BúsquedaMycobacterium tuberculosis (Mtb) es la bacteria que causa la tuberculosis (TB), una enfermedad que es una de las principales causas de mortalidad mundial y de la que se calcula que una cuarta parte de las personas portadoras de la micobacteria lo desconoce. En México, se registraron más de 28 mil casos de TB en el año 2022. Por otro lado, es preciso mencionar que hoy en día no se ha descrito la presencia de biopelículas de Mtb durante la enfermedad, al menos no conforme a la definición tradicional de libro de texto de microbiología: una comunidad compleja de una o más especies de microorganismos, que se forma como una capa viscosa adherida a una superficie debido a la producción de una sustancia polimérica extracelular que se adhiere a una superficie o en la interfaz entre superficies (por ejemplo, entre el aire y agua).
Por experiencia propia podemos decir que, en nuestros múltiples intentos por obtener financiamiento nacional e internacional, para estudiar estas estructuras y su papel en la TB, así como al momento de presentar los resultados de nuestros estudios a revisión de pares en revistas internacionales, las respuestas reflejaban que, para los campos médico y microbiológico actuales es difícil aceptar que las biopelículas tienen algún papel o relevancia en la TB. Esto, sólo podemos asumirlo sin tener certeza de ello, pudo deberse principalmente al enfoque hacia que Mtb no forma una estructura adherida a una superficie durante la enfermedad.
No obstante, conforme a una propuesta reciente que busca un concepto más amplio de las biopelículas como comunidades organizadas de células adheridas que presentan una sustancia polimérica extracelular [1], históricamente se ha reconocido la capacidad de Mtb de autoagregarse y formar “cordones” o “serpentinas” de bacterias, y que estas estructuras si bien en número limitado, se han encontrado en las muestras expectoradas de pacientes con TB activa. Conforme a la definición más amplia de biopelícula, los “cordones”, “serpentinas” o autogregados de Mtb encontrados en expectoraciones o lesiones evaluadas en personas (o animales infectados experimentalmente) coindicen con ser comunidades de células adheridas, cumplen con esta parte de la definición. Ahora bien ¿qué pasa respecto a las sustancias poliméricas extracelulares? Hagamos una pausa breve antes de entrar de lleno en este aspecto, para citar algo que es relevante en el tratamiento de la enfermedad en personas.
Los medicamentos para tratar la TB activa, cuando se trata de casos derivados de una infección con Mtb sensible a antibióticos, se deben administrar en una combinación de 4 a 6 fármacos durante al menos 6 a 9 meses para que el tratamiento sea eficaz. La diferencia entre la susceptibilidad a los medicamentos de Mtb en cultivos de laboratorio y la de los humanos sugiere que los métodos de laboratorio utilizados actualmente para la detección de fármacos potenciales no simulan completamente el estado fisiológico de Mtb in vivo. Así, hallazgos en el laboratorio (in vitro) han permitido conocer sobre el aumento de la tolerancia antimicrobiana que poseen las biopelículas en comparación con las células planctónicas (individuales) micobacterianas. Esto ha dado lugar a hipotetizar que la tolerancia al tratamiento en una persona enferma con TB y el largo tiempo requerido para curarla, puede reflejar que Mtb se encuentra, al menos en cierta proporción, en una condición si no idéntica a las biopelículas formadas en el laboratorio, si con un grado de semejanza tal, que una parte de la población se vuelve más tolerante a los antibióticos empleados.
Regresemos ahora al tema de las sustancias poliméricas extracelulares de las biopelículas formadas in vitro por Mtb. Entre ellas, se encuentran, por un lado, los ácidos micólicos [2,3], y por otro, la celulosa. Los ácidos micólicos son un componente encontrado en cultivos de laboratorio de Mtb, en diferentes “partes” de la micobacteria, entre ellas, la pared celular o ya en la capa más externa, la cápsula, misma que fue descrita recientemente y que ha sido posible definir por modificaciones en las condiciones de cultivo, así como avances técnicos en microscopía electrónica. Sin duda, el que los ácidos micólicos ya se hubieran descrito años atrás en células plantónicas (individuales) de Mtb y que no necesariamente se producen de manera específica al formar una comunidad de células adheridas, podría contribuir a poner en duda que se trata de una “verdadera” sustancia polimérica extracelular. Sin embargo, es preciso notar que los ácidos micólicos presentes en biopelículas difieren, al menos en longitud de sus cadenas de lípidos, de aquellas presentes en células individuales, por lo cual, en nuestra opinión, sí pueden considerarse como sustancia polimérica extracelular característica de las biopelículas.
