’estrella i la segona en forma de rectangle.

Forma característica de Stella vacuolata (a) i Haloquadratum walsbyi (b). (Imatge: Aula virtual).

Haloarcula japonica és un bacteri halòfil (com les anteriors) que presenta una morfologia curiosa: és triangular. Per altra banda, tenim a Pyrodictium abyssi amb la seva forma característica: forma de i grega.

a) Haloarcula japonica (Imatge: Nite) b) Pyrodictium abyssi (Imatge: Benjamin Cummings)

En el cas de les agrupacions, també trobem alguns exemples molt curiosos. Per exemple, existeixen bacteris filamentosos que formen llargues cadenes d’individus, com seria el cas del fílum bacterià Chloroflexi, on trobem els bacteris verds del sofre Chloroflexus sp. Una altra espècie que té una morfologia molt interessant és Simonsiella muelleri. Aquestes estructures es formen per la unió vertical dels bacils.

a) Microfotografia d’una colònia de Chloroflexus sp. (Imatge: JGI Genome Portal). b) Microfotografia d’escàner de Simonsiella sp. (Imatge: J. Pangborn)

Com ja hem dit abans, hi ha certs casos de bacteris que no presenten una forma definida o aquesta pot variar al llarg del cicle cel·lular. En aquest cas parlem de bacteris pleomòrfiques. Aquesta característica la presenten bacteris de l’espècie Corynebacterium sp. i Rhizobium sp.

EL GENOMA MANA

La morfologia que presenten els diferents bacteris ve determinada pel genoma de l’individu. Aquest fet, juntament amb la gran diversitat de formes descobertes, suggereixen que aquesta característica té un determinat valor adaptatiu i que s’ha produït com a resultat de la pressió per diverses forces selectives.

En general, les característiques morfològiques s’atribueixen a factors ambientals com per exemple la limitació dels nutrients, la reproducció, la dispersió, difusió de nutrients, evasió d’un depredador o detecció d’un hostatger. Per exemple en el cas dels bacteris filamentosos, aquests presenten una millor capacitat de surar al medi líquid i són més difícils de digerir per protozous. Els bacteris helicoïdals o espirals tenen una millor mobilitat en ambients viscosos, mentre que un bacteri de forma esfèrica és ideal per la difusió dels nutrients, ja que augmenta la relació superfície/volum.

Així, doncs, una mateixa morfologia pot aparèixer per convergència a llinatges bacterians diferents (és a dir, que no tenen un avantpassat comú). Per tant, això significa que la forma ha estat adquirida com a adaptació a unes condicions determinades de l’ambient. Per exemple, abans els bacteris que presenten prosteca s’agrupaven a dins un mateix gènere conegut com a Prosthecomicrobium, però gràcies als estudis genètics es va separar en tres gèneres diferents. Van observar també, que aquests nous gèneres tenien més semblances amb gèneres de bacteris fora prosteca que entre ells. Això significava que no estaven relacionats filogenèticament, però que els tres havien adquirit la prosteca de forma independent com a resultat d’una adaptació al medi.

També hi ha grups bacterians que comparteixen una mateixa característica morfològica per què l’han heretada d’un avantpassat comú i la mantenen per què és útil en les condicions ambientals que viuen.

·

A mesura que augmentin els coneixements sobre el món microbià, anirem descobrint més i més curiositats sobre aquests fascinants éssers. No us ho podeu perdre!

REFERÈNCIES

• Brock, Biología de los Microorganismos. Madigan. Ed. Pearson. (Castellà)
• Introducción a la Microbiología. Tortora. Ed. Panamericana. (Disponible en castellà aquí)
• David, T. Kysela. Diversity takes shape: understanding the mechanistic and adaptative basis of bacterial morphology. PLOS Biology. (Article en anglès aquí).
• Kevin D. Young. The Selective Value of Bacterial Shape. Microbiology and Molecular Biology Reviews. (Article en anglès aquí).
• Kevin D. Young. Bacterial morphology: why have different shapes? Current Opinion in Microbiology. (Article en anglès aquí).
• Imatge de portada: Escuela y Ciencia. 

Microbiología básica (II): mil y una formas bacterianas

Imagina una bacteria. ¿Que imagen ha venido a tu mente? Posiblemente hayas pensado en una bacteria alargada en forma de bacilo, tipo E.coli o en una pequeña esfera. Durante años, hemos asociado la forma de las bacterias a varias morfologías generales, pero en el ambiente existen una gran multitud de formas. ¡Descúbrelas en el segundo capítulo de Microbiología básica! 

