Deconstruyendo la microbiología mordisco a mordisco

Una toxina para matarlos a todos.

Esta historia tuvo lugar en el sureste de Estados Unidos, pero esto podría suceder en muchas otras partes del mundo. Es en este escenario, una misteriosa enfermedad afectaba a las aves rapaces y acuáticas cercanas a los cuerpos de agua artificiales. Los pájaros empezaron a perder peso. Cayeron en picado al suelo, chocando contra objetos al perder la capacidad de coordinar sus movimientos. Esta enfermedad neurológica que contrajeron, la mielinopatía vacuolar (VM), las llevó a la muerte. El agente de esta enfermedad: la cianobacteria Aetokthonos hydrillicola.

La pregunta es: ¿Cómo pudo una cianobacteria matar a un ave rapaz?

Un poco de historia

La epidemia comenzó a mediados de los 90, con el descubrimiento de un elevado número de muertes de águilas calvas. Pero no solo las aves rapaces, las aves acuáticas como las gallaretas, los patos de cuello anillado, los ánades reales y los gansos canadienses también se vieron afectados. La característica subyacente de esta mortalidad masiva es la proximidad de un cuerpo de agua creado por el hombre (lagos recreativos, embalses hidroeléctricos, estanques agrícolas, etc.). En todos estos cuerpos de agua, Susan B. Wilde [1] encontró la presencia de una planta acuática exótica, Hydrilla verticillata, ¡En esta planta acechaba una bacteria!

Figura 1. Cianobacterias (en rojo) en una hoja de Hydrilla verticillata. Imagen copiada directamente sin modificaciones de Susan B. Wilde et al [2].

Figura 2. Aetokthonos hydrillicola, la asesina de águilas. Imagen copiada directamente sin modificaciones de Susan B. Wilde et al [2].

S. B. Wilde describe a esta bacteria epífita (organismo que vivía en la superficie de una planta) como un nuevo miembro de las cianobacterias y la llamó Aetokthonos hydrillicola (en griego: “Asesino de águilas que reside en Hydrilla”) (Figura 1 y 2) [2].

Sorprendentemente, Aetokthonos hydrillicola cultivado en laboratorios no puede causar VM en pollos (Figura 3).

Figura 3. A. hydrillicola cultivada en laboratorio no puede causar VM en pollos. Figura hecha en Biorender.

Cómo este pequeño e insignificante organismo podría afectar a la grande y mala ave rapaz

La cianobacteria es un filo de bacteria que puede utilizar la luz como fuente única de energía, también conocida como fotosíntesis. Desafortunadamente, los miembros de las cianobacterias a menudo pueden sintetizar, además de la energía, una amplia gama de toxinas. Breinlinger y sus colegas [3] plantean la hipótesis de que A. hydrillicola produce toxinas solo en condiciones específicas (Figura 4). Para dilucidar esta hipótesis, los investigadores recolectaron muestras de H. verticillata con A. hydrillicola en sitios confirmados de mielinopatía vacuolar (VM). Realizaron un experimento AP-MALDI-MSI. Esta técnica permite la detección de compuestos específicos de cianobacterias in situ (como toxinas, metabolitos…)

Figura 4. Hipótesis: A. hydrillicola puede producir su toxina solo en condiciones ambientales. Figura hecha en Biorender

Curiosamente, se encontró un metabolito desconocido en muestras ambientales, pero no en cultivos derivados de laboratorio (Figura 5).

Figura 5. La estructura de AETX con cinco átomos de bromo (Br). Figura hecha en Chemwriter.

Este nuevo compuesto natural parece contener cinco átomos de bromo. Notablemente, el medio de cultivo en el laboratorio no contenía bromo. Los autores plantearon la hipótesis de que la falta de bromo contribuyó a que la versión de laboratorio de A. hydrillicola no pudiera sintetizar toxinas. Para probar esto, complementaron el medio de cultivo de laboratorio con bromuro de potasio. ¡Emoción! ¡La adición resultó en la biosíntesis de la toxina! (Figura 6)

Figura 6. Izquierda: A. hydrillicola no puede sintetizar la toxina en condiciones de laboratorio. Derecha: La suplementación con bromuro de potasio permite que A. hydrillicola sintetice la toxina. Figura hecha en Biorender.

