Pseudomonas Aeruginosa

Pseudomonas aeruginosa

Gloria Soberón

Instituto de Biotecnología, Universidad Nacional Autónoma de México

Introducción

Pseudomonas aeruginosa es una bacteria gram-negativa perteneciente a la rama γ de las proteobacterias, misma a la que pertenecen las enterobacterias(Fig. 1)(54,84).Dentro del género Pseudomonas se encuentran también algunas otras especies como P. fluorescens, P. putida, P. syringae y P. alcaligenes. P. aeruginosa se encuentra ampliamente distribuida en la naturaleza(11,31),se puede aislar de muestras de suelo, aguas pristinas y contaminadas, asi como de plantas y animales. Todas las cepas son potencialmente patógenas para el hombre y algunas pueden infectar también a plantas como Arabidopsis thaliana(62),y a invertebrados como Caenorhabditis elegans(73).Esta bacteria es capaz de utilizar una enorme variedad de compuestos orgánicos como sustrato para crecer, capacidad que le permite colonizar nichos en los que son escasos los nutrimentos que otros organismos pueden asimilar. Se ha reportado el aislamiento de P. aeruginosa de ambientes tan inhóspitos como son el combustible de avión, soluciones de clorhexidina y el jabón(31).

Para empezar este capítulo es interesante mencionar que P. aeruginosa tiene importancia para el hombre tanto porque le representa problemas, como porque puede ser útil en el tratamiento de la contaminación ambiental(Fig. 2).Contrariamente a lo que parece, todos nosotros estamos en contacto diariamente con Pseudomonas aeruginosa, ya que se encuentra en bajas cantidades en nuestros alimentos y en algunos artículos de limpieza(31).De hecho, se obtienen aislamientos de esta bacteria a partir de entre el 2 y el 8% de las heces de personas sanas(31),lo que nos muestra que nuestro contacto con esta bacteria es cotidiano y sólo representa una amenaza para nuestra salud en condiciones especiales, como veremos a continuación.

P. aeruginosa representa un problema importante de salud en centros hospitalarios, especialmente cuando se trata de pacientes con cancer(1)o quemados(41).Una vez que se establece la infección, P. aeruginosa produce una serie de compuestos tóxicos que causan no sólo daño tisular extenso, sino adicionalmente interfieren con el funcionamiento del sistema inmune(18, 46).Entre las proteínas que intervienen en la infección de P. aeruginosa encontramos toxinas, como las exotoxinas A y S, así como enzimas hidrolíticas que degradan las membranas y el tejido conjuntivo de diversos órganos(18,46).Esta situación se ve agravada por la dificultad para tratar las infecciones por P. aeruginosa, ya que esta bacteria presenta una muy alta resistencia natural a distintos antibióticos y a desinfectantes(30,72).

Existe un grupo poblacional especialmente vulnerable a las infecciones con P. aeruginosa formado por los enfermos de fibrosis quística(26,27,59).P. aeruginosa coloniza muy eficientemente el tracto respiratorio de estos pacientes, y a medida que progresa la infección se seleccionan derivados mucoides de la bacteria que producen grandes cantidades del exopolisacárido alginato(Fig. 3).Una vez que se establece una infección por cepas mucoides de P. aeruginosa en los pulmones de pacientes con fibrosis quística, estos están en la etapa terminal de la enfermedad. Esto se debe a que estas cepas no pueden ser eliminadas por el sistema inmune y, hasta el momento, no existe un tratamiento efectivo contra cepas mucoides.

Por otra parte, en ambientes acuosos esta bacteria se adhiere a superficies, produciendo una especie de agregado llamado biopelícula(12)(Fig. 4).La formación de estos cúmulos de bacterias y material extracelular representa un problema de salud pues contamina dispositivos que se implantan dentro del cuerpo, como por ejemplo dispositivos intrauterinos, catéteres(48)o válvulas cardiacas. Las biopelículas también representan un problema en el proceso de producción de diversas industrias pues provocan taponamiento y corrosión de conexiones y filtros.

Asimismo, P. aeruginosa presenta problemas en la industria alimentaria ya que puede descomponer los alimentos que se mantienen en refrigeración al mantener un metabolismo basal en estas condiciones y producir enzimas hidrolíticas(69).

Sin embargo, a la vez que P. aeruginosa causa al hombre distintos problemas, esta bacteria tiene diversas aplicaciones biotecnológicas, sobre todo en el área ambiental. Así se sabe que es uno de los pocos organismos capaces de degradar alcanos de cadena ramificada(65);que produce biosurfactantes que son útiles para la limpieza de suelos contaminados con hidrocarburos(42)o con metales pesados(45);y que produce enzimas, como la lipasa, con distintas aplicaciones potenciales(69).