Desde luego, regresamos al problema original: ¿podemos afirmar que hay biopelículas de Mtb durante la TB? Al estar presentes los ácidos micólicos en más de una parte de la estructura celular de Mtb, de encontrarse por métodos convencionales (tinción y microscopía en muestras expectoradas o lesiones de pacientes con TB), no puede asegurarse si Mtb está formando, o no, una biopelícula durante la enfermedad. Tendría que analizarse a detalle longitud de los lípidos presentes en dichas lesiones o muestras y ver si coinciden con lo encontrado en el laboratorio, y aun, de ser el caso, quedaría la duda de si esto pudiera tratarse de un producto de degradación ocurrido en algún punto durante el curso de la enfermedad.
Toca el turno de otro componente descrito en biopelículas de Mtb formadas en el laboratorio: la celulosa. Curiosamente, la celulosa es el componente estructural más importante de la pared celular de las plantas y es a la vez el polisacárido más abundante y la principal fuente de carbono fijado fotosintéticamente en la tierra [4, 5], por lo que inmediatamente surge la pregunta de ¿por qué se presenta y qué papel juega en bacterias? En muchas proteobacterias, los primeros informes sobre la contribución de la celulosa indicaron que ésta era la responsable de la agregación celular en la biopelícula, lo que permitía que flotara hacia la superficie del cultivo donde el oxígeno estaba fácilmente disponible para las bacterias [6].
Además de esta función, la celulosa podría brindar protección contra los efectos mutagénicos de la luz ultravioleta [7]. Entre otras especies bacterianas, se ha descrito la presencia de celulosa en E. coli, Salmonella y Klebsiella. En estas especies, la celulosa a menudo interactúa con las fimbrias para desarrollar la matriz de la biopelícula que es responsable del fenotipo de colonia (áspera, seca y roja), que protegen a las células del estrés o de las respuestas inmunes del huésped y permiten la sinergia comunitaria en la colonización de superficies y la captura de nutrientes [8]. Otros grupos han observado que la producción de celulosa mejora la unión de las células epiteliales y reduce la respuesta inmunitaria a las bacterias en la cepa de E. coli Nissle 19917 [9].
Recientemente, Trivedi y colaboradores demostraron que Mtb produce filamentos de celulosa bajo un estímulo reductor con ditiotreitol (DTT), y mostró que Mtb reduce dramáticamente la formación de biopelícula con la adicción de la enzima celulasa in vitro, lo que respalda el papel esencial de la celulosa en la estructura e integridad de la biopelícula [10], al menos bajo las condiciones experimentales evaluadas en ese trabajo. Además, en otro estudio reciente se demostró que, usando a la celulosa como biomarcador, ésta se encontró en lesiones producidas por Mtb en los pulmones de ratones, primates no humanos y personas con TB [11].
Por supuesto, entre las interrogantes que surgen de estos estudios podemos pensar en las siguientes: ¿qué pasa con la presencia de ácidos micólicos libres durante la adición de DTT? Es decir, los autores que caracterizaron la presencia de celulosa en cultivos de micobacterias no refieren nada al respecto de ácidos micólicos ¿también se producen o son excluyentes con la celulosa? Por extensión ¿qué pasa con la presencia de celulosa ante la ausencia de DTT? ¿por qué los trabajos previos de tolerancia a antibióticos [3] no describieron otras macromoléculas en las sustancias poliméricas extracelulares de estas biopelículas?