MIL Y UNA FORMAS BACTERIANAS

Los microorganismos representan un grupo de organismos invisibles a simple vista muy variados. En el anterior capitulo de esta colección de artículos hablamos sobre el tamaño de los diferentes microorganismos y en este segundo capítulo de microbiología básica hablaremos sobre las diferentes morfologías o formas que existen del grupo Bacteria y el grupo Arquea (Bacterias extremófilas).

Generalmente, cuando empezamos el viaje en el mundo bacteriano nos presentan una serie de morfologías básicas: el coco (de forma esférica o de baya), el bacilo (en forma de bastón) y el espirilo (en espiral), así como sus agregaciones. Estas últimas, se forman mediante la unión de las células tras la división. Por ejemplo, hay especies que forman parejas de cocos (conocidos como diplococos), otros forman largas cadenas de cocos (como Streptococcus sp.), otros se disponen en agrupaciones cúbicas tridimensionales (como Sarcina sp) y otros forman estructuras como racimos de uvas (Staphylococcus sp).

Diferentes agrupaciones de cocos. (Imagen: Aula virtual).

En el caso de los bacilos, podemos encontrar también diferentes agrupaciones como los diplobacilos o los estreptobacilos (como por ejemplo Bacillus cereus). Aparte podemos encontrar muchas variaciones de los bacilos: los hay cortos y más redondeados (los cocobacilos, como seria el caso de Yersinia pestis), los hay pleomórficos (que tienen una o más formas dependiendo de la fase del ciclo celular), acabados en punta (como por ejemplo Epulopiscium fishelsoni), curvados o torcidos.

Diferentes agrupaciones y variaciones de los bacilos (Imagen: Aula Virtual)

Finalmente, aparecen las formas torcidas o espiraladas como seria el caso de los vibrios (en forma de coma, como Vibrio cholerae), los espirilos (como Rhodospirillium rubrum) o las espiroquetas (en forma de sacacorcho, como Spirochaeta stenostrepta).

Formas torcidas y espiraladas bacterianas (Imagen: Aula Virtual).

¿Pero, por qué se generaliza la morfología a estas formas?

Esto se debe a que la microbiología siempre había sido una disciplina médica y estas formas son las más recurrentes en las bacterias patógenas. Actualmente, con el auge de la microbiología se ha observado que en el ambiente existe una inmensa diversidad de morfologías diferentes, algunas mucho más complejas de las que se conocían hasta el momento. El siguiente gráfico es resultado de un elaborado estudio de David T. Kysela y muestra la verdadera variedad morfológica que existe en el mundo bacteriano.

Diferentes morfologías del grupo Bacteria (Imagen: David T. Kysela)

EJEMPLOS CURIOSOS

Algunas bacterias individuales presentan estructuras peculiares, como por ejemplo elongaciones estrechas conocidas como prosteca. Este seria el caso de Caulobacter sp. y Hyphomicrobium sp. Estas elongaciones permiten a la bacteria anclarse a un medio sólido. Hay bacterias que también pueden presentar tallos, espinas o puntas.

Bacteria de la especie Hyphomicrobium sp. con su característica prosteca. (Imagen: Holm Niels)

Otras bacterias presentan formas poco usuales y muy variadas. Por ejemplo, las bacterias halófitas (que soportan elevados niveles de concentración salina) de las especies Stella sp. y Haloquadratum sp. forman agregaciones muy características. La primera tiene forma de estrella y la segunda forma rectangular.

 

Formas características de Stella vacuolata (a) y Haloquadratum walsbyi (b). (Imagen: Aula virtual).

Haloarcula japonica es una bacteria individual halófita como las anteriores que presenta una morfología muy llamativa. Como podemos ver en la primera sección de la imagen (a), en ciertos estadios de su ciclo celular presenta una forma triangular. Por otro lado, Pyrodictium abyssi (b) presenta una de las morfologías más llamativas, ya que tiene la forma de una i griega.

a) Haloarcula japonica (Imagen: Nite) b) Pyrodictium abyssi (Imagen: Benjamin Cummings)

También existen agrupaciones bacterianas muy características, como por ejemplo largas cadenas de organismos que dan un aspecto de bacteria filamentosa. Este es el caso del filo bacteriano conocido como Chloroflexi, donde se clasifican bacterias verdes del azufre como Chloroflexus sp. (b). Otra agrupación muy llamativa son las empalizadas. Estas se caracterizan por ser uniones entre bacterias, por ejemplo bacilos, de forma vertical. Un ejemplo muy conocido es el caso de Simonsiella muelleri (b).

