"En algunos casos, la infección de una bacteria puede resultar ventajosa para el insecto porque le suministra los nutrientes que necesita"

18-feb-2021

- Amparo Latorre, Catedrática de Genética e investigadora del Instituto de Biología Integrativa de Sistemas (l2SysBio) Universitat de València-CSIC  - Esta tarde a partir de las 19:30 horas imparte la conferencia online "Simbiosis en insectos: aprendiendo a convivir"    

Hay una constante interacción entre las bacterias y los huéspedes, es decir, nosotros mismos por ejemplo, que podemos llegar a albergar hasta dos kilos de bacterias, sobre todo en nuestro intestino. La microbiota intestinal humana y su impacto en diversas enfermedades es uno de sus ámbitos de investigación. En su trayectoria científica, el estudio de los pulgones le llevó a investigar a las bacterias que forman simbiosis con estos insectos desde hace 200 millones de años. Hablamos con la catedrática de Genética Amparo Latorre que esta tarde participa en el ciclo de divulgación científica "Una Comunitat amb ciencia' para compartir sus investigaciones en secuenciación genómica y genómica comparada en un campo científico que resulta fascinante. Ha participado en el descubrimiento de casos como el del pulgón del cedro que alberga  el endosimbionte con el genoma más pequeño conocido hasta entonces. O el de las cucarachas que poseen una rica microbiota intestinal similar en complejidad al intestino de los mamíferos, lo que ha derivado en una nueva línea de investigación:  saber si ambos sistemas (endosimbionte y microbiota intestinal) de alguna manera “dialogan". 

¿Qué supuso Lyn Margulis y su teoría simbiótica para la evolución celular? 

No hay ninguna duda de que la teoría endosimbiótica de Lynn Margulis, a quien tuve el placer de conocer y compartir momentos entrañables, supuso un cambio radical en el entendimiento del origen de mitocondrias y cloroplastos que tuvo lugar en la formación de la célula eucariótica. Ella lo postuló en un momento difícil para contrastar su teoría. Quizá por ello (y posiblemente también por ser mujer), tuvo serios problemas para que le aceptaran la publicación. Pero era infatigable y se dedicó al tema de la simbiosis hasta el final. Actualmente ya se ha demostrado que el origen de la mitocondria fue a partir de una alpha-proteobacteria y de los plastos, a partir de una cianobacteria. 

¿Qué tipos de simbiosis en insectos existen? ¿Cómo lo investigan? 

En relación al beneficio o perjuicio que puedan causar los simbiontes al hospedador, la simbiosis se define como mutualismo, cuando, ambos hospedador y simbionte, se benefician, parasitismo, cuando uno se beneficia a costa del otro y comensalismo cuando uno se beneficia pero el otro no sale perjudicado. Además, se pueden clasificar atendiendo a su localización dentro del insecto, a su grado de dependencia, etc. Nuestra investigación se inició con el estudio del sistema pulgón/endosimbiote(s), posteriormente quisimos saber si en otros modelos el caso era similar y estudiamos las hormigas carpintero, la mosca blanca, las cochinillas y las cucarachas. Precisamente este último estudio lo realizamos porque no entendíamos como unos insectos que se alimentan de dietas complejas (son omnívoros) portaban un endosimbionte, cuyo papel es nutricional aportando al insecto los nutrientes que no puede obtener de su dieta. El descubrimiento de que las cucarachas, además de un endosimbionte poseen una rica microbiota intestinal, similar en complejidad a la que ocurre en el intestino de mamíferos ha derivado en una nueva línea de investigación en la que tratamos de entender si ambos sistemas (endosimbionte y microbiota intestinal) de alguna manera “dialogan”. Que sepamos, es el único caso de un insecto donde coexiste los dos tipos de simbiontes. Las hormigas, emparentadas con las cucarachas, han perdido el endosimbionte y solo poseen una microbiota intestinal muy especializada. La investigación está basada principalmente en la secuenciación del genoma y la genómica comparada, pero también utilizamos otras metodologías, como microscopia, hibridación con sondas, técnicas “omicas” (metagenómica, metatranscriptomics metaproteómica y metabolómica). Además, tratamos a los insectos con antibióticos, o con dietas pobres en Nitrógeno, y medimos parámetros de eficacia biológica. 

Dice que la relación puede ser tan íntima que las bacterias se encuentran “secuestradas” en células especializadas del hospedado, los bacteriocitos. ¿Qué es lo que ocurre? 

Los insectos que tienen una relación de mutualismo obligado con una (o unas pocas) bacterias endosimbiontes, se caracterizan porque han desarrollado unas células especializadas, que son por tanto eucarióticas, donde se albergan las bacterias. Este es un proceso que ocurre en el desarrollo en el que, por un lado, genes del insecto se han especializado para desarrollar estas células y, por su parte, unas pocas bacterias infectan estas células en los huevos o embriones (en el caso de insectos partenogenéticas) en las hembras, para transmitirse a la siguiente generación. Se trata, por tanto, de una herencia materna similar a la que ocurre en las mitocondrias. Todavía no está claro como el sistema inmune del insecto no reconoce a estas bacterias en el momento de la infección, que es cuando se encuentran libres en el citoplasma. Los datos que tenemos parecen indicar que el proceso no es universal y que cada linaje ha desarrollado mecanismos diferentes para asegurarse una correcta transmisión. 