Cabe cuestionarse, así mismo: ¿La biopelícula es la única condición para sintetizar celulosa o también ocurre cuando crecen en forma planctónica? De una u otra manera esto podría generar un gran aporte para el desarrollo biotecnológico de celulasas, como un enfoque terapéutico complementario para la TB, que podría potenciar los agentes antimicrobianos a través de la interrupción de la matriz de exopolisacáridos en las biopelículas micobacterianas. Esto podría disminuir las terapias prolongadas con antibióticos. Además, las biopelículas pueden reducir la susceptibilidad de las bacterias a los agentes antibacterianos y, por tanto, aumentar el riesgo de cronicidad de una infección; por lo tanto, comprender el mecanismo molecular detrás de la síntesis de celulosa y la formación de biopelículas nos parece de suma importancia para proponer medidas preventivas o terapéuticas nuevas contra la TB.
Referencias
[1] K. Sauer, P. Stoodley, D.M. Goeres, L. Hall-Stoodley, M. Burmolle, P.S. Stewart, T. Bjarnsholt, The biofilm life cycle: expanding the conceptual model of biofilm formation, Nat Rev Microbiol 20(10) (2022) 608-620.
[2] M.S. Islam, J.P. Richards, A.K. Ojha, Targeting drug tolerance in mycobacteria: a perspective from mycobacterial biofilms, Expert review of anti-infective therapy 10(9) (2012) 1055-66.
[3] A.K. Ojha, A.D. Baughn, D. Sambandan, T. Hsu, X. Trivelli, Y. Guerardel, A. Alahari, L. Kremer, W.R. Jacobs, Jr., G.F. Hatfull, Growth of Mycobacterium tuberculosis biofilms containing free mycolic acids and harbouring drug-tolerant bacteria, Mol Microbiol 69(1) (2008) 164-74.
[4] R. Doi, A. Kosugi, Celulosomas: complejos enzimáticos que degradan la pared celular de la planta. Nat Rev Microbiol 2 , 541–551 (2004). https://doi.org/10.1038/nrmicro925
[5]L. R. Lynd, P. J. Weimer, W. H. van Zyl, I. S. Pretorius, Microbial cellulose utilization: fundamentals and biotechnology. Microbiology and molecular biology reviews: MMBR, 66(3), (2002) 506–577. https://doi.org/10.1128/MMBR.66.3.506-577.2002
[6] K.E. Cook, J.R. Colvin, Evidence for a beneficial influence of cellulose production on growth ofAcetobacter xylinum in liquid medium, Curr Microbiol 3(4) (1980) 203-5.
[7] D. H. Limoli, C. J. Jones, D. J. Wozniak, (2015). Bacterial Extracellular Polysaccharides in Biofilm Formation and Function. Microbiology spectrum, 3(3), (2015). https://doi.org/10.1128/microbiolspec.MB-0011-2014
[8] U. Romling, Molecular biology of cellulose production in bacteria, Res Microbiol 153(4) (2002) 205-12.
[9] C. Monteiro, I. Saxena, X. Wang, A. Kader, W. Bokranz, R. Simm, D. Nobles, M. Chromek, A. Brauner, R. M. Brown, U. Römling, Characterization of cellulose production in Escherichia coli Nissle 1917 and its biological consequences. Environmental microbiology, 11(5), (2009) 1105–1116. https://doi.org/10.1111/j.1462-2920.2008.01840.x
[10] A. Trivedi, P.S. Mavi, D. Bhatt, A. Kumar, Thiol reductive stress induces cellulose-anchored biofilm formation in Mycobacterium tuberculosis, Nature communications 7 (2016) 11392.
[11] P. Chakraborty, S. Bajeli, D. Kaushal, B.D. Radotra, A. Kumar, Biofilm formation in the lung contributes to virulence and drug tolerance of Mycobacterium tuberculosis, Nat Commun 12(1) (2021) 1606.
1. Estudiante de Maestría en Ciencias en Innovación Biotecnológica
2. Investigador Titular C, Biotecnología Médica y Farmacéutica, Centro de Investigación y Asistencia en Tecnología y diseño del Estado de Jalisco, A.C. Av. Normalistas 800, Col. Colinas de la Normal, Guadalajara, Jalisco 44270. (33) 33 45 52 00 ext. 1301. floresv@ciatej.mx
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