a) Microfotografía de una colonia de Chloroflexus sp. (Imagen: JGI Genome Portal). b) Microfotografía de escáner de Simonsiella sp. (Imagen: J. Pangborn)

En ciertos casos, hay bacterias que no presentan una forma definida o esta puede variar a lo largo de su ciclo celular. En este caso hablamos de bacterias técnicamente conocidas como pleomórficas. Corynebacterium sp. y Rhizobium sp. son genéticamente pleomórficas y buenos ejemplos de este tipo de morfología.

DETERMINADO  POR EL GENOMA

La forma o morfología que presentan las diferentes bacterias viene determinada por su genoma. Este hecho, y la gran diversidad de morfologías en diferentes ambientes, sugieren que esta característica tiene un valor adaptativo y que han sido producidas por fuerzas selectivas.

En general, las características morfológicas se atribuyen a eventos ambientales como por ejemplo la limitación de nutrientes, reproducción, dispersión, evasión de un depredador o detección del huésped. En el caso de las bacterias filamentosas, estas presentan una mejor flotabilidad en medios líquidos y son más difíciles de digerir por protistas. Las bacterias helicoidales se mueven de forma más fácil en medios viscosos, mientras que una bacteria esférica o coco es ideal para la difusión de nutrientes (ya que aumenta la relación superficie/volumen).

Así pues, cabe esperar que una misma morfología pueda aparecer por convergencia en linajes diferentes (que no tienen un antepasado común), es decir, esa forma es una adaptación a un determinado medio. Por ejemplo, las bacterias que presentan prosteca antes se agrupaban en un solo género conocido como Prosthecomicrobium, pero gracias a los estudios genéticos, este género se ha dividido en tres géneros diferentes. La sorpresa llegó cuando observaron que cada uno de estos géneros era más parecido a un género sin prosteca que entre ellos, es decir, no estaban relacionados filogenéticamente. Simplemente estas especies han desarrollado el mismo sistema para anclarse fácilmente.

Sin embargo, también hay que recordar que existen características morfológicas que se heredan de un ancestro común y al ser útiles para la vida del microorganismo se conservan.

·

¡No nos engañemos! A medida que aumente el conocimiento en el mundo microbiano y las técnicas genéticas, iremos descubriendo mil y una curiosidades más sobre estos pequeños organismos. 

REFERENCIAS

• Brock, Biología de los Microorganismos. Madigan. Ed. Pearson.
• Introducción a la Microbiología. Tortora. Ed. Panamericana. (Disponible en español aquí)
• David, T. Kysela. Diversity takes shape: understanding the mechanistic and adaptative basis of bacterial morphology. PLOS Biology. (Artículo en inglés).
• Kevin D. Young. The Selective Value of Bacterial Shape. Microbiology and Molecular Biology Reviews. (Artículo en inglés).
• Kevin D. Young. Bacterial morphology: why have different shapes? Current Opinion in Microbiology. (Artículo en Inglés).
• Foto de portada: Escuela y Ciencia.

Why did change the water colour?

In August of 2016, the news of a green pool at the Olympic Games in Riode Janeiro was published in all media. Everyone was shocked and spokeon the topic, but this phenomenon occurs in nature more often than wethink, for example in  lake Urmia (Iran), lake Clicos (Lanzarote), Lake Hilier (Australia), etc. Would you like to know the reason for these changes?

THE CONCEPT OF EUTROPHICATION

We have heard speak so much about the surprising pool’s colour change of them Games Olympic, but do you know the scientific explanation to this effect?

The Rio 2016 Olympic Games pool. The color change was apparent and caused by the proliferation of microscopic algae. (Image: Verne. El País).

This phenomenon of change of color  is very common in the nature. It is the eutrophication of  water. This concept makes reference to the proliferation of organisms due to an increase in the concentration of nutrients in water. So understand it easily: an increase of food occurs in water and  resulting in a rise in organisms which modify the characteristics of the water such as color, turbulence, etc.

In water bodies like lakes or swimming pools, this phenomenon is more commonly, but in sea also appear this blooms of organisms (above all phytoplacton).