Sin embargo, en esta etapa surge una nueva pregunta: ¿De dónde proviene este bromuro en el medio ambiente? Breinlinger y sus colaboradores notaron que, en los cuerpos de agua artificiales, las plantas acuáticas H. verticillata contienen niveles más altos de bromo tanto en el sedimento (20 veces) como en el agua (500 a 1000 veces). Durante el final del otoño, cuando H. verticillata envejece, las hojas cambian de color y al final, la caída y la degradación total de las hojas liberan bromo al ambiente local, donde puede ser utilizado por A. hydrillicola para sintetizar su toxina.

Veneno que no solo mata águilas

Los autores llamaron a esta toxina etoctonotoxina (AETX) por “veneno que mata al águila” en griego. Encontraron un grupode genes en dos A. hydrillicola distintos aislados de cuerpos de agua. Este grupo (aet deA a F) no está presente en otras bacterias, parece ser específico y muy probablemente útil para sintetizar esta toxina (Figura 7).

Figura 7. Grupode genes encontrado en A. hydrillicola. Las flechas representan genes. Ungrupo de genes es un conjunto de genes que codifican proteínas que trabajan juntas para realizar la misma función (como sintetizar toxinas).

La triptofanasa (AetE) podría convertir el triptófano (un aminoácido) en indol, las dos halogenasas (AetA y F) podrían servir para la bromación (introducción del ión bromo) de la toxina. Para probar esta hipótesis, Breinlinger y sus colegas mezclaron AetF con triptófano. De hecho, el resultado demuestra una adición de dos bromos al triptófano (Figura 8).

Figura 8. Pasos de la bromación de un triptófano (izquierda) por AetF. La proteína agrega un primer bromo (medio) y luego un segundo bromo (derecha). Figura hecha en Chemwriter.

AetF trabaja junto con las otras proteínas Aet para producir la toxina AETX.

Luego, los autores aislaron la toxina y la probaron en animales para determinar la dosis letal para el 50% de la población (LC₅₀). Para Caenorhabditis elegans (gusano) es de 40 nM, para las larvas de Danio rerio (pez cebra) es de 275 nM. Por ejemplo, un terrón de azúcar diluido en un vaso de agua tiene una concentración de 292 mM (292 000 000 nM). En concentraciones subletales, se observaron comportamientos neurológicos como la pérdida del equilibrio en el pez cebra, ¡El mismo comportamiento que en las aves rapaces!

El último experimento de Breinlinger es el bioensayo aviar. Los pollos se alimentaron con una suspensión de AETX purificada (izquierda en la figura 9) o con AETX que contenía H. verticillata-A. hydrillicola (en el centro de la figura 9), o con solvente (a la derecha en la figura 9). No se encontraron signos clínicos en todos los pollos, pero hubo una extensa aparición de vacuolas (compartimentos llenos de líquido) en la sustancia blanca del cerebro en pollos que habían ingerido AETX, lo que confirma que AETX es el agente causante de VM.

Figura 9. Los pollos fueron alimentados con AETX (izquierda), AETX y *H. verticillata* más *A. hydrillicola* como control positivo (centro) o con solvente como control negativo (derecha). Solo los pollos que ingirieron AETX muestran vacuolización en su cerebro. Figura hecha en Biorender.

La escalofriante conclusión

El AETX sintetizado por las cianobacterias presentes en la parte superior de una planta exótica en un cuerpo de agua artificial puede transmitirse a todos los miembros de la red alimentaria, desde aves acuáticas herbívoras hasta aves rapaces. Los biosintetizadores AETX necesitan biodisponibilidad de bromuro que podría provenir de origen geológico o antrópico, como los herbicidas utilizados para matar, irónicamente, plantas acuáticas.

Esto demuestra una vez más que todos los organismos vivos están conectados entre sí y con el medio ambiente y algo que pueda tocar a uno de ellos podría tocarlos a todos (Figura 10).

Figura 10. La toxina cianobacteriana podría afectar a todos los organismos vivos de la cadena alimentaria, incluidos los humanos. La planta (derecha) es H. verticillata, las bacterias de las hojas son A. hydrillicola, la molécula es la toxina AETX.

Una toxina para matarlos a todos, y atarlos en las tinieblas.

En las tierras de la Tierra donde se extienden las Sombras.

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Imagen publicada:: Source Pen Waggener CC By 2.0 license

Traducido por: Santiago Chaillou