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Investigadores de la UCL han grabado las imágenes más nítidas jamás obtenidas de bacterias vivas, revelando la compleja arquitectura de la capa protectora que rodea a muchas bacterias y las hace más difíciles de matar por los antibióticos.
El estudio, publicado hoy (25 de octubre de 2021) en Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA y realizado en colaboración con científicos del National Physical Laboratory, el King's College de Londres, la Universidad de Oxford y la Universidad de Princeton, revela que las bacterias con capas externas protectoras -llamadas bacterias Gram-negativas- pueden tener puntos más fuertes y más débiles en su superficie.
El equipo descubrió que la membrana externa protectora de las bacterias contiene densas redes de bloques de construcción de proteínas alternadas por parches que no parecen contener proteínas. En su lugar, estos parches están enriquecidos con moléculas con cadenas azucaradas (glucolípidos) que mantienen la membrana externa hermética.
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| Imagen microscópica de una bacteria E. coli viva, que revela la naturaleza irregular de su membrana externa protectora. Una red de proteínas densamente empaquetada se ve interrumpida por islas lisas sin proteínas (marcadas con líneas discontinuas en el recuadro). Crédito: Benn et al. UCL |
Se trata de un hallazgo importante porque la dura membrana externa de las bacterias Gram negativas impide que ciertos fármacos y antibióticos penetren en la célula: esta membrana externa es parte de la razón por la que la resistencia a los antimicrobianos de dichas bacterias (incluidas A. baumannii, P. aeruginosa y enterobacterias como Salmonella y E. coli) se considera ahora una amenaza mayor que la de las bacterias Gram positivas, como S. aureus resistente (bien conocida como MRSA).
"La membrana externa es una barrera formidable contra los antibióticos y es un factor importante para que las bacterias infecciosas sean resistentes al tratamiento médico. Sin embargo, aún no está muy claro cómo se forma esta barrera, por lo que decidimos estudiarla con tanto detalle", explica el autor correspondiente, el profesor Bart Hoogenboom (Centro de Nanotecnología de la UCL y de Física y Astronomía de la UCL).
"Al estudiar las bacterias vivas desde la escala molecular hasta la celular, podemos ver cómo las proteínas de la membrana forman una red que abarca toda la superficie de la bacteria, dejando pequeños huecos para los parches que no contienen proteínas. Esto sugiere que la barrera puede no ser igual de difícil de romper o de extender por toda la bacteria, sino que puede tener puntos más fuertes y más débiles que también pueden ser objetivo de los antibióticos."
Para comprender mejor esta arquitectura, los científicos pasaron una diminuta aguja por encima de bacterias Escherichia coli (E. coli) vivas, "sintiendo" así su forma general. Como la punta de la aguja solo tiene unos pocos nanómetros de ancho, esto permitió visualizar las estructuras moleculares de la superficie bacteriana.
Las imágenes resultantes muestran que toda la membrana externa de la bacteria está repleta de agujeros microscópicos formados por proteínas que permiten la entrada de nutrientes al tiempo que impiden la entrada de toxinas. Aunque se sabía que la membrana externa contenía muchas proteínas, esta naturaleza abarrotada e inmóvil había sido inesperada.
Sorprendentemente, las imágenes también revelaron muchas manchas que no parecían contener proteínas. Estas manchas contienen un glicolípido que normalmente se encuentra en la superficie de las bacterias Gram negativas. Además, se formó un tipo diferente de parche similar a un grano cuando partes de la membrana se volvieron del revés debido a mutaciones. En este caso, la aparición de estos defectos se correlacionó con una mayor sensibilidad a la bacitracina, un antibiótico que normalmente solo es eficaz contra las bacterias Gram-positivas, pero no contra las Gram-negativas.
Como explica Georgina Benn, que realizó la microscopía de las bacterias en el laboratorio del profesor Hoogenboom en la UCL: "La imagen de libro de texto de la membrana externa bacteriana muestra las proteínas distribuidas por la membrana de forma desordenada, bien mezcladas con otros componentes de la membrana. Nuestras imágenes demuestran que no es así, sino que las manchas de lípidos se separan de las redes ricas en proteínas como el aceite se separa del agua, formando en algunos casos grietas en la armadura de la bacteria". Esta nueva forma de observar la membrana externa significa que ahora podemos empezar a explorar si ese orden es importante para la función de la membrana, su integridad y su resistencia a los antibióticos, y cómo lo es".
El equipo también especula que los hallazgos pueden ayudar a explicar las formas en que las bacterias pueden mantener una barrera protectora muy apretada y, al mismo tiempo, permitir un rápido crecimiento: la bacteria común E. coli duplica su tamaño y se divide en 20 minutos en condiciones favorables. Sugieren que los parches de glicolípidos pueden permitir un mayor estiramiento de la membrana que las redes de proteínas, lo que facilita que la membrana se adapte al tamaño creciente de la bacteria.
Fuentes, créditos y referencias:
Phase separation in the outer membrane of Escherichia coli, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2112237118