Como las bacterias que disparan arpones
Un sorprendente anclaje en la célula
Biólogos de la ETH de Zúrich han descubierto sistemas de inyección molecular similares a fusiles en dos tipos de bacterias y han descrito su estructura por primera vez. Estas nanomáquinas especiales son utilizadas por los microbios para la interacción entre células y podrían ser útiles algún día como herramientas en biomedicina.
La recién descubierta nanomáquina de inyección de las cianobacterias se encuentra en un lugar inusual, concretamente en la membrana del tilacoide (verde).
Graphic: from Weiss G., et al, Nature Microbiology 2022, CC BY 4.0
Muchas bacterias tienen sofisticados dispositivos de inyección molecular que sirven para hacer cosas sorprendentes. Por ejemplo, una bacteria inocula ciertas moléculas en una larva de gusano a través de una nanomáquina de este tipo compuesta por proteínas, lo que desencadena la transformación de la larva en un gusano adulto. Otras bacterias utilizan estas armas moleculares para matar cepas extrañas de bacterias o larvas de insectos, o se defienden de las células carroñeras.
Los investigadores del grupo de Martin Pilhofer, catedrático del Instituto de Biología Molecular y Biofísica de la ETH de Zúrich, especializado en este tipo de máquinas de inyección molecular, acaban de describir en la revista Nature Microbiology dos novedosos sistemas de inyección: uno fabricado por cianobacterias, también conocidas como algas verdeazules, y otro por la bacteria marina Algoriphagus machipongonensis.
Los llamados sistemas de inyección contráctil (SIC) recién descubiertos funcionan de forma fundamentalmente diferente a los dispositivos descritos anteriormente y tienen algunas características únicas. Como resultado, también proporcionan información sobre las diferencias evolutivas entre las distintas clases de sistemas de inyección.
Estos SIC funcionan como jeringuillas moleculares. Cuando el módulo de la vaina exterior de la nanomáquina se contrae, sale disparado un tubo interno oculto lleno de proteínas. Estas proteínas se inyectan en el entorno o directamente en una célula objetivo.
Un sorprendente anclaje en la célula
Un novedoso CIS, que los investigadores encontraron en las cianobacterias, no estaba anclado en la membrana celular o flotando libremente en el interior de la célula, como era de esperar, sino que estaba adherido a la llamada membrana tilacoide, donde tiene lugar la fotosíntesis en estas bacterias.
"Esa fue la mayor sorpresa para nosotros", afirma Gregor Weiss, autor principal del estudio sobre el sistema de inyección de las cianobacterias. A pesar de esta inusual localización, los CIS anclados en la membrana del tilacoide -denominados tCIS- cumplen su función. Si las cianobacterias se ven sometidas a estrés, por ejemplo por concentraciones excesivas de sal en el agua o por la luz ultravioleta, las capas celulares externas se desprenden. Esto deja al descubierto los tCIS que miran hacia fuera, listos para disparar al entrar en contacto con posibles células objetivo.
Los arpones moleculares también son inesperadamente comunes, lo que según Weiss indica un papel importante en el ciclo vital de las cianobacterias. Sospecha que el tCIS podría desempeñar un papel en la muerte celular programada de células individuales en estas cianobacterias multicelulares.
Sistema de inyección extracelular
Por otro lado, los investigadores de la ETH Jingwei Xu y Charles Ericson, que también trabajan en el grupo de Pilhofer, descubrieron y describen un CIS producido por la bacteria marina Algoriphagus machipongonensis, que no está anclado en la célula en absoluto, sino que se libera en el entorno para actuar sobre las células objetivo de la zona.
Entre otras cosas, los investigadores utilizaron la criomicroscopía electrónica para determinar la estructura de este subtipo específico de CIS expulsado (eCIS) en muy alta resolución, lo que ningún otro grupo de trabajo había podido hacer hasta ahora. "Las nanomáquinas recién descubiertas nos dan pistas de que los sistemas de inyección contráctil son más comunes de lo que se pensaba", afirma Ericson.
De las moléculas a las bacterias enteras
Estos estudios son especiales por su enfoque interdisciplinario y diverso: desde bacterias recogidas en ecosistemas naturales hasta modelos a nivel atómico de sus respectivos CEI. "Este trabajo muestra muy bien cómo se pueden utilizar diferentes técnicas para hacerse una idea de cómo funcionan estos sistemas y estructuras", explica Weiss. Además, el estudio demuestra que es necesario pasar de las cepas de laboratorio a las muestras ambientales para comprender el papel de los sistemas de inyección en el ciclo vital.
Futuro uso en biomedicina
Los dos estudios ayudan a los investigadores a entender cómo afectan los organismos productores de CIS a su entorno. Además, los distintos lugares de estos sistemas arrojan luz sobre cómo se organiza cada SIC para un propósito específico: los receptores especializados de tipo capilar permiten la unión selectiva de las células diana, la carga variable de estas esparavanas moleculares provoca distintos efectos celulares y los distintos mecanismos de anclaje permiten a los SIC modos de acción completamente diferentes.
Teniendo esto en cuenta, es concebible que los futuros investigadores utilicen la estructura modular en biomedicina rediseñándola para que un fusil molecular pueda dirigirse a tipos celulares específicos y disparar fármacos o antimicrobianos.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Weiss GL, Eisenstein F, Kieninger A-K, et al.; "Structure of a thylakoid-anchored contractile injection system in multicellular cyanobacteria"; Nature Microbiology; 2022.
Xu J, Ericson CF, Lin Y-W, et al.; "Identification and structure of an extracellular contractile injection system from the marine bacterium Algoriphagus machipongonensis"; Nature Microbiology; 2022.
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