The framework

Desde el punto de vista egocéntrista del hombre, los microorganismos patógenos han desarrollado a lo largo de la evolución un gran número de estrategias para causar enfermedades. A estas estrategias las llamamos factores de patogenicidad o de virulencia. Pero si se tiene en cuenta un punto de vista más amplio, menos reduccionista, podemos ver que las bacterias patógenas solo están tratando de sobrevivir, de perdurar, y para lograr este objetivo deben ser capaces de obtener nutrientes de su entorno y de colonizar nichos con gran cantidad de alimento. Para las bacterias, el hombre, los animales y las plantas no somos más que fuentes de nutrientes extremadamente ricas. Los tejidos animales contienen una gran diversidad de nutrientes, como ser azúcares, aminoácidos y compuestos nitrogenados simples tal como urea y amonio. La interacción de las bacterias patógenas con sus hospedadores se distingue de las interacciones del hospedador con la microbiota hallada, por ejemplo, en las mucosas, ya que la primera resulta en el daño del hospedador. Las interacciones patógeno- hospedador resultan en la inducción y liberación de factores de virulencia específicos que manipulan los procesos celulares del hospedador y causan una respuesta succecuente del hospedador, incluyendo, por ejemplo, la producción de factores

36 antimicrobianos por los sistemas de defensa inmune innatos de los mamíferos (Rohmer, L. et al., 2011).

1.2.1. Competencia por el alimento.

En muchos hábitats, una amplia diversidad de bacterias compiten por el espacio y los recursos disponibles. En condiciones de nutrientes limitantes, las especies que extraigan y procesen los nutrientes de manera más eficiente pueden prevalecer al resto. En muchos casos (por ejemplo el intestino humano), los patógenos tienen que invadir nichos que se encuentran ampliamente ocupados por muchas bacterias residentes perfectamente adaptadas. Estos residentes han desarrollado maneras de procesar los nutrientes disponibles eficientemente y de proteger su medioambiente de especies bacterianas competidoras. Sobre la piel, la especie aeróbica predominante Staphylococcus epidermidis produce péptidos antimicrobianos que son tóxicos para el patogénico Staphylococcus aureus y Streptococcus pyogenes. En el tracto digestivo, la microbiota residente forma un vasto y heterogéneo ecosistema microbiano que comprende hasta 1014 bacterias de más de 400 especies (Rohmer, L. et al., 2011).

1.2.2. Desafíos medioambientales dentro de los hospedadores.

Los patógenos que invaden hospedadores animales colonizan distintos medioambientes, que a su vez son cambiantes. El pH dentro del cuerpo humano es casi neutro (7,4), pero puede ir de 1,0 en el estómago a 8,0 en la orina. Mediambientes dramáticamente diferentes son también encontrados por el patógeno cuando este se mueve desde las mucosas superficiales a la profundo de los tejidos del hospedador, por ejemplo cuando transita desde el lúmen del estómago a través del mucus multicapas hasta las células epiteliales del estómago. Muchos ambientes encontrados por la bacteria luego de la invación van desde las superficies mucosas animales bien oxigenadas hasta áreas con baja tensión de oxígeno como ser la cavidad oral, el intestino grueso, el tracto genital femenino, absesos, tejido dañado y vías aéreas de pacientes con fibrosis quística. El sitio de la infección que la bacteria puede encontrar o colonizar puede ser subdividido en numerosos mediambientes fisiológicamente especializados. Los

37 patógenos deben moverse a través de múltiples y divesos ambientes durante su ciclo de vida, lo cual requiere regulación, coordinación y la utilización de vías metabólicas múltiples por parte del microorganismo invasor (Rohmer, L. et al., 2011).

1.2.3. Interacciones metabólicas dinámicas entre hospedadores y patógenos.

Las modulaciones metabólicas dentro de los tejidos del hospedador pueden también ser usadas por el patógeno para regular coordinadamente la expresión de sus factores de virulencia. La represión por catabolito de carbono disparada en respuesta a la disponibilidad de una fuente de carbono influencia la virulencia en diversos patógenos Gram-negativos y Gram-positivos. Los cambios en la disponibilidad de nutrientes, incluyendo limitaciones en aminoácido o ácidos grasos, también pueden conducir a la activación de factores de virulencia a través de la denominada respuesta astringente mediada por (p)ppGpp. La disponibilidad de nutrientes no es constante. Por ejemplo, el hierro disponible es inclusive menor durante el curso de una infección ya que el hospedador produce proteínas que interaccionan con el metabolismo del hierro. Muchas bacterias interpretan esta depleción del hierro como una señal de que se encuentran dentro de un hospedador vertebrado y subsecuentemente modulan la producción de sus factores de virulencia. Para poder perdurar en el hospedador, las bacterias patógenas deben, además, competir con la flora residente por lugar y nutrientes. Desde una perspectiva evolutiva, los genes implicados en metabolismos han sido adquiridos por los patógenos de la misma manera que los genes de virulencia clásicos (Rohmer, L. et al., 2011).

1.2.4. Los genes metabólicos ayudan a las bacterias patógenas a colonizar nuevos territorios.

Se ha observado que los microorganismos patógenos adquieren factores de virulencia que le permiten establecerse en nuevos nichos. Para establecerse en estos nuevos nichos, los patógenos también requieren de nuevas vías metabólicas, o de la adaptación de las que ya poseen, para poder explotar las fuentes de alimento disponibles. Se ha observado que las cepas menos virulentas de algunas bacterias

38 patógenas no poseen los genes que estarían implicados, directa o indirectamente, en rutas metabólicas específicas (Rohmer, L. et al., 2011).

