Quorum Sensing y la bioluminiscencia

El comportamiento de la naturaleza está determinado por acciones grupales. Está claro que en todos los niveles de la cadena trófica el comportamiento colectivo ayuda a la supervivencia del grupo y da mayores posibilidades de éxito a la especie.
 Desde las colonias de hormigas que construyen balsas para cruzar ríos amazónicos en épocas de inundación, hasta las acacias que emiten etileno por los poros de sus hojas cuando son mordisqueadas por antílopes, "alertando" al resto de la población que incrementa sus niveles de taninos en las hojas de forma letal para los depredadores. 
Si exploramos otros dominios como Bacteria, la participación de un grupo de bacterias en una determinada actividad es un poco más intrigante.


Cuando hablamos de cierto comportamiento colectivo en una colonia de bacterias, nos referimos al término Quorum Sensing (QS), en el que se produce un intercambio de señales químicas entre bacterias. Podemos entender el QS pues como un tipo de "lenguaje" entre bacterias mediado, en lugar de por palabras, por moléculas señalizadoras. 
El tipo de moléculas es específico de cada especie, por lo que en una biopelícula (comunidad con varias especies) por ejemplo,  no todas las bacterias colaborarán en la labor que se quiere llevar a cabo. 

Calamar Euprymna scolopes y
Vibrio fischeri.

Este comportamiento supone una gran ventaja para la bacteria pudiendo controlar la acción en conjunto de la colonia, como infecciones y enfermedades. Por ello,  lograr el control de la expresión de ciertos genes supone un importante avance en el control de enfermedades.
Un ejemplo de QS lo tenemos en Vibrio fischeri. Esta bacteria marina puede encontrarse en estado planctónico (no hay luminiscencia) o en simbiosis con ciertos peces o calamares luminiscentes. Esta asociación es la que les proporciona la bioluminiscencia, que en ocasiones es utilizada como camuflaje con la luz de luna (en calamares) y lo que es más común, como reclamo para la presa. A la investigación sobre la regulación de la luminiscencia de esta bacteria le debemos el descubrimiento del Quorum Sensing. Las moléculas responsables de dicha regulación son las N-acil-homoserina lactonas (AHL o Acil-HSL).
El mecanismo molecular de regulación consiste básicamente en la detección, síntesis y acumulación de AHL. La AHL es producida por la proteína LuxI de una bacteria y reconocida por la proteína LuxR. Si la densidad celular es elevada, la señal no se perderá y se acumulará en los alrededores de las bacterias. Las AHLs, por tanto, acumuladas en el medio exterior, también se acumularán en el interior de la célula, interaccionando con la proteína LuxR dada la mayor cantidad.

Ejemplo de la acumulación de Acil-HSL en el interior de la célula cuando la densidad celular es elevada y la unión de HSL  a la zona lux box de la secuencia de ADN.

Cuando la señal alcanza el umbral crítico, las AHL son capaces de interaccionar con la proteína receptora LuxR. El complejo LuxR/AHL se une a una región del ADN llamada lux box causando la expresión de los genes de luminiscencia. El mismo complejo LuxR/AHL induce una producción mayor de AHL contribuyendo a una retroalimentación del proceso.
He aquí la explicación de por qué  las Vibrio fischeri  son oscuras cuando viven por separado y producen bioluminiscencia cuando se encuentran en colonias.
Vibrio fischeri sólo es un ejemplo de Quorum Sensing, mecanismo que se desarrolla en otras muchas bacterias cuando están en compañía, como Agrobacterium tumefaciens, varias Erwinia, E. coli, Pseudomonas aureginosa y algunas Yersinia. 
Comunicación y coordinación entre seres unicelulares, para que veáis.


Referencias:
http://www.nottingham.ac.uk/quorum/index.htm


NOTA: Esta entrada participa en la IX Edición del Carnaval de Biología que acoge el blog La Ciencia de la Vida.

A los mandos del minirover, Geobacter

Geobacter sulfurreducens es una bacteria gram-negativa, anaerobia (aunque puede funcionar en presencia de oxígeno) y que se desarrolla principalmente en subsuelos y zonas de sedimentación fluvial. Famosa por su capacidad de oxidar compuestos orgánicos y metales (hierro y magnesio), por respirar metales radiactivos (uranio) y por la capacidad de  biodegradación anaerobia de derivados del petróleo, ha demostrado ser de gran interés en técnicas de biorremediación. G. sulfurreducens posee flagelos mediante los que se mueve hacia los compuestos metálicos y que pueden actuar como posible mecanismo de transferencia electrónica sobre óxidos de hierro. Otra de sus propiedades y en la que me centraré, será la actividad electrogénica, es decir, la capacidad de conversión de energía química en eléctrica.

