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.