La adquisición de islas genómicas codificantes de factores de virulencia, denominadas islas de patogenicidad, son esenciales para la colonización de nuevos nichos en hospedadores. Estas islas patogénicas a veces contienen genes que codifican rutas metabólicas específicas. Un reciente estudio demostró que la respiración de tetrationato le confiere a Salmonella enterica subsp. enterica serotipo Typhimurium una ventaja en crecimiento cuando se encuentra en el lumen de un intestino humano inflamado. Las bacterias del colon producen grandes cantidades de sulfuro de hidrógeno (H2S) altamente tóxico que la mucosa caecal convierte en tiosulfato (S2O32-) para

protegerse a sí misma. La inflamación intestinal inducida por los factores de virulencia de S. typhimurium resulta en la producción de grandes cantidades de radicales óxido nítrico y especies reactivas del oxígeno en el lumen del intestino. Bajo estas condiciones el tiosulfato es oxidado a tetrationato (S4O62-), el cual selectivamente inhibe coliformes.

En contraste, S. typhimurium puede respirar el tetrationato para utilizar la etanolamina o el 1,2-propanodiol como fuentes de carbono para crecimiento anaeróbico en el lumen intestinal. Los cinco genes responsables de la utilización del tetrationato forman el operón ttrABCRS localizado en la isla de patogenicidad SPI2, la cual es crítica para la proliferación de S. typhimurium. Estos genes codifican los componentes estructurales de la tetrationato reductasa anaeróbica (ttrABC) y a dos componentes del sistema regulatorio (ttrRS) necesarios para la regulación de los genes estructurales. La fijación de SPI2 conteniendo los genes ttr dentro del genoma de S. typhimurium podría haber sido el resultado directo del éxito de las cepas que poseían ttrABCRS por sobre el resto. En este caso, los genes metabólicos y de virulencia está localizados en la misma isla de patogenicidad (SPI2) y ambos contribuyen a la invación y colonización (Rohmer, L. et al., 2011).

Otro ejemplo de gen “metabólico” asociado a procesos infecciosos se observa en Vibrio cholerae. La isla de patogenicidad de Vibrio (VPI2) se encuentra exclusivamente en las cepas toxigénicas y codifica para un neuraminidasa que convierte los polisialogangliósidos de la superficie del hospedador en GM1 monogangliósidos (unen específicamente la toxina colérica), mediante la liberación de ácido siálico unido a los polisialogangliósidos. La neuraminidasa podría por lo tanto proveer específicamente una fuente de energía (ácido siálico) a las cepas de V. cholerae llevando VPI2. De hecho, además de la neuraminidasa, VPI2 posee un conjunto de genes posiblemente

39 involucrados en el catabolismo del ácido siálico (nanA, nanE, nanK y nagA). La inactivación de esta vía catabólica reduce la habilidad de V. cholerae de colonizar ratones en modelo animal. Por lo tanto, la presencia de la ruta de utilización de ácido siálico en VPI2 sería muy importante para una infección exitosa del intestino humano por V. cholerae. Interesantemente, el conjunto de genes nan, el cual permite la utilización del ácido siálico como fuente de carbono, es hallado casi exclusivamente en especies bacterianas íntimamente asociadas con mamíferos, muchas de las cuales son patógenas, como ser E. coli, Shigella spp, Salmonella entérica, Staphylococcus aureus y Clostidium spp. En estas especies los genes nan muestran muchos signos de transferencia horizontal, como ser: incongruente filogenia o contenido de G+C, asociación con elementos móviles y diversidad de estructura de operón (Rohmer, L. et al., 2011).

1.2.5. Las bacterias patógenas pueden experimentar adaptaciones metabólicas.

El ciclo de vida de un patógeno puede involucrar diferentes hospedadores y distintos nichos dentro de un mismo hospedador, los cuales tienen diferentes disponibilidades de nutrientes, demandando de la bacteria cierta versatilidad metabólica. Esta versatilidad es necesaria para que un patógeno pueda circular entre disitintos nichos y/o en diferentes hospedadores. Para un dado patógeno, el requerimiento metabólico depende principalmente del hospedador infectado y de la ruta de inoculación. Por lo tanto, los genes “metabólicos” encontrados en el genoma de un patógeno deberían ser conservados a pesar de que no sean necesarios cuando el patógeno se encuentre en un nicho óptimo. En algunas circunstancias, sin embargo, las capacidades metabólicas de un patógeno pueden ser alteradas después de la pérdida de función debido a mutaciones, confiriéndole una ventaja dentro de un determinado nicho (Rohmer, L. et al., 2011). Cuando un patógeno evoluciona para colonizar establemente un nuevo nicho que ofrece mejores fuentes nuctricionales, puede perder vías metabólicas innecesarias o poco utilizadas. Esta hipótesis ha sido comprobada para muchos patógenos en los cuales está ocurriendo una reducción del genoma. En particular, genomas de patógenos intracelulares especializados tienden a contener muchos pseudogenes, lo cual podría ser debido a que la abundancia de nutrientes dentro

40 de las células del hospedador hace que estos genes sean no utilizados (Rohmer, L. et al., 2011).