Deconstruyendo la microbiología mordisco a mordisco
El Conde Contar cuenta todos los fagos
¿Todavía recuerdas al Conde Contar de la serie de televisión infantil Plaza Sésamo? Este muppet vampiro enseña a los niños a contar y, francamente, ¡es muy bueno en eso! Si bien, puede ser divertido para los niños ver a un títere bebedor de sangre y obsesionado con las matemáticas en la televisión, resulta que contar es vital para casi todos los aspectos de nuestras vidas. Las matemáticas no solo representan la base de la economía y la ciencia, sino que también son una herramienta crucial para los microbios ya que les ayuda a tomar decisiones.
Pero, ¿cómo pueden contar organismos que son mucho más pequeños que una neurona humana? A lo largo de la evolución desarrollaron distintas estrategias, y en este artículo hablaremos de una de ellas. Para ser más específicos, nos centraremos aquí en la capacidad de contar del fago Lambda.
El tema de los fagos ya se ha tratado en varios artículos de MicroBites porque su biología es simplemente fascinante. Un breve resumen: los fagos son virus que infectan bacterias y arqueas. Representan un grupo extremadamente diverso de microorganismos y se pueden encontrar dondequiera que se encuentren procariotas. Un fago muy bien caracterizado es Lambda, que infecta a la bacteria modelo Escherichia coli.
Como muchos virus, el fago Lambda tiene dos formas de proliferación (Figura 1). El ciclo lítico es lo que la mayoría de la gente podría asociar con una infección viral. El virus ingresa a una célula, secuestra su maquinaria molecular para producir copias de sí mismo y luego, en cierto punto, lisa la célula para liberar cientos de nuevos virus al medio ambiente listos para infectar. El ciclo lisogénico, por otro lado, es un poco más elaborado. El virus ingresa a una célula, pero no abusa de los recursos de la célula para replicarse sin cesar. En cambio, inserta su propio genoma, llamado profago, en el genoma del huésped. Este es un estado latente del virus, que espera despertar y entrar en el ciclo lítico. ¿Cómo sabe un virus qué camino elegir, lítico o lisogénico? Bueno, parece que Tianyou Yao y sus colegas se acercaron un poco más a responder esta pregunta.
Durante mucho tiempo se ha discutido que existe una correlación numérica entre los virus y las células huésped. La hipótesis actual establece que la proporción de virus a células huésped decide qué camino se seguirá. Esto significa que si múltiples fagos ingresan a una célula huésped van a desencadenar simultáneamente la vía lisogénica. Esto se conoce como la multiplicidad de infecciones (MOI, por sus siglas en inglés). La lógica detrás de esto es simple: si múltiples virus pueden infectar una célula a la vez, la proporción de virus a células víctimas tiene que ser muy alta. Por lo tanto, no tiene sentido que el virus produzca aún más copias de sí mismo. En cambio, elige incrustarse en el genoma del huésped y esperar un cambio en el entorno.
El aspecto que no había quedado claro hasta ahora es cómo el fago cuenta la MOI y cómo lo hace mientras replica su propio genoma al mismo tiempo. Para resolver este enigma, el grupo de investigación dirigido por Tianyou Yao evaluó los niveles de ARN mensajero (ARNm) de tres genes virales, llamados cI, cII y cro, en células de E. coli infectadas por el fago Lambda. Estos tres genes se influyen mutuamente en una red compleja de bucles de activación y represión (Figura 2). La proporción específica de expresión de uno a otro conduce a la trayectoria lítica o lisogénica. Una alta tasa de expresión de cro conduce a la trayectoria lítica, mientras que una alta expresión de cI promueve la vía lisogénica.
Para descartar la influencia de la autorreplicación del fago, que normalmente comienza inmediatamente después de ingresar a la célula huésped, los investigadores probaron primero una variante de Lambda que no puede replicarse (no replicante). Tras la infección con este fago modificado, contaron la cantidad de genomas virales en una sola célula de E. coli, así como la cantidad de ARNm de los tres genes de interés para ver cuál sería la influencia de la MOI en los niveles de ARNm de los genes y, en consecuencia, la trayectoria de la infección viral.
Sorprendentemente, los investigadores descubrieron que una expresión de genes para la trayectoria lítica (cro) nunca se activó en un grado lo suficientemente alto como para seguir esta ruta. Por otro lado, encontraron que los genes de la vía lisogénica estaban regulados al alza con el aumento de la MOI. Sorprendentemente, ¡los fagos no replicantes no pudieron tomar una decisión para una u otra trayectoria con un MOI bajo!
Con base en sus propios resultados de laboratorio, así como en datos de la literatura, los investigadores establecieron modelos matemáticos para describir el comportamiento de los fagos que no se replican y los que sí se replican. Al usar este modelo, los investigadores demostraron que sólo en infecciones con exactamente un fago por célula huésped ( MOI = 1) conduce a la vía lítica, mientras que cualquier MOI más alto desencadenará el ciclo lisogénico. Se podría decir que el fago lambda es un poco opuesto a la mayoría de los humanos: le gusta divertirse solo, pero se vuelve muy somnoliento cuando hay compañía.
Pero, ¿cuál es la razón de este comportamiento? Tianyou Yao et al. demostraron una delicada interacción de activación y represión de diferentes regiones promotoras (elementos genéticos que promueven la transcripción de un determinado gen), que dependen de la MOI inicial. Un MOI más alto estimula una activación proporcionalmente más alta del gen cI, que, a su vez, reprime la transcripción del gen cro (recuerde: niveles altos de cro conducirían hacia la trayectoria lítica). El virus, entonces, sigue la ruta lisogénica. Por lo tanto, incluso los seres más pequeños y genéticamente simples de nuestro planeta desarrollaron un sistema sofisticado para detectar la presencia de los demás.
Eso sí, no olvides que el esfuerzo de los investigadores por desentrañar este enigma también merece un aplauso. Su trabajo muestra hasta qué punto se han desarrollado las técnicas bioquímicas modernas y cuán poderosa puede ser la combinación de datos experimentales con modelos computacionales. ¡Incluso el Conde Contar quedaría impresionado con estos trucos matemáticos!
Featured image: https://muppet.fandom.com/wiki/Count_von_Count?file=CountVonCount.png
Traducido por Julián E. Prieto-Vivas
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