Recerca de nous fàrmacs en el medi marí

Introducció

Els primers organismes marins van aparèixer fa més de 3500 milions d'anys. Des d'aleshores, el seu desenvolupament evolutiu ha fornit molts d'aquests éssers amb els mecanismes necessaris per sobreviure. Alguna d'aquestes estratègies ha estat produir substàncies bioactives de defensa. Aquests productes naturals marins han resultat tenir un gran interès en farmacologia i en el tractament de malalties com el càncer, l'esquizofrènia i l'Alzheimer. 

Per què cal cercar al mar?

Les possibilitats que ofereix el medi marí són evidents, ja que el mar ocupa les dues terceres parts de la superfície total terrestre. A més, hi trobem representats la major part dels grups taxonòmics animals i una dotzena de fílums exclusivament marins. 

En el medi marí hi ha una estratègia de vida animal que no existeix en el medi terrestre. Es tracta d'organismes sèssils, fixats al substrat, els quals s'alimenten de matèria orgànica suspesa a la columna d'aigua. Aquests animals, filtradors o suspensívors, necessiten mantenir la seva superfície de filtració lliure d'altres organismes. El que han fet ha estat desenvolupar un mecanisme de defensa que eviti la seva depredació. La conseqüència d'aquesta necessitat evolutiva ha estat la producció d'un abundant nombre de substàncies bioactives amb uns mecanismes d'acció que han tingut aplicacions en l'àmbit farmacològic. 

No obstant, no tot són avantatges i millores. Algunes de les substàncies de defensa que produeixen els organismes marins han causat greus efectes sobre les persones, després de la seva ingestió accidental de peixos, crustacis o mol·luscs. Es coneixen al voltant de vint mil tipus de toxines marines que causen unes 150 morts cada any (Puidomènech, 2007). D'altre banda, cal destacar que les substàncies terapèutiques més efectives utilitzades actualment provenen del medi terrestre, com ara plantes medicinals i nombrosos antibiòtics. 

Per tant, és cert que el medi marí ens proporciona mitjans per a desenvolupar fàrmacs i optimitzar els tractament de cura en malalties greus,  però encara continua sent un impediment el desconeixement que en tenim sobre el tema.

A la següent taula es mostren tot un seguit de productes marins emprats en la millora de la salut humana:

Metodologia dels microorganismes al laboratori

Quina funció té el laboratori de microbiologia?

És l'encarregat d'aïllar, identificar, classificar i cultivar els microorganismes, a més de processar i produir -a través de fermentacions- l'extracte. 

Com s'aïllen les colònies?

Es duu a terme a partir de diferents medis, els quals es troben en diferents dilucions i antibiòtics. 

Què és la Repetitive-PCR?

És un tipus de PCR que es basa en l'ús de primers específics per a la reacció en cadena de la polimerasa d'amplificació d'elements de DNA repetitius i intercalats en llocs diferents del genoma. 

Aquests mètodes requereixen grans esforços i inversions econòmiques, humanes i tecnològiques ja que des que es descobreix la molècula d'interès fins que es comercialitza ha de passar per tot un seguir de fases. 

A més a més, es necessita una gran quantitat de biomassa bacteriana per tal de produir quantitats molt petites del fàrmac. En darrer terme, aquesta conservació de microorganismes aïllats en plaques suposa un increment de despeses tecnològiques i econòmiques, ja que s'han de mantenir a baixes temperatures. 

Aplicacions

En el segle XXI, hem passat de buscar antibiòtics per al tractament de malalties que afectaven tota la població mundial a buscar cures per a necessitats més actuals, com ara el càncer, l'obesitat o malalties neurodegeneratives. Per tant, la majoria de línies de recerca tenen aquesta finalitat. Es presenten els següents exemples:

- Secosteroides: enzims que utilitzen els coralls per tal de protegir-se contra malalties. Actualment s'usa per tractar l'asma, artritis i altres malalties inflamatòries. 

- Bugula neritina: és un briozou que es sol trobar en climes temperats i tropicals. És un recurs prometedor en el tractament de càncers, combinat amb tractament quimioterapèutics. Assaigs clínics primerencs han demostrat la seva eficàcia, tal i com demostra l'institut nacional del càncer a Bethesda (Meryland). 

- Alga blau-verda: normalment es troba als manglars caribencs i és usada per tractar cèl·lules petites del càncer de pulmó. L'institut nacional del càncer segueix investigant aquesta alga per poder tractar melanomes i altres tumors. 

