Señalización célula a célula en organismos unicelulares

Cómo hacen los organismos unicelulares para comunicarse por medio de señales. Los tipos de apareamiento en levaduras, la percepción de quorum en bacterias y las biopelículas.

Introducción

En los organismos multicelulares (como tú), la señalización intercelular permite que las células coordinen sus actividades, lo que asegura que tejidos, órganos y sistemas funcionen correctamente. ¿Significa eso que los organismos unicelulares, como levaduras y bacterias, no usan vías de señalización entre células?
De hecho, estos organismos también necesitan "hablar" entre ellos. Puede que las células no formen parte del mismo organismo, pero pertenecen a la misma población y –al igual que una población humana– necesitan comunicar asuntos de importancia interpersonal o comunitaria. Las bacterias, por ejemplo, producen señales químicas que les permiten percibir la densidad poblacional (cuántas bacterias más hay en el área) y cambian su comportamiento de acuerdo a ello; mientras que las levaduras producen señales químicas que les sirven para encontrar pareja.
Aquí veremos con más detalle cómo los organismos unicelulares "platican" entre ellos mediante señales químicas.

La percepción de quorum en bacterias

Durante muchos años se pensó que las bacterias eran organismos solitarios que tomaban decisiones a nivel individual más que comunitario. Recientemente se ha vuelto evidente que muchos tipos de bacterias llevan a cabo una forma de señalización célula a célula llamada percepción de quorum.
En la percepción de quorum, las bacterias monitorean la densidad poblacional (la cantidad de bacterias que hay en el área) con base en señales químicas. Cuando la señalización alcanza un nivel umbral, todas las bacterias de una población cambiarán su conducta o expresión génica al mismo tiempo.

La percepción de quorum en la simbiosis

La detección de quorum se descubrió en Aliivibrio fischeri, una bacteria que tiene una relación simbiótica (mutuamente beneficiosa) con el calamar hawaiiano1^1. A. fischeri forma colonias dentro del "órgano luminoso" del calamar. Este provee a las bacterias con alimento y, a cambio, ellas producen bioluminiscencia (emiten luz). El brillo de las bacterias evita que el calamar produzca una sombra, lo que lo oculta de los depredadores que nadan bajo él.
Cuando las bacterias A. fischeri están dentro del órgano luminoso del calamar, brillan, pero no lo hacen cuando viven libres en el océano. A lo largo de décadas de trabajo, los científicos descubrieron que las bacterias usan la percepción de quorum para decidir cuándo producir bioluminiscencia. Sería un desperdicio metabólico para una bacteria solitaria en medio del océano llevar a cabo reacciones químicas que emitieran luz, ya que no son beneficiosas sin un calamar hospedero. En cambio, cuando se encuentran muchas bacterias dentro del órgano luminoso, brillar al unísono representa una ventaja: permite que las bacterias cumplan su parte del trato simbiótico, y mantienen a salvo a su hospedero (su fuente de alimento) de los depredadores.

Mecanismos de la percepción de quorum

La percepción de quorum se basa en la producción y percepción de autoinductores, moléculas señalizadoras que las bacterias secretan de manera continua para anunciar su presencia a sus vecinas (generalmente de la misma especie). Los autoinductores permiten que las bacterias perciban la densidad poblacional y modifiquen su comportamiento de manera sincronizada cuando la densidad alcanza un nivel determinado.
En algunos tipos de bacterias, los autoinductores secretados son moléculas hidrofóbicas pequeñas como la acil homoserina lactona (AHL). La AHL es el autoinductor producido por A. fischeri, la especie de bacteria que habita en el órgano luminoso del calamar. En otros tipos de bacterias, los autoinductores pueden ser péptidos (proteínas cortas) o algunos otros tipos de moléculas pequeñas3^3.
Debido a que la AHL es pequeña e hidrofóbica, puede difundirse libremente a través de las membranas celulares de las bacterias.
  • Cuando hay pocas células en el área, la poca AHL producida se disuelve en el ambiente, y los niveles dentro de las células permanecen bajos.
  • Cuando hay más bacterias presentes, se produce una mayor cantidad de AHL (gracias a un mayor número de contribuyentes).
  • Si los niveles de AHL son lo suficientemente altos, lo que indica una densidad crítica de bacterias, la AHL se unirá a una proteína receptora dentro de las células y la activará.
  • El receptor activo sirve como un factor de transcripción, se une a sitios específicos del ADN de la bacteria y modifica la actividad de los genes diana cercanos.
En A. fischeri, el factor de transcripción hace que se expresen los genes que codifican para las enzimas y los sustratos necesarios para la bioluminiscencia, así como el gen para la enzima que sintetiza AHL (lo que amplifica la respuesta en un ciclo de retroalimentación positivo)4^4.
En general, cada especie de bacteria tiene su propio autoinductor con su receptor altamente específico (no se activará con el autoinductor de otro tipo de bacteria). Sin embargo, algunos autoinductores pueden ser producidos y detectados por muchas especies de bacterias; los científicos están investigando de qué manera estas moléculas permiten la comunicación entre especies bacterianas6^6.

La percepción de quorum y las biopelículas

Algunas especies de bacterias con percepción de quorum forman biopelículas, comunidades de células bacterianas que se unen entre sí y se adhieren a su sustrato (superficie subyacente). Las biopelículas pueden ser muy complejas, ya que las células bacterianas se organizan formando estructuras ordenadas; algunas biopelículas pueden tener muchas especies de bacterias coexistentes.
Aunque aún desconocemos muchas cosas acerca de las biopelículas, cada vez es más evidente que tienen un papel crucial en la salud y la enfermedad humanas. Por ejemplo, el S. aureus que coloniza la superficie del catéter que se muestra arriba, está organizado en una biopelícula. La percepción de quorum puede jugar un papel importante en la formación, el mantenimiento y la desintegración de las biopelículas.

Señalización en levaduras

Las levaduras que fermentan las uvas en vino o hacen que se infle el pan, son eucariontes unicelulares. No son plantas ni animales, sino un tipo de hongo. (¡Ñami!) En la microscopía siguiente se muestran algunas células de levadura para pan.
Una de las vías de señalización mejor estudiadas en las levaduras es la vía del factor de apareamiento. Las levaduras en gemación pueden aparearse en un proceso similar a la reproducción sexual, en el que dos células haploides (células con un solo conjunto de cromosomas, como los óvulos y espermatozoides humanos) se combinan para formar una célula diploide (una célula con dos conjuntos de cromosomas, como las células del cuerpo humano). La célula diploide puede entonces dividirse por meiosis para generar células haploides con nuevas combinaciones de material genético.
Para encontrar a una célula haploide de levadura que esté preparada para aparearse, las levaduras en gemación secretan una molécula señalizadora llamada factor de apareamiento. El factor de apareamiento, al igual que su receptor, viene en dos versiones diferentes y este sistema puede ayudar a las levaduras a aparearse con otras que no sean sus parientes cercanos. La unión del factor de apareamiento con un receptor compatible dispara una cascada de señales que hace que las células crezcan hacia su pareja para poder unirse entre ellas. Puedes ver detalladamente esta vía en el video sobre señalización celular en la reproducción de las levaduras7,8^{7,8}.
Si miras con detenimiento la vía del factor de apareamiento, verás que tiene muchos tipos de moléculas familiares a los humanos. El receptor del factor de apareamiento es un receptor acoplado a proteína G y actúa mediante una vía de señalización de cinasa MAP como la utilizada en la vía de señalización del factor de crecimiento9^9.
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