Animales siguen el consejo de las bacterias

gusano Hydroides elegans

Las larvas de muchas criaturas marinas flotan en el plancton, luego se asientan en el fondo marino y se transforman en adultos

Las bacterias a menudo ayudan a las criaturas a elegir dónde asentarse

Compadécete del pobre gusano tubular, cuya vida está plagada de riesgos. Como muchos invertebrados marinos, el gusano pasa sus primeros días como una pequeña larva a la deriva en el plancton, pero tarde o temprano, debe elegir un lugar para establecerse. Una vez cementado a una superficie dura, comienza el masivo cambio de forma llamado metamorfosis, del cual emerge en su esplendorosa forma adulta.

No hay segundas oportunidades: un gusano que escoge un mal lugar no puede volver a intentarlo. Ante una decisión tan trascendental, la más importante de su vida, la larva necesita toda la ayuda que pueda conseguir. A menudo, esa ayuda proviene de otro reino de la vida.

Los científicos han sabido durante varias décadas que algunas larvas de animales, incluidas las de gusanos tubulares, seleccionan sitios para la metamorfosis al monitorear las señales químicas liberadas por las bacterias. Pero apenas están comenzando a darse cuenta de cuán extendida y cuán sofisticada puede ser la relación, a veces involucrando maquinaria bacteriana especializada para enviar señales a las larvas.

Esto implica que la comunicación entre animales y bacterias en los océanos podría ser mucho más rica y cooperativa de lo que se sospechaba anteriormente.

Y podría haber aplicaciones prácticas: los expertos pueden encontrar algún día formas de gestionar esta comunicación para alentar a los animales a establecerse en algunos lugares, como las granjas de ostras, y desalentarlos en otros, como los cascos de los barcos.

No es de extrañar que los gusanos tubulares y otras larvas planctónicas se basen en señales bacterianas para ayudar a seleccionar un lugar adecuado para la metamorfosis. Después de todo, una delgada capa de especies bacterianas mixtas, llamada biopelícula, recubre todas las superficies oceánicas disponibles. Lo nuevo es la amplitud emergente de este fenómeno.

"En todas las ramas principales del árbol de la vida animal, hay especies que sufren una metamorfosis en respuesta a las bacterias", dice Nicholas Shikuma, microbiólogo de la Universidad Estatal de San Diego que fue coautor de un análisis de cómo las bacterias influyen en la metamorfosis animal en la Annual Review of Microbiology de 2021.

bacterias inducen la metamorfosis

Imagen: La inducción bacteriana de la metamorfosis está muy extendida en el reino animal y ocurre en casi todos los principales grupos de animales.

En algunos casos, las larvas parecen estar simplemente escuchando a escondidas señales químicas que se filtran cuando las bacterias compiten entre sí o se ocupan de sus propios asuntos. En otros, sin embargo, los investigadores sospechan que las larvas son la audiencia principal y "prevista" de la señal. En un caso notable, el equipo de Shikuma descubrió que una bacteria de biopelícula llamada Pseudoalteromonas luteoviolacea produce jeringas moleculares que inyectan activamente una proteína que desencadena la metamorfosis en las larvas del gusano tubular Hydroides elegans.

Muchas bacterias tienen maquinaria de inyección similar a una jeringa, pero esta es la primera vez que se ha demostrado que desempeña un papel en la metamorfosis animal. Más comúnmente, se usa para entregar una carga útil de toxinas. Algunas bacterias, como la que causa el cólera, utilizan las toxinas para destruir las células de su anfitrión. Otras los utilizan para la guerra intermicrobiana.

Las jeringas están relacionadas evolutivamente con las proteínas en las colas de los virus, conocidos como bacteriófagos, que invaden las bacterias. Los virus utilizan la maquinaria para inyectar su material genético en las bacterias hospedadoras, y en algún momento del pasado lejano, las bacterias deben haber adquirido los genes y haberlos utilizado para su propio uso.

La mayoría de las bacterias despliegan sus jeringas individualmente, al igual que lo hacen los fagos. Pero Pseudoalteromonas es sorprendentemente diferente. En lugar de una sola jeringa, produce una estructura erizada de varios cientos. La célula bacteriana construye la estructura en una configuración compacta y plegada como un mueble de paquete plano. Luego, la célula explota y el ordenado paquete se despliega, floreciendo en una masa hemisférica, la "estrella de la muerte", como le gusta llamarla a Shikuma. (Solo alrededor del 2.4 por ciento de las células de Pseudoalteromonas en una biopelícula producen la estrella de la muerte, presumiblemente para el beneficio colectivo de la colonia).

larva y adulto del gusano Hydroides elegans

Imagen: Una larva (izquierda) y un adulto (derecha) del gusano tubular Hydroides elegans. La señal química que desencadena la transformación de una larva en un adulto es producida por bacterias.