- Yondelis: és el primer fàrmac pel tractament de sarcomes de teixit tou, càncer de mama, d'ovari, de pròstata i de pulmó. S'extreu d'un ascidi colonial, un filtrador marí en forma de sac. Actualment es comercialitza tot i que encara segueix en fase d'estudi per a l'aplicació en altres tipus de càncer. 

- Aplidin o plitidepsina: s'aïlla d'un invertebrat marí anomenat Aplidium albicans i té utilitat en tumors hematològics i tumors sòlids. S'obté mitjançant una síntesi química. 

- Zalypsis: té aplicació en el tractament del mieloma múltiple. Està relacionat directament amb el compost químic natural marí Jorumycina i amb la família de les Renieramycines, derivada dels mol·luscs i esponges. 

Càncer d'ovari

- Yondelis (trabectedina): s'extreu de Ecteinascidia turbinata, un ascidi colonial format per zooides, amb una àmplia distribució. Aquest organisme produeix ecteinascidines, unes molècules que interaccionen amb el complex de la transcripció i que bloquegen la reparació del DNA, induint així la mort de les cèl·lules tumorals. El problema d'aquest medicament és que té un baix rendiment, la qual cosa fa que es necessitin procediments alternatius. Es comercialitza amb el nom de PM1183 (lurbinectedin). Actualment s'estan cercant maneres de fer-lo més rendible. És un compost que inhibeix l'enzim polimerasa II, la qual cosa fa que no es pugui produir la transcripció. Això provoca el bloqueig de factors de transcripció i, en conseqüència, el bloqueig del sistema de reparació de DNA NER. Això provoca la mort de les cèl·lules tumorals. És el primer fàrmac espanyol d'origen marí i el comercialitza l'empresa Pharmamar. 

Tractaments pel dolor

Les neurotoxines d'alguns organismes marins que utilitzen com a verí paralitzant serveix per tractar el dolor crònic. 

- Prialt: la ziconotida és el principi actiu d'aquest medicament. Es tracta d'una substància present en el verí d'un cargol marí (Conus magus), anomenada omegaconopèptid. 

En animals s'ha observat que els canals de calci de tipus N s'expressen abundantment en terminacions nervioses sensorials en la medul·la i regulen l'entrada de calci per a poder alliberar neurotransmissors. El que fa la ziconotida és bloquejar aquests canals de calci per tal de poder inhibir la transmissió del dolor d'aquesta zona. En humans encara no s'ha acabat de determinar el seu sistema d'actuació. 

Aquest medicament és comercialitzat per Pharmamar, tot i que encara s'investiga el seu mètode d'actuació. És una substància que es troba només en el medi marí. 

Línies d'investigació actuals

En aquests moments, Pharmamar és l'empresa líder en aquest sector. És una companyia centrada en la investigació de nous fàrmacs marins amb activitat antitumoral. Alguns exemples de productes en fases pre-clínica o d'assaig són: 

- Fase pre-clínica: plitidepsina per a tractar tumors hematològics. 

- En fase I: PM184 per tractar tumors sòlids.

- En fase II: PM1183 o lurbenectedina pel càncer de mama. 

- En fase III: PM1183 o lurbenectedina pel càncer d'ovari resistent a platí. 

Conclusió

S'ha vist que el medi marí és encara desconegut pel que fa a la investigació de fàrmacs. No obstant, hi ha possibilitats per a la recerca. En els darrers anys, s'han descobert diversos microorganismes que ens proporcionen substàncies bioactives que podem aprofitar a nivell farmacològic i obtenir medicaments d'interès. Tot i els grans avenços tecnològics, és urgent trobar un sistema de producció que garanteixi el subministrament de la substància diana, és a dir, la substància d'on se'n deriven els nous fàrmacs. 

Referències

[1] Carretero, M. (2008). Ziconotida: tratamiento del dolor crónico grave. Offarm (p. 110-111).