Example of eutrophication by algae in a lake. (Image: Radio wtcv)

The main nutrients that influence the eutrophication of lakes are the limiting factors nitrogen and phosphorus. In bodies of sweet water this last is determinant, while in salted water the nitrogen tends to be the limiting factor. A increase of these nutrient’s concentrations  begins the process of eutrophication and proliferation of photosintetic organisms (mostly microalgae and  photosynthetic bacteria as cyanobacteria or archaebacteria as the Holobacterias).

When a lake receive excessive nutrients, all the trophic structure  can change very quickly. Water is too fertilized and photosynthetic organisms proliferate causing an algae or microorganisms bloom.

Basic diagram of eutrophication (Image: Sachink Biology)

Normally, we speak of  microalgae (phytoplankton) and cyanobacteria blooms, but in certain cases, when the change of nutrients is more drastic (that affects to the composition or chemical characteristics of  water) we can speak of the proliferation of bacteria and Archaea. For example in lake Urmia (Iran), proliferate exponentially the Halobacteria that support large saline concentrations. Due to the low rainfall and continuous extraction ofwater for agriculture, water becomes more salty and impede the life of the majority of organisms and favouring the blooms of the more specialized, as Halobacteria. The red pigmentation arises by the presence of a pigment known as bacteriorhodopsin.

Satellite image of lake Urmia (Iran). The change of color is produced by proliferation of bacteria of the family Halobacteriaceae. (Image: La Vanguardia)

The example of Rio’s pool shows the initial stages  of algae bloom. Some lakes, however, are in more advanced stages of eutrophication, as it would be the case of the Clicos Lake in Lanzarote. In this Lake proliferate exponentially the  Ruppia maritima algae.

Photograph of the Clicos Lake in Lanzarote. (Image: National Geographic)

NATURALANDANTHROPOGENIC EUTROPHICATION

Natural eutrophication process is highly regulated, since it tends to a balance between the inputs (precipitation, runoff, erosion…) and outputs of nutrients. There are three trophic states trophic in lakes: the oligotrophic, the mesotrophic and the eutrophic, depending on certain characteristics of water such as the concentration of nutrients and oxygen, its turbulence, the primary production etc. These states marke ‘age’ of lakes, i.e., a young lake will be oligrotrophic while one older will tend to eutrophication.In the following table we find some differences between these threetrophic states:

Table with some differences between the different trophic states.

The ecosystems natural present resilience, i.e., capacity to return to the normal state after a sudden disturbance. Even so, with time, the ancient lakes tend to accumulate sediments and organic remains,making finally the Lake in a swamp. This process can last thousands of years.

The anthropogenic eutrophication makes reference to one type of eutrophication caused by humans. Waste water, waters rich in fertilizers and other types of pollution are the main causes of this type of eutrophication. The ecosystem is not capable of eliminating as many nutrients in a balanced way and they tend to accumulate. In this case, the process lasts much less that the natural: as only some decades are sufficient.

Comparison between the two types of eutrophication. (Image: New Brunswick, Canadá).

THE BEGINNING OF THE END

The eutrophication, however, mark the beginning of the death of ecosystem. But, how?

The increase in nutrient concentrations produces an increase in the proliferation of aquatic plants and algae carried out photosynthesis. Therefore an organism bloom occurs and causes the formation of a barrier in the water. In the surface, the concentration of oxygen is maintained while in deep areas, where the light not penetrates with ease, is produces an increase of aerobic breathing  and decreases the photosynthesis. This process of oxigen consumption  causes that every time has less concentration of this gas and the medium is again anoxic.With enough oxygen, species before peacefully living in the Lake, now will disappear.

In the diagram you can see the barrier created by the proliferation of algae, leaving the deeper areas in a dark environment without oxygen. (Modified image from SPE International)

On the other hand, a high biological activity  implies a decrease of the dissolution of certain nutrients in the water, causing a change in the pH and salinity of this, conditioning seriously also the habitability of these waters and favoring the proliferation of extremophiles. In addition, the presence of certain algae suppose  the production of toxins that affect negatively to the lake’s native populations  The main toxic cyanobacteria that tend to proliferate easily are Anabaena sp, Cylindrospermopsis sp., Microcystis sp. and Oscillatoria sp. This implies a great loss in the diversity of the area.

Comparison of diversity in a oligotrophic lake and eutrophic one. (Image: Madrid+d)

Finally, the organic remains of dead organisms accumulate at thebottom of thelake, thus increasing the sediment layer. By time, the volume of water has been reduced significantly,turning the place into a swamp.