Geobacter metaboliza la materia orgánica dando como resultado protones y dióxido de carbono. Los electrones generados en la respiración se transfieren fuera de la membrana de la bacteria mediante el citocromo c, una proteína que actúa como conductora, "extrayendo" los electrones desde el interior  hasta el electrodo que haga contacto con la bacteria.
Pero la producción de electricidad mediante microorganismos no es nada novedoso. En 1910, M. C. Potter, un profesor de la Universidad de Durham (Inglaterra), mediante un cultivo de  Escherichia coli y electrodos de platino logró generar una corriente eléctrica. Aunque lo lograra (de forma ínfima eso sí), no fue hasta los 80' cuando se produjo un verdadero interés por sus aplicaciones biotecnológicas.

Desde hace algunos años, la NASA  y el NRL (U. S. Naval Research Laboratory) han estado investigando el desarrollo de exploradores robóticos planetarios a pequeña escala. En un estudio reciente, el NRL propone un novedoso microrover autónomo, con un peso de casi un kilogramo, impulsado por  Células de combustible microbiana (MFC) y en este caso, utilizando a Geobacter sulfurreducens como principal protagonista.

Fotografía a microscopio electrónico de Geobacter sulfurreducens como núcleo de una célula de combustible microbiana. Fuente: NASA/NRL.

Las celdas MFC son dispositivos electroquímicos dotados de un ánodo en condiciones anaerobias y un cátodo en condiciones aerobias separados por una membrana de intercambio catiónico que permite el paso de protones. 

Esquema de una celda MFC donde los electrones liberados a través del citocromo c se transfieren hacia el ánodo. En la cavidad anaerobia (ánodo) se liberan protones y dióxido de carbono. En la cavidad aerobia se produce agua en presencia de los electrones y protones. Fuente imagen: Nature.

El género Geobacter actúa de mediador redox mediante contacto directo con el ánodo, a diferencia de otros géneros que secretan sus propios catalizadores que reaccionan con el electrodo negativo. Ya hemos visto que esta bacteria actúa como un catalizador biológico que puede transferir los electrones hacia el ánodo creando una corriente eléctrica. Por lo tanto y en teoría, tendríamos una fuente de energía casi inagotable, que dependería de la colonia de bacterias y el combustible que suministrasemos, azúcar en el caso de nuestro minirover.


Los Rovers Exploradores de la NASA (MERs), Spirit y Opportunity se alimentan principalmente de paneles fotovoltaicos junto con pequeñas aportaciones de isótopos radiactivos (ya no en el caso del fallecido Spirit). La sonda Curiosity, recientemente enviada a Marte (Noviembre de 2011), obtiene su energía, de manera excepcional, mediante generadores termoeléctricos de radioisótopos (dióxido de plutonio). 

Comparación de tamaños: Spirit/Opportunity, Sojourner y Curiosity.

Una cuestión importante en el desarrollo de futura robótica exploratoria será la duración de las baterías ante largos periodos de oscuridad. Pensemos también en ambientes hostiles como el que ofrece Marte donde las tormentas de polvo pueden disminuir el rendimiento de los paneles fotovoltaicos. En este punto saldríamos beneficiados por la innovación y el desarrollo de las células microbianas que, aunque no podrían impulsar a un rover como el Curiosity (900 kg de peso), sí podrían proveer de suministro eléctrico partes de su electrónica o colaborar en la recarga de baterías. 

Es aquí cuando surge la necesidad de desarrollar una fuente de alimentación que no sólo dependa de la energía solar o nuclear, para poder continuar nuestro viaje por el cosmos.


NOTA: Esta entrada participa en la VI Edición del Carnaval de la Tecnología alojado en el blog Scientia y en la IX Edición del Carnaval de Biología que acoge el blog La Ciencia de la Vida.

Fuentes:
http://www.semicrobiologia.org/pdf/actualidad/45/Geobacter.pdf
http://www.geobacter.org/publication-files/12620842.pdf