[2] Cicese. (2011). Investigación básica con proteínas de origen marino podría aportar frutos prometedores para la cura de cáncer cervicouterino y de mama. Recuperat de http://gaceta2.cicese.mx/index.php?option=com_content&view=article&id=178:investigacion-basica-con-proteinas-de-origen-marino-podria-aportar-frutos-prometedores-para-la-cura-de-cancer-cervicouterino-y-de-mama&catid=9:breviario&Itemid=100

[3] Club d'immersió Biologia. Ecteinascidia turbinata. Recuperat de http://www.cibsub.cat/bioespecie_es-ecteinascidia_turbinata-48337

[4] De la Calle, F. (2009). Fármacos innovadores de origen marino. ¿Medicinas del futuro?. Madri+d. Recuperat de http://www.madrimasd.org/informacionidi/analisis/analisis/analisis.asp?id=37836

[5] Herena, R. (2011). Obtención de nuevos fármacos          antitumorales a partir de organismos marinos (Treball de màster). Recuperat de http://repositorio.ual.es:8080/jspui/bitstream/10835/472/1/OBTENCI%C3%93N%20DE%20NUEVOS%20FARMACOS%20ANTITUMORALES%20A%20PARTIR%20DE%20ORGANISMOS%20MARINOS-HERENA%20GARC%C3%8DA,%20RAFAEL.pdf

[6] Huang, S., Chen, W., Pang, J., Pei, Z., Wang, G., Sun, H. (2015). Effects of marine compound xyloketal B on neuroprotection and potential drug development. Journal of Coastal Life Medicine (p. 429-432). Doi: 10.12980/JCLM.3.2015JCLM-2015-0017

[7] Loctier, D. (26 maig 2014). El desconocido mundo de microorganismos marinos y sus posibles utilidades en medicina. Euronews. Recuperat de http://es.euronews.com/2014/05/26/el-desconocido-mundo-de-los-microorganismos-marinos-y-sus-posibles-utilidades-/

[8] Miguelez, F. (2010). Los otros usos del mar. Recuperat de https://books.google.es/books?id=2QXMZILBEXIC&pg=PA109&lpg=PA109&dq=nuevos+farmacos+en+el+medio+marino&source=bl&ots=xp3ZN7ycGS&sig=ST3dqmo92svYkKYpdOLPRcyeZn0&hl=es&sa=X&ved=0ahUKEwjh3K6si6rLAhUDrRoKHSJ6DOcQ6AEILTAC#v=onepage&q=nuevos%20farmacos%20en%20el%20medio%20marino&f=false

[9] Pandey, S., Sree, A., Sethi, D. P., Kumar, C. G., Kakollu, S., Chowdhury, L., Dash, S. S. (2014). A marine sponge associated strain of Bacillus subtilis and other marine bacteria can produce anticholinesterase compounds. Microbial Cell Factories, 13. Doi:  10.1186/1475-2859-13-24

[10] Puigdomènech,  P., i Gòdia, F. (2007). Bases ecològiques per a la recerca de nous fàrmacs en els organismes marins. En P. Puigdomènech i F. Gòdia (ed.), Les biotecnologies. (p.125-140). Doi: 10.2436/20.1501.02.49

[11] Puigdomènech, P., i Gòdia, F. (2007). Fármacos de origen marino. En P. Puigdomènech i F. Gòdia (ed.), Les biotecnologies. (p. 141-155). Doi: 10.2436/20.1501.02.50

[12] Radio Televisión de Castilla y León. (agost 2010). Microorganismos marinos para encontrar nuevos fármacos contra el cáncer [Vídeo]. Recuperat de https://www.youtube.com/watch?v=4nQMqS_L7s0

PRODUCCIÓ MICROBIANA D'ANTIBIÒTICS

La biodiversitat dels microorganismes, entre ells els bacteris, és extremadament alta. Són precursors de malalties i infeccions difícils d’aturar degut a la seva alta velocitat de divisió. En molts casos el sistema immunitari pot inhibir els efectes infecciosos dels microorganismes, però en altres, es veu superat i és necessària l’activitat externa, com els antibiòtics, per aturar-los.

Els antibiòtics són substàncies químiques produïdes de manera natural pels microorganismes com a resultat d’una biosíntesi específica capaç, a baixes concentracions, de provocar alteracions de la paret cel·lular, de la membrana protoplasmàtica, de la síntesi proteica o del metabolisme dels àcids nucleics dels microorganismes amb l’objectiu d’inhibir-ne el seu creixement o d’eliminar-los (Alsina, J., et al. 1997).

FILOGÈNIA: MICROORGANISMES IMPLICATS EN LA PRODUCCIÓ D'ANTIBIÒTICS

Figura 1. Representació microbiana

 i la seva producció d’antibiòtics. 

(Emerson de Lima Procópio, R., et al. 2012).

Els antibiòtics han esdevingut el mètode clínic per excel·lència per a neutralitzar un ampli ventall d’infeccions i malalties vàries. Els estudis han evidenciat una alta diversitat d’organismes amb la capacitat de produir-los, provinents de diferents línies evolutives i formant, filogenèticament, un grup polifilètic on dominen fongs i bacteris.