·

As in the majority of cases, the actions of the man have serious consequences in the environment. We must avoid the pollution or will lose the great diversity that surrounds us.

REFERENCES

• Eutrofización. Nestor Mazzeo. (PDF, spanish)
• Personal notes, Biology degree at UIB.

• Eutrophication: Causes, Consequences, and Controls in Aquatic Ecosystems. Michael Chislock. Available  here .

• Cover photo: Axena.

 

Per què canvien de color els llacs?

Una de les notícies més comentades dels Jocs olímpics que tingueren lloc el passat Agost a Rio de Janeiro va ser la d’una piscina que va canviar de color. Tothom va comentar aquella sorprenent imatge, però cal destacar que aquest fenomen té lloc a la natura més vegades del que ens pensem: al llac Urmía (Iran), al Llac de Clicos a Lanzarote, etc. Anem, doncs, a descobrir per què canvien de color les aigües. 

QUE ES LA EUTROFITZACIÓ?

El 10 d’agost del 2016, durant els jocs olímpics de Rio de Janeiro, els mitjans de comunicació es fan ressò d’un fet sorprenent: una de les piscines ha canviat de color! L’aigua s’havia tornat de color verd, però, per què?

Piscina dels Jocs Olímpics de Rio del 2016. L’aigua va tornar de color verd per la proliferació massiva d’algues microscòpiques. (Imatge: Verne. El País).

Els canvis de coloració de l’aigua són una de les característiques del procés d’eutrofització, un fenomen molt comú a la natura. Es tracta d’un augment en la densitat poblacional dels productors primaris de l’aigua per un augment exponencial de la concentració de nutrients. En poques paraules, és un augment del nombre d’organismes que viuen a l’aigua a causa d’un increment en la quantitat d’aliments. Aquesta proliferació d’organismes condicionen les característiques pròpies de l’aigua.

Aquest fenomen es pot donar en qualsevol tipus d’aigua, però es dóna amb major facilitat als cossos d’aigua tancats, com ara llacs, piscines, etc.

Exemple del procés d’eutrofització a un llac. (Imatge: Radio wtcv)

El nitrogen i el fòsfor són els principals nutrients relacionats amb el procés d’eutrofització, ja que normalment actuen com a factors limitants. A l’aigua dolça exerceix una major pressió la concentració de fòsfor, mentre que a l’aigua salada el nitrogen és el principal factor limitant. Un augment en la concentració d’algun d’aquests nutrients inicia el procés d’eutrofització amb la proliferació de productors primaris. Aquests darrers són  majoritàriament fitoplàncton (microalgues), bacteris i en certs casos, arqueas.

En aquests cossos d’aigua tancats, l’equilibri  natural del cicle de nutrients es pertorba amb molta facilitat. Quan es produeix la inserció de nutrients de forma excessiva, tota l’estructura tròfica pot canviar radicalment. En aquests casos, l’aigua es sobrefertilitza i els organismes fotosintètics creixen de forma descontrolada, sobretot les algues i els microorganismes.

Diagrama bàsic del procés d’eutrofització (Imatge: Verdezona)

Els principals organismes que protagonitzen aquestes explosions demogràfiques són microalgues (fitoplàncton) i bacteris fotosintètics, però quan el canvi és tan dràstic que canvia molt significativament les condicions fisicoquímiques de l’aigua poden arribar a proliferar les arqueas. Un exemple molt interessant és el del Llac Urmía a Iran. Aquest llac sofreix un augment dràstic de la concentració salina provocant un increment en la densitat poblacional d’Halobacteris, un grup d’arqueas halòfiles. Aquest fet es veu agreujat per la poca pluja i l’extracció continuada d’aigua per a l’agricultura local.  El llac adquireix un color vermell sang per la presència d’un pigment fotosintètic especial conegut com a bacteriorodopsina.

Imatge de satèl·lit del Llac Urmía (Iran). El canvi dràstic de color es deu a l’explosió demogràfica de bacteris de la familia Halobacteriaceae. (Imatge: La Vanguardia)

El cas de la piscina verda dels Jocs Olímpics, ens mostra les etapes inicials d’un increment exponencial de les algues. Podem observar etapes més avançades a alguns llacs del món, com per exemple el Llac de Clicos a Lanzarote, on l’aigua és completament verda. En aquest llac les condicions afavoreixen el creixement en massa d’algues de l’espècie Ruppia maritima.