Algunos de los casos que analiza se dan en los pulgones. ¿Qué ejemplos o modelos investiga? 

Como en el caso anterior, unos estudios nos han llevado a otros. El problema con estudiar endosimbiontes es que no se pueden cultivar, por lo que la investigación no se puede llevar a cabo de la manera tradicional que se estudian las bacterias en el campo de la microbiología. Por ello, al inicio de la investigación recurrimos a la genómica para conocer su contenido génico y así derivar sus funciones. Cooperamos con entomólogos para colectar pulgones de diferentes linajes, con ciclos de vida diferentes, etc. Así empezamos secuenciando el genoma del endosimbionte de un pulgón de una familia muy alejada de la estudiada hasta ese momento e iniciamos el campo de la genómica comparada. Posteriormente, estudiamos representantes de otras familias y fue cuando nos encontramos con el caso del pulgón del cedro que albergaba el endosimbionte con el genoma más pequeño conocido hasta entonces. Esto supuso un hito en el campo y ya nos dedicamos a estudiar otros miembros de la familia y nos hemos encontrados con casos fascinante. Además, el grupo ha participado en la secuenciación del genoma de algunos pulgones. 

El año pasado descubrieron una nueva familia génica de proteínas antimicrobianas en la cucaracha germana que podría explicar la adaptación de estos insectos a los entornos insalubres. ¿En qué consiste este trabajo? 

Los genes que codifican los péptidos antimicrobianos, uno de los mecanismos de defensa frente a infecciones microbianas, son pequeños y difíciles de anotar en los genomas. En este trabajo se ha utilizado el genoma de Blattella germanica y un transcriptoma de hembras adultas para caracterizar el repertorio génico. Se ha comprobado que la especie dispone de 39 genes que codifican cinco tipos de péptidos antimicroianos, un número considerablemente mayor que en muchas especies de insectos. Se ha detectado un nuevo tipo de genes a los que se ha denominado blatelicinas. Estos genes son una innovación evolutiva que ha surgido en el linaje de Blattella y las proteínas derivadas contienen además de un dominio con función antimicrobiana (dominio atacina), una larga tira de aminoácidos formada por ácidos glutámicos y glutaminas cuya función no ha sido caracterizada todavía. Estos genes se expresan solo en adultos.

¿Por qué hay una bacteria se puede convertir en parásito, y en cambio, en otras simbiosis puede tener efectos positivos para el insecto hospedador?

Este es un tema de amplio debate y todavía no bien resuelto. Más bien puede suceder lo contrario. Como he comentado anteriormente, todos los eucariotas tenemos sistemas de defensas contra microorganismos. Cuando estos no funcionan las bacterias son patógenas. En algunos casos, la infección de una bacteria puede resultar ventajosa para el insecto porque le suministra los nutrientes que este necesita. Se produce, entonces, un caso claro de coevolución, en el que como hospedador y simbionte se necesitan mutuamente, van evolucionando hasta las endosimbiosis mutualistas que conocemos actualmente. Es claro, que a lo largo de la evolución debe de haber habido muchos intentos por parte de insectos ancestrales para colonizar nuevos nichos, pero que, si no han contado con el aporte de nutrientes de alguna bacteria, no habrán tenido éxito.  Existen ejemplos de bacterias del mismo género que son patógenas para algunos insectos, pero mutualistas para otros, o incluso para otros organismos. 

Su investigación se centra en el estudio de la microbiota intestinal humana y su impacto en diversas enfermedades. ¿Hasta qué punto afectan a nuestra salud estos microorganismos?  

Nuestro conocimiento en el campo de la simbiosis, nos llevó a colaborar en estudios de la microbiota intestinal humana y su relación con distintas enfermedades. Este es un campo que ha evolucionado mucho en unos pocos años, de nuevo gracias a las técnicas “omicas” y bioinformáticas para tratar la gran cantidad y complejidad de los datos obtenidos. Sabemos que la microbiota intestinal es beneficiosa y necesaria para la salud y, sabemos, además, que su composición puede variar en función de diversos parámetros, como la edad, la dieta, el ambiente, la composición genética del individuo, etc. Cuando hay un desequilibrio en la composición que se requiere por alguna perturbación, por ejemplo, al tomar antibióticos, esta composición varía y puede afectar a la salud. Un caso concreto en el que hemos trabajado es el de la bacteria Clostidium difficile, que, aunque presente en muy bajas cantidades en el intestino, su acción está controlada por otras bacterias. Si estas desaparecen, o disminuyen se produce la enfermedad. 

 

Hoy jueves 18 de febrero, partir de las 19:30 horas imparte la conferencia online "Simbiosis en insectos: aprendiendo a convivir"  que puede seguirse en directo a través de esta enlace