Tot i la diversitat d’organismes productors, els bacteris són els més representatius si tenim en compte que el 80 % dels antibiòtics són produïts per bacteris del gènere Streptomyces, bacteris Gram-positius amb morfologia filamentosa semblant a la dels fongs (Emerson de Lima Procópio, R., et al. 2012).

El microorganisme productor determina les facultats i mecanismes d’actuació de cada un dels antibiòtics. Segons el seu rang d’actuació es pot fer una classificació general, on es diferencien els antibiòtics d’espectre limitat, que només actuen sobre un tipus de bacteri (Gram-positius o negatius) i els d’ampli espectre, que actuen sobre ambdós tipus de bacteris (Nogués Llort, M.R. 2003).

Les condicions ambientals, fisiològiques o de competència provoquen que els productors sintetitzin substàncies de defensa o atac, els antibiòtics. Segons aquesta activitat infecciosa es distingeixen els bacteriostàtics com les tetraciclines, que tot i inhibir l’activitat del ribosoma bacterià i impedir la replicació no mata al competidor; i els bactericides com les polimixines, capaces d’interrompre el balanç iònic de la membrana plasmàtica i provocar la mort cel·lular per lisi (bacteriolític). 

GENÈTICA DELS ANTIBIÒTICS

Figura 2. Vies per la biosíntesi de la
 penicil·lina i cefalosporina.
(Ontiveros, C., 1996)

La gran diversitat de gens implicats en la biosíntesi dels principals antibiòtics (penicil·lina i cefalosporines) s'organitzen normalment en regions anomenades illes genòmiques (Martín, J. F., i Liras, P., 1989), que es poden obtenir per diferents rutes biosintètiques.

Els antibiòtics més rellevants pertanyen al grup dels β-lactams i es formen a partir d’un intermediari comú anomenat ACV, a partir del qual s’obtindran una sèrie d’antibiòtics per diferents rutes i etapes (Byford, M. F., et al., 1997).  L’intermediari ACV (l-δ-(α-aminoadipoyl)-l-cysteinyl-d-valine) és un tripèptid format a partir de la condensació de l’àcid L-α-aminoadipoyl, la L-cysteine i la L-valine.  La formació d’aquest tripèptid ACV ve regulada per la ACV sintetasa, un enzim que pot estar afectat per diferents factors i que esdevé el regulador global de la ruta (Martín, J. F., 1992).

Segons l’organisme productor que s’estudiï existeixen diferents gens que codifiquen per l’enzim ACV sintetasa. Organismes que pertanyen al gènere Chephalosporium, el gen pcbAB s’encarrega de codificar l’enzim (Gutiérrez, S., et al., 1991). D’altra banda, en representants del gènere Aspergillus, el gen acvA és el responsable (Brakhage, A. A., et al., 1992). Tanmateix, a la ruta biosintètica es troben altres enzims reguladors com la isopenicillin n synthase que ve codificada pel gen ipnA (Brakhage, A. A., et al., 1992).

CONDICIONS FISIOLÒGIQUES QUE INDUEIXEN LA SÍNTESI D’ANTIBIÒTICS

Les condicions fisiològiques determinen canvis en el metabolisme del bacteris, que poden induir la formació de metabòlits secundaris com ara els antibiòtics. Els bacteris detecten aquests canvis a través de mecanismes de la seva membrana, que responen a diferents condicions ambientals o fisiològiques.

Un d’aquests mecanismes de reconeixement de molècules es dóna pel sistema quorum sensing, un tipus de llenguatge químic utilitzat pels bacteris per ajustar el seu comportament de forma sincrònica basant-se en la densitat local (Howard Hughes Medical Institute). El sistema ve induït per molècules senyal, com AHL (N-acylated homoserina lactona)(Liu, X. et al., 2007), que provoquen alteracions en el bacteri. Aquestes molècules són produïdes durant etapes específiques de creixement sota certes condicions fisiològiques. Un cop aquestes molècules arriben a la concentració crítica, la cèl·lula genera una resposta concreta, que depèn dels seus canvis fisiològics per metabolitzar o desintoxicar les molècules senyal (Winzer, K., Hardie, K. i Williams, P., 2002). Per conseqüència, s’ha demostrat que el quorum sensing indueix a la cèl·lula a sintetitzar metabòlits secundaris com antibiòtics o toxines proteiques, com les bacteriocines.