Fotografia del Llac de Clicos a Lanzarote, es pot apreciar el color verd degut a la proliferació d’algues. (Imatge: National Geographic)

EUTROFITZACIÓ NATURAL I ANTROPOGÈNICA

El procés natural d’eutrofització està molt ben regulat, ja que la natura tendeix a tenir un equilibri entre les entrades i sortides de nutrients d’un ecosistema. Els cossos d’aigua tancats presenten tres estats tròfics diferents al llarg del temps: l’oligotròfic, el mesotròfic i l’eutròfic. Aquests varien en les condicions químiques i biològiques de l’aigua i marquen de certa manera l’edat dels cossos d’aigua, és a dir, un llac jove es presentarà com oligotròfic, mentre que un de més antic serà eutròfic. A la taula següent trobem algunes diferències entre els diferents estats:

Taula comparativa entre els diferents estats tròfics dels cossos d’aigua tancats. Elaboració pròpia.

Els ecosistemes naturals presenten la capacitat de retornar al seu estat normal quan es produeix una pertorbació brusca (com per exemple un tifó). Tot i així, amb el pas del temps, els llacs sofreixen l’eutrofització i acumulen sediments al fons, disminueixen així el seu cabal d’aigua i es transformen en un pantà. Aquest procés natural, però, requereix centenars o milers d’anys per produir-se.

Encara que es tracta d’un procés natural, l’home intervé agreujant i accelerant les diferents etapes. Aquest tipus d’eutrofització es coneix com a eutrofització antropogènica. És provocat per la contaminació dels cossos d’aigua per abocament d’aigües residuals, fertilitzants, contaminació atmosfèrica i altres formes de contaminació. En aquest cas l’ecosistema no es pot regular per ell mateix i el procés d’eutrofització succeeix de forma més ràpida: només es necessiten dècades per arribar a la fase final.

Comparació dels processos d’eutrofització natural i antropogènica (Imagen: New Brunswick, Canadá).

LA MARCA DE LA MORT

Tot i que pareixi que l’aportació extra de nutrients ha de ser un factor positiu per l’ecosistema, el procés d’eutrofització marca l’inici de la mort de l’ecosistema. Però, per què?

Un augment en la concentració de nutrients implica un augment en la densitat poblacional dels productors primaris, que creixen descontroladament a la superfície de l’aigua. Això provoca l’aparició d’una barrera biològica que no deixa passar la llum solar. A la superfície la concentració d’oxigen és bona, mentre que a les capes inferiors a aquesta barrera no es pot produir la fotosíntesis i per tant, els processos aeròbics com la respiració fan que disminueixi dràsticament la concentració d’oxigen. Això provoca que el medi es torni anoxigènic (sense oxigen), fet que no toleren gaire bé les espècies que abans vivien tranquil·lament al llac.

Al diagrama podem observar com la capa de productors primaris provoca un augment en les concentracions de CO2 (producte de procesos aeròbics) i disminueix la concentració d’oxigen. (Imatgemodificada de SPE International)

Per altra banda, l’elevada activitat biològica implica una disminució dels soluts de l’aigua, provocant un canvi de pH i salinitat d’aquesta massa d’aigua. Aquest fet afavoreix la proliferació d’espècies tolerants a aquestes noves condicions i la desaparició de les espècies autòctones. A més, certes algues i cianobacteris excreten toxines com a producte del seu metabolisme. Alguns d’aquests són Anabaena sp. Cylindospermopsis sp, Microcystis sp i Oscillatoria sp. Tots aquests canvis afecten  la diversitat de l’ecosistema, que disminueix dràsticament.

Comparació de la diversitat d’un cos d’aigua oligotròfic i un eutròfic (Imatge: Madrid+d)

Finalment, els restes orgànics d’aquests organismes, s’acumulen al fons de la massa d’aigua i augmenten la capa de sediments. Amb el temps, la capa d’aigua s’haurà reduït i convertit l’ecosistema en un pantà.

·

Com en la majoria dels casos l’acció d el’home agreuja les conseqüències d’aquest procés natural. S’ha d’evitar tot tipus de contaminació per no perdre de mica en mica tota la diversitat que ens envolta. 

REFERÈNCIES

• Eutrofización. Nestor Mazzeo. (PDF, en castellà)
• Apunts personals i generals del grau de Biologia UIB.

• Eutrophication: Causes, Consequences, and Controls in Aquatic Ecosystems. Michael Chislock. Disponible aquí en anglès.

• Imatge de Portada: Axena.