Las bacterias bioluminiscentes y el calamar cola de pez hawaiano han formado una relación mutuamente beneficiosa desde hace mucho tiempo. La forma en que las bacterias organizan su comportamiento para colonizar calamares, a través de señales celulares y señales del medio ambiente, se detalla en un nuevo estudio dirigido por investigadores de Penn State.

Un artículo que describe el estudio está disponible en línea en la revista eLife. Los investigadores también muestran que es probable que el mecanismo que describen esté muy extendido en una amplia variedad de bacterias y que comprender esta coordinación de señales celulares será importante para comprender cómo las bacterias colonizan a sus huéspedes en general.

“La bacteria que estamos estudiando, conocida como Vibrio fischeri, está asociada con muchos huéspedes marinos diferentes, pero su asociación con el calamar bobtail hawaiano es la que mejor caracteriza”, dijo Tim Miyashiro, profesor asociado de bioquímica y biología molecular en Penn State College. Líder de equipo de ciencia e investigación.

Las sepias tienen un órgano fotosintético especializado escondido dentro de la parte inferior del manto, que está ocupado por bacterias. Se cree que el brillo de la bacteria ayuda al calamar a camuflarse cuando lo ven depredadores potenciales desde abajo. Las bacterias, a su vez, obtienen nutrientes del calamar para apoyar su crecimiento. Sin embargo, las sepias no nacen con bacterias en sus órganos blandos. Las bacterias del entorno deben llegar al órgano de luz más allá de la abertura del calamar.

Miyashiro dijo: “Se han caracterizado aspectos del comportamiento bacteriano en el órgano de luz, pero los mecanismos celulares que permiten que las bacterias colonicen los calamares en primer lugar aún no se comprenden bien, por lo que nos dispusimos a investigar cómo las bacterias inician la colonización”.

Dentro del órgano de luz, el comportamiento bacteriano está coordinado por la “detección de quórum”. Las bacterias liberan moléculas de señalización que aumentan en concentración a medida que la población bacteriana crece y se vuelve más densa. Cuando hay suficientes bacterias presentes, cuando se alcanza un quórum, la vía de señalización se activa para que las bacterias comiencen a producir bioluminiscencia y se suprima su capacidad de movimiento. Antes de colonizar el órgano fotosintético, las bacterias también forman grandes agregados de células, pero si se activa la vía de detección de quórum, es posible que no sean lo suficientemente móviles para migrar al órgano fotosintético.

“Entonces, la pregunta es: ‘¿Cómo evitan las bacterias la vía de detección de quórum cuando forman estas grandes agregaciones fuera del calamar y en su lugar inician un comportamiento que promueve la colonización?'”, Dijo Miyashiro. “Lo que hemos visto es que la vía de ensamblaje activa la producción de ARN de molécula pequeña que normalmente sería reprimida por la detección de quórum. Por lo tanto, cuando se activa la vía de señalización que conduce a la agregación fuera del calamar, se expresa una molécula de ARN, lo que permite a las células eludir la detección de quórum para permanecer móviles y oscuras. “

El pequeño ARN, llamado Qrr1, es parte de una vía de detección de quórum que suprime la capacidad de las bacterias para producir bioluminiscencia y promueve el movimiento hasta que se alcanza un quórum. Cuando se alcanza el quórum, la expresión de Qrr1 se cierra posteriormente.

“También se ha demostrado que Qrr1 es importante para la promoción de la colonización”, dijo Miyashiro. “Se podría esperar que Qrr1 se reprimiera durante la agregación como lo es durante la detección de quórum, pero esto no es lo que sucede. Por lo tanto, realizamos una serie de experimentos destinados a caracterizar el control molecular de la expresión de Qrr1 durante la agregación”.

Los investigadores demostraron que Qrr1 puede ser activado por un factor de transcripción, una proteína que controla cuándo y dónde se activan los genes en la célula, que también controla los genes involucrados en el ensamblaje. Un factor de transcripción, una proteína llamada SypG, es análoga a la que se usa para regular Qrr1 a través de la vía de detección de quórum. Esta similitud permite que SypG mejore la expresión de Qrr1 en las poblaciones durante la colonización y garantiza que Qrr1 no se exprese una vez dentro de la fotosíntesis. órgano para permitir la bioluminiscencia.

“Esta arquitectura reguladora compleja que controla la expresión de Qrr1 le permite desempeñar estos dos roles importantes y ayuda a coordinar el cambio de comportamiento de la colonización a la bioluminiscencia”, dijo Miyashiro. “Cuando observamos la familia de bacterias que incluye a V. fischeri, vemos estructuras muy similares que nos sugieren que este tipo de coordinación probablemente sea importante para muchas bacterias simbióticas”.

Además de Miyashiro, el equipo de investigación de Penn State incluye a Erica D. Surrett, estudiante de posgrado en el programa de Bioquímica, Microbiología y Biología Molecular (BMMB). Kirsten R. Guckes, investigadora postdoctoral en el laboratorio de Miyashiro; Primos Xi’an, un estudiante universitario. terry b Roskowski, estudiante de posgrado de BMMB; andres j. Cesire, tecnóloga de investigación en el laboratorio de Miyashiro; y C. Denise Okafor, Profesora de Bioquímica, Biología Molecular y Química. El equipo de investigación también incluye a Denise A. Ludvik y Mark J. Mandel de la Universidad de Wisconsin-Madison.

Este trabajo fue apoyado por un Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de EE. UU., una beca Gilliam del Instituto Médico Howard Hughes y una beca del Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas. Miyashiro es miembro del Centro de Microbioma One Heath en Penn State y de los Institutos Huck de Ciencias de la Vida de Penn State.