Degut a la creixent aparició de microorganismes resistents als antibiòtics, l’interès i la investigació de les bacteriocines ha incrementat notablement. Igual que els antibiòtics, la seva producció és deguda a la pressió de selecció exercida sobre els microorganismes (Escavador) i el seu objectiu final és el de poder matar o inhibir soques bacterianes estretament relacionades o no relacionades amb els bacteris productors. Tot i això, els estudis determinen que l’origen de síntesi i la naturalesa química dels antibiòtics i les bacteriocines és diferent; mentre els antibiòtics són substàncies químiques procedents de biosíntesi específiques, les bacteriocines són pèptids antimicrobians sintetitzats ribosòmicament (Yang, S., Lin, C., Sung, C., i Fang, J., 2014) produïts per bactèries àcid-làctiques (Piña, M. D., et al., 2011).

La bacteriocina més coneguda és la nisina (Escavador), un pèptid bioactiu sintetitzat per soques de Lactococcus lactis spp. durant la fase exponencial del creixement. La seva producció està regulada per un mecanisme anomenat percepció en quòrum a nivell transcripcional (Piña, M. D., et al., 2011). 

ECOLOGIA DELS ANTIBIÒTICS

La producció d’antibiòtics sol obeir a relacions interespecífiques de competència per l’espai i els recursos. És una estratègia important pel que fa a l’increment de la competència de bacteris pel sòl, un medi heterogeni que pot acollir una gran diversitat de bacteris (Tyc, O., et al., 2014).

Una interacció important és la competència per interferència, que es basa en la producció d’antibiòtics que inhibeixen el creixement o eliminen oponents microbians actuant com a mecanisme de colonització, ja que permet acomodar el productor en un substrat abans que el competidor (Slattery, M., et al., 2001). Alhora, els antibiòtics poden produir-se a partir de la percepció de senyals ambientals o senyals procedents de microorganismes veïns (competidor sensing) (Tyc, O., et al., 2014).

Altres interaccions presents en els principals gèneres productors d’antibiòtics són la capacitat d’establir simbiosi o mutualisme. Algunes espècies de Streptomyces produeixen antibiòtics per tal d’instaurar simbiosi amb plantes o esponges (Tabrez Khan, S., et al., 2010), on l’antibiòtic confereix protecció a la planta i aquesta un bon desenvolupament a Streptomyces (Emerson de Lima Procópio, R., et al., 2012). Altres productors com Penicillium produeixen micotoxines, que poden tenir una importància en constituir relacions de mutualisme. Estudis recents han determinat que el mutualisme que s’estableix entre espècies del gènere Penicillium i formigues de la tribu atini permet que, gràcies a les formigues, les micotoxines produïdes pel fong s’estenguin pel sòl i actuïn contra espècies paràsites com Escovoposis, facilitant l’expansió d’aquest (Currie, C., et al., 1999).

CONCLUSIÓ

La producció en cadena d’antibiòtics o altres substàncies que inhibeixen l’actuació d’altres soques microbianes ha esdevingut un procés d’alta importància.

Una alta densitat de grups, fongs i bacteris com a referents, són capaços de produir-los. La pressió ambiental o d’altres soques microbianes en són l’origen, induint la seva síntesi per contrarestar la competència i, alhora, aconseguir adaptació i resistència.

A partir dels estímuls externs, seran gens específics els encarregats d’induir la seva síntesi, així com d’aturar-la quan hi hagi condicions d’estabilitat ambiental i nutricional. Així doncs, són aquests gens, induïts per estímuls externs, que ens permeten obtenir un dels recursos mèdics més utilitzats.

BIBLIOGRAFIA

1.        Alsina, J., Casassas O., Ramis, J., Llauradó, E., i Francí, J. (1997). Diccionari enciclopèdic de medicina. Recuperat de http://www.medic.cat/cgibin/medicx.pgm?GECART=0006597

2.       Brakhage, A. A., Browne, P., & Turner, G. (1992). Regulation of Aspergillus nidulans penicillin biosynthesis and penicillin biosynthesis genes acvA and ipnA by glucose. Journal of bacteriology, 174(11), 3789-3799.

3.       Byford, M. F., Baldwin, J. E., Shiau, C. Y., & Schofield, C. J. (1997). The mechanism of ACV synthetase. Chemical reviews, 97(7), 2631-2650.