Cada tubo de jeringa dentro de esta estrella de la muerte contiene una proteína llamada Mif1 que induce la metamorfosis en las larvas de Hydroides. Lo más probable es que la proteína se una a un objetivo dentro de la célula larvaria, ya que Mif1 extracelular no tiene ningún efecto. El laboratorio de Shikuma está buscando ver si Mif1 realiza otras funciones, como atacar a otras bacterias, pero aún no han encontrado ninguna, dice — y ese fracaso, más la elaborada naturaleza del sistema de entrega, le hace pensar que Hydroides podría ser el objetivo previsto de la estrella de la muerte.

Si la bacteria se toma tantas molestias para ayudar a que Hydroides se asiente, eso sugeriría que está recibiendo algo a cambio, dice Shikuma. Todavía tiene que precisar cuál es ese beneficio, pero especula que al atraer a Hydroides para que se asiente, Pseudoalteromonas está ayudando a asegurar que su biopelícula sea la primera en la fila para colonizar las nuevas superficies, el nuevo hábitat, que proporcionará el cuerpo en crecimiento del gusano tubular.

Si tiene razón, o si las bacterias obtienen algún otro beneficio de los gusanos, eso podría cambiar las ideas sobre el equilibrio de poder en el asentamiento larvario. "La gente ha pensado que el animal está a cargo y las bacterias solo sirven como señales pasivas del medio ambiente", dice Shikuma. "Pero las bacterias podrían beneficiarse de la interacción más de lo que creemos en este momento".

estrella de la muerte

Imagen: Un modelo de la "estrella de la muerte" producida por la bacteria Pseudoalteromonas luteoviolacea. La estructura es una matriz hemisférica que contiene docenas de jeringas moleculares que inyectan una proteína en las larvas del gusano tubular Hydroides elegans, lo que desencadena la metamorfosis. Muchas bacterias usan jeringas moleculares individuales, a menudo para la defensa, pero este sistema mucho más complejo es el único que se sabe que afecta la metamorfosis animal.

Algunos otros investigadores no están dispuestos a aceptar la idea. "Personalmente, no creo que haya toda la evidencia para decir realmente que se trata de una participación activa", dice Brian Nedved, biólogo de larvas de la Universidad de Hawái que también trabaja en Hydroides. En cambio, Nedved cree que es más probable que la estrella de la muerte tenga algún papel aún no descubierto en la defensa de Pseudoalteromonas de bacterias competidoras. Tampoco es Mif1 el único factor involucrado. Otras moléculas también pueden desencadenar la metamorfosis de Hydroides a través de diferentes mecanismos, dice Nedved.

Shikuma, mientras tanto, ha encontrado los mismos genes involucrados en la construcción de la estrella de la muerte en tipos de bacterias que no tienen ninguna relación, que son parte de la flora microbiana normal en el intestino humano. "Es muy curioso que estén allí y estamos intrigados por saber cuál es el uso", dice.

La Marina de los EE. UU. está lo suficientemente interesada como para financiar su trabajo, en gran parte porque saber por qué las larvas de bichos como Hydroides se asientan donde lo hacen podría conducir a mejores formas de mantenerlas alejadas de los cascos de los barcos. Pero la Marina también está intrigada por otras posibilidades más futuristas, dice Shikuma, como descubrir cómo cargar una estrella de la muerte con medicamentos terapéuticos, por ejemplo, medicamentos antimicrobianos que los soldados podrían tomar algún día para prevenir la diarrea de los viajeros.

Y también hay una idea más grande en juego, dice Suhelen Egan, microbióloga ambiental de la Universidad de Nueva Gales del Sur, Australia, que estudia las interacciones entre las algas marinas y las bacterias. Si Shikuma tiene razón, que las larvas marinas no solo escuchan a escondidas las bacterias, sino que participan en una conversación activa, lo mismo podría ser cierto para muchos otros sistemas ecológicos. Y eso podría significar que las comunidades microbianas están mucho más integradas con los organismos superiores en los que viven y entre ellos de lo que los ecologistas han reconocido previamente.

Estas interacciones no necesitan ser conversaciones íntimas, uno a uno, señala Egan. En cambio, podrían ser más como un cóctel, con una amplia variedad de participantes interactuando con una amplia gama de socios en asociaciones sueltas y cambiantes. Nadie lo sabe todavía, pero la extraña relación entre un gusano tubular que ensucia el casco y la bacteria estrella de la muerte proporciona un buen lugar para comenzar a aprender.

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