Desde un enfoque básico P. aeruginosa representa un modelo de gran interés que, como veremos más adelante, ha sido estudiada desde múltiples enfoques. De hecho P. aeruginosa es una de las bacterias más estudiadas a nivel molecular y su genoma ha sido totalmente secuenciado recientemente(72,www.pseudomonas.com).En este capítulo revisaremos brevemente distintos aspectos de la biología de esta bacteria que tiene tantas y tan diversas relaciones con el hombre.

Dentro de esta introducción es importante mencionar que P. aeruginosa sobresale entre las bacterias por su extraordinaria capacidad de adaptación, ya que, como mencioné anteriormente, vive en ambientes muy diversos. Muchos autores incluso la han considerado como un organismo ubicuo(11,31,72,www.pseudomonas.com)aunque no se ha documentado su presencia en ambientes extremos. Por otra parte, es el único caso conocido de una bacteria ambiental en la que todos los aislamientos son potencialmente patógenos para el hombre(11,31,72,www.pseudomonas.com).Es también una característica particular de esta bacteria el arreglo de los genes que intervienen en la virulencia de la bacteria, ya que no están codificados en las llamadas "islas de patogénesis" como en las demás bacterias patógenas(29),sino se encuentran interdispersas en su cromosoma(72,www.pseudomonas.com).

La colonización de distintos ambientes por P. aeruginosa y la patogenia de los aislamientos ambientales nos plantean interrogantes evolutivas muy importantes que hacen fascinante el estudio de P. aeruginosa. Entre otras podemos hacernos las siguientes preguntas: ¿qué ventaja selectiva le da la producción de los factores de virulencia a P. aeruginosa viviendo en el medio ambiente? ¿cómo puede P. aeruginosa adaptarse a ambientes tan diversos?, y ¿por qué es distinto el arreglo genético de los genes que intervienen en la virulencia de la bacteria al de otras bacterias patógenas? El estudio de esta bacteria nos permitirá, pues, contestar problemas fundamentales acerca de la manera en la que se adapta a múltiples condiciones ambientales.

Estructura del Genoma

Recientemente se concluyó la secuencia completa del genoma de la cepa PAO1, que es la cepa tipo de P. aeruginosa y que fue aislada de un paciente con otitis media. Esta secuencia ya se encuentra disponible en el internet(www.pseudomonas.com)y su análisis fue recientemente publicado(72).El tamaño aproximado del único cromosoma circular(www.pseudomonas.com)que forma el genoma de esta bacteria es de cerca de 6.3 millones de pares de bases, con mucho el de mayor tamaño de los genomas de bacterias secuenciados hasta ahora(Tabla 1).Esta cepa, al igual que muchos otros aislamientos de P. aeruginosa, no contiene plásmidos.

Más de la mitad de los genes de P. aeruginosa PAO1 presentan una homología cercana y un arreglo transcripcional en operones similar a los de Escherichia coli(71,72).También es aparente que P. aeruginosa presenta homología en la secuencia y en la organización genética con bacterias ambientales, incluso con bacterias gram-positivas(71,72).El 32% de los genes predichos a partir de la secuencia del genoma de esta bacteria no tienen homología con las secuencias depositadas en los bancos de datos, lo que sugiere que se trata de genes que codifican para actividades enzimáticas novedosas(71,72).Del análisis del genoma de esta bacteria es notorio la gran abundancia de genes que parecen codificar para bombas que sacan compuestos de la célula(71,72).La abundancia de estos transportadores pudiera estar relacionada con su alta resistencia a distintos compuestos tóxicos(49,88)y, en última instancia, con su extraordinaria versatilidad.

El proyecto de secuenciación del genoma de la cepa PAO1 fue realizado por la fundación para la Fibrosis Quística, la universidad de Washington, y la companía PathoGenesis. El interés de estas organizaciones es fundamentalemnete clínico, ya que su objetivo principal es encontrar nuevos fármacos y otras herramientas para combatir las infecciones por P. aeruginosa.

Variabilidad Genética

Contrariamente a lo que ocurre con otras bacterias patógenas, no existen clonas de P. aeruginosa asociadas con el desarrollo de una enfermedad, por lo que la frecuencia de las distintas clonas es la misma entre los aislamientos ambientales y clínicos(63).Esto es, en una determinada región geográfica se encuentra que la frecuencia con la que se aisla una cepa es la misma si se muestrean hospitales, pacientes con distinto tipo de infecciones o se toman muestras ambientales(63).Sin embargo existe una gran variabilidad genética entre distintos aislamientos de esta bacteria aún aisladas en la misma región. Esta variabilidad tiene características muy particulares(37,77),como a continuación veremos. El tamaño del genoma de distintas cepas de P. aeruginosa varía entre 5 y 7 millones de pares de bases, y comprende un mosaico de genes específicos de la especie que va del 70 al 90% de la secuencia de DNA de una cepa. Esta proporción varía de acuerdo con la

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