4.      Currie, C., Scott, J., Summerbell, C., i Malloch, D. (1999). Fungus-growing ants use antibiòtic-producing bacteria to control garden parasites. Macmillan Magazines Ltd, 398, 701-704. Recuperat de http://individual.utoronto.ca/jscott/publications/tripartite_symbiosis-addendum.pdf

5.         Emerson de Lima Procópio, R., Reis da Silva, I., Kassawara Martins, M., Lúcio de Azevedo, J., i Magali de Araújo, J. (2012). Antibiotics produced by Streptomyces. The Brazilian journal of Infectius Diseases. 16(5), 466-471. doi: 10.1016/j.bjid.2012.08.014

6.         Escavador. Amanda de Souza da Motta. Recuperat de http://www.escavador.com/sobre/8424875/amanda-de-souza-da-motta.

7.         Gutiérrez, S., Díez, B., Montenegro, E., & Martín, J. F. (1991). Characterization of the Cephalosporium acremonium pcbAB gene encoding alpha-aminoadipyl-cysteinyl-valine synthetase, a large multidomain peptide synthetase: linkage to the pcbC gene as a cluster of early cephalosporin biosynthetic genes and evidence of multiple functional domains. Journal of bacteriology, 173(7), 2354-2365.

8.         Howard Hughes Medical Institute. Bonnie L. Bassler, PhD. Recuperat de http://www.hhmi.org/scientists/bonnie-l-bassler.

9.         Liu, X. et al. (2007). Quorum-sensing signaling is required for production of antibiotic pyrrolnitrin in a rhizospheric biocontrol strain of Serratia plymuthica. FEMS Microbiology Letters, 270 (2), 299-305. doi:10.1111/j.1574-6968.2007.00681.x

10.     Martín, J. F. (1992). Clusters of genes for the biosynthesis of antibiotics: regulatory genes and overproduction of pharmaceuticals. Journal of industrial microbiology, 9(2), 73-90.

11.     Martín, J. F. (2004). Phosphate control of the biosynthesis of antibiotics and other secondary metabolites is mediated by the PhoR-PhoP system: an unfinished story. Journal of bacteriology, 186(16), 5197-5201.

12.     Martín, J. F., & Liras, P. (1989). Organization and expression of genes involved in the biosynthesis of antibiotics and other secondary metabolites. Annual Reviews in Microbiology, 43(1), 173-206.

13.  Nogués Llort, M.R. (2003). Farmacologia. Recuperat de http://www.sre.urv.es/formacio/fmcs/Farmacologia/temari/t16/recursos/tema16.pdf

14.     Ontiveros, C. (1996). Biosíntesis y regulación de antibióticos beta-lactámicos en Penicillium chrysogenum. Elementos (Puebla, Pue.), 3, 23-25.

15.     Piña, MD. et al. (2011). Producción de nisina por Lactococcus lactis uq2 usando suero lácteo suplementado y evaluación de su actividad después del secado por aspersión. Ciencia @UAQ, 4 (2), 47-55. Recuperat de http://www.uaq.mx/investigacion/revista_ciencia@uaq/ArchivosPDF/v4-n2/t6.pdf

16.     Slattery, M., Rajbhandani, F., i Wessib, K. (2001). Competition-mediated antibiòtic induction in the marine bacterium Streptomyces tenjimariensis.Microbial Ecology, 41(2), 90-96. Recuperat de http://link.springer.com/article/10.1007/s002480000084.

17.     Tabrez Khan, S., Komaki, H., Motohashi, K., Kozone, I., Mukai, A., Takagi, M., i Shin-ya, K. (2010). Streptomyces associated with a marine sponge Haliclona sp.: Biosynthetic genes for secondary metabolites and products. Environmental Microbiology. 13 (2), 279-550. doi: 10.1111/j.1462-2920.2010.02337.x

18.     Tyc, O., Van den Berg, M., Gerards, S., A. Van Veen, J., M. Raaijmakers, J., de Boer, W., i Garbeva, P. (2014). Impact of interspecific interactions on antimicrobial activity among soil bacteria. PMC Journal, 5(567). doi:  10.3389/fmicb.2014.00567

19.     Yang, S., Lin, C., Sung, C., i Fang, J. (2014). Antibacterial activities of bacteriocins: application in foods and pharmaceuticals. Frontiers in Microbiology, 5 (241), 1-10. doi: 10.3389/fmicb.2014.00241.

20.     Winzer, K., Hardie, K., i Williams, P. (2002). Bacterial cell-to-cell communication: sorry, can't talk now -- gone to lunch!. Current Opinion in Microbiology, 5 (2), 216-222. doi: 10.1016/S1369-5274(02)00304-1. 

Microorganismes que col•laboren entre ells: relacions ecològiques basades en metabolismes complementaris.

Microorganismes que col·laboren entre ells: relacions ecològiques basades en metabolismes complementaris.

Els bacteris i arqueus tenen una capacitat d'adaptació al medi molt gran gràcies a la seva variabilitat genètica. És a dir, un mateix bacteri pot dur a terme diverses vies metabòliques, segons les condicions del medi. Es donen casos però, en els que un bacteri no pot metabolitzar completament una substància i necessita l'ajuda d'altres organismes que li supleixin la manca de metabòlits, el qual ha de viure en el mateix micro ambient. Dins una comunitat microbiana³ trobem diferents estratègies per sobreviure. Les relacions beneficien alguna o més espècies. Ens centrarem amb simbiosis o mutualisme, sintrofisme, comensalisme i sinergisme o protocooperacions.

Comencem amb el mutualisme o simbiosis⁶ és la relació que s'estableix entre dos organismes on els dos en surten beneficiats. És una relació obligada i específica, ja que un dels participants no es pot substituir per cap altra espècie. Permet als participants ocupar hàbitats que per separat no podrien. Els simbionts, així és com s'anomenen els participants, intercanvien productes dels seus respectius metabolismes. Els dos simbionts actuen com un sol individu i tenen un metabolisme i una tolerància fisiològica diferents de quan es troben individualment. També poden adequar el medi entre els dos, fent-lo apte de manera molt específica. En molt pocs casos, un simbiont podria ser substituït per un altre.

El comensalisme, és una relació on una de les espècies s'aprofita de la primera sense perjudicar-la ni beneficiar-la. A vegades la interacció metabòlica no és directa. El terme de comensalisme agrupa un gran conjunt de relacions entre molts tipus d'individus, el qual permet que es puguin subclassifcar en tres grans tipus de comensalismes els quals s'expliquen a continuació:

La foresis⁴ es crea essencialment de forma accidental (una espècie no depèn exclusivament de l'altra). Consisteix en el transport d'un organisme (el paràsit) més petit per un altre de més gran (l'hoste). És doncs una associació mecànica i unilateral.

L'inquilinisme és una associació entre membres de dues espècies diferents en les quals l'espècie que fa d'inquilí viu sobre, dins o sota l'espècie que fa d'hoste obtenint així beneficis com protecció, obtenció d'aliments, etc.

La metabiosis⁵ és una dependència indirecta on un organisme crea o prepara (productes secundaris del seu metabolisme, excrements, etc.) un ambient agradable/favorable per a un segon tipus d'organisme que se n'aprofitarà per poder-hi viure o utilitzar-los de forma beneficiosa.

Sovint trobem relacions entre organismes que actuen per un comensalisme de coagregació¹. La coagregació intragénica entre dues espècies és un dels factors importants en la formació inicial de colònies cooperatives amb un metabolisme diferenciat durant el procés de colonització de la superfície terrestre. La coagregació és una relació que es dóna sempre "in vivo" i que aquest és el primer pas en l'establiment de comunitats multiespècie.

Streptococcus mutans i Veillonella dispar2 (veure figura 1) es troben a la placa dental són un exemple de comensalisme. L'àcid làctic produït per S. mutants a partir de la fermentació de sucres és utilitzat per la V. dispar com a font de carboni, degradant-lo fins a obtenir hidrogen, diòxid de carboni i àcids febles. Veillonella dispar també permet que el pH es mantingui, ja que en degradar l'àcid làctic augmenta el pH del medi.

Figura 1. Microfotografies d'immunofluorescència. (A) Cèl·lules de Veillonella dispair. (B) Cèl·lules d'Streptococcus mutans. (C) Sobreposició de les imatges A i B on s'observa la juxtaposició de les soques de Veillonella d. i de Streptococcus m. Es pot visualitzar com les soques de Veillonella d. creixen exclusivament allà on hi havia posteriorment soques de Streptococcus m.²

Descrivim el sintrofisme⁶ com la relació entre dues o més espècies que necessiten el mateix producte d'una ruta metabòlica i que soles no poden metabolitzar. Entendrem doncs el sintrofisme com una població 1 que metabolitza el compost A formant el compost B i aquest segon no els pot fer servir; una població 2 no pot utilitzar el compost A però si metabolitzar el B fins a un compost C. Les dues poblacions poden utilitzar el compost C per obtenir l'energia que necessiten. Per separat no poden obtenir C. En aquest tipus de relació es troben la fermentació i la metanogènesis¹⁰. Algunes vegades una població pot subministrar factors de creixement.

Un exemple es troba amb la interacció entre Escherichia coli i Enterococcus faecalis. Cap de les dues espècies és capaç de sintetitzar putrescina a través de l'arginina. Així doncs, E. faecalis és capaç de convertir l'arginina a ornitina que serà utilitzada per E. coli per sintetitzar la putrescina. D'aquesta manera els dos poden utilitzar la putrescina que per si sols són incapaços de sintetitzar (veure figura 2). 

Figura 2. Relació de sintrofisme entre Enterococcus faecalis i Escherichia coli. Ruta metabòlica que comparteixen per poder transformar l'arginina en putrescina.⁶

En una relació de sinergisme⁶ les dues espècies es beneficien, però l'associació no es obligatòria. La relació ofereix avantatges davant l'ambient en el qual es troben. És dèbil perquè els participants es poden substituir. Algunes relacions de sinergisme permeten que la taxa de creixement d'una de les espècies participants augmenti. D'altres permeten que un dels participants sintetitzi un enzim que sol no podria fer. Entenem  el sinergisme com una població 1 que metabolitza el compost A i el transforma a un compost B, no fa servir B; i una població 2 que utilitza el compost B i el transforma a A. És un cicle tancat.

Els arqueus metanogènics estant en relació de sinergisme amb microorganismes.

Un exemple de sinergisme el trobem amb dos bacteris que viuen dins el cuc marí Olavius algarvensis (oligoquet). Els bacteris són el SOX9 (Sulfide Oxidation, oxidació del sofre) i el SRB9 (Sulfate Reducing Bacterium, oxidació de l'hidrogen). Ambdós produeixen biomassa per alimentar al cuc, utilitzen fonts d'energia diferents, però es necessiten entre elles per poder sintetitzar l'energia necessària per a l'animal hoste.S

OX8-9 capta O2 i CO2 de l'ambient òxid i H2S de l'ambient anòxic, degrada l'H2S i genera un dèficit d'aquest compost. SRB redueix el sulfat a H2S que serà metabolitzat per la SOX, i es tanca el cicle (veure figura 3).

Figura 3. Secció transversal del cuc on observem les reaccions simbiòtiques de l
és dues bactèries. SOX (verd) i SRB (vermell).8

Article realitzat per : Jaume Antequera, Aleix Benavent, Margot Bosch, Oscar Carbonell, Anna Domènech i Laura Garriga

BIBLIOGRAFIA

1.-Koning J.W. (2010) Interactions Between Streptococcus mutans and Veillonella dispar. Recuperat el 13 de març des de: http://discovery.ucl.ac.uk/1344047/1/Koning%20PhD%20Thesis.pdf

2.-Chalmers N., Palmer R.J, et al. (2008) Characterization of a Streptococcus sp.-Veillonellasp. Community Micromanipulated from Dental Plaque. Recuperat el 13 de març des de: http://jb.asm.org/content/190/24/8145.full

3.-Portillo A. (2014) Interacciones entre poblaciones microbianas. Recuperat el 13 de març des de: https://prezi.com/olqpplk7jeh-/interacciones-entre-poblaciones-microbianas/

4.-López Eyzaguirre N. (2001) Asociaciones biológicas. Recuperat el 23 d’abril des de:

http://www.ciencias.ula.ve/biolprot/protozoo/asobiol.htm

5.-Ortega Saborido A. (2015) Comensalism Relationships. Recuperat el 23 d’abril des de:

https://prezi.com/za-uwxw_3aos/comensalism-relationships/

6.-Atlas, R., i Bartha, R. (2008). Ecología microbiana y microbiologia ambiental. (4a edició). Madrid: Pearson educación S.A.

7.-Bartin, L., i Northup, D. (2011) Microbial ecology (1a edició). New Jersey: Wiley-Blackwell

8.-Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie. (2001). Discovery of unique symbiosis between bacteria and a marine worm. Recuperat de http://www.mpi-bremen.de/en/Discovery_of_a_unique_symbiosis_between_bacteria_and_a_marine_worm.html

9.-Real Science Communication, Mediomix.  (juny 2012). No guts, no glory-the metabolism of symbiotic bacteria inside a worm [Vídeo]. Recuperat de https://www.youtube.com/watch?v=muOS9QHBvIg

10.-Van Leeuwenhoek A. (2002) Synergistic interactions in the microbial world. Recuperat el 12 de març des de:

https://kops.uni-konstanz.de/bitstream/handle/123456789/7499/synergistic_interactions_in_the_microbial_world_2002.pdf?sequence=1