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20: Simbiosis microbianas - Biología

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Simbiosis, estrictamente definido, se refiere a una relación íntima entre dos organismos. Aunque muchas personas usan el término para describir una relación beneficiosa para ambos participantes, el término en sí no es tan específico. A mutualista La relación es aquella en la que ambos socios se benefician, mientras que una comensalista La relación beneficia a uno de los socios pero no al otro. en un relación patógena, un socio se beneficia a expensas del otro. Este capítulo analiza algunos ejemplos de simbiosis, donde los microbios son uno de los socios.

El microbioma humano

El microbioma humano describe los genes asociados con todos los microbios que viven en un ser humano. ¡Los 10 ^ 14 de ellos! Los microbios son principalmente bacterias, pero pueden incluir arqueas, hongos y microbios eucarióticos. Las ubicaciones incluyen piel, tracto respiratorio superior, estómago, intestinos y tractos urogenitales. La colonización ocurre poco después del nacimiento, ya que los bebés adquieren microbios de personas, superficies y objetos con los que entran en contacto.

Microbios intestinales y metabolismo humano

La mayoría de los microbios asociados con el cuerpo humano se encuentran en el intestino, particularmente entre 1 y 4 horas después de ingerir una comida, cuando la población microbiana aumenta drásticamente. La microbiota intestinal es extremadamente diversa y se ha estimado que entre 500 y 1000 especies de bacterias viven en el tracto gastrointestinal humano (¡típicamente descritas como de 5 a 8 libras de bacterias!).

Los microbios intestinales son esenciales para la digestión y la nutrición del huésped, ya que ayudan en la digestión al descomponer los carbohidratos que los humanos no pueden descomponer por sí mismos, al liberar ácidos grasos de cadena corta de las fibras dietéticas no digeribles. Además, producen vitaminas como biotina y vitamina K.

Microbios intestinales y obesidad

Ha habido un mayor interés en la población intestinal microbiana, debido a la posibilidad de que pueda desempeñar un papel en la obesidad. Aunque actualmente es hipotético, la investigación ha demostrado que los ratones obesos tienen una comunidad intestinal microbiana que difiere de los microbios que se encuentran en el intestino de los ratones no obesos, con más Firmicutes bacterias y metanogénicas Arqueas. Se ha sugerido que estos microbios son más eficientes para absorber nutrientes.

Enfermedad y microbioma humano

Se ha demostrado que los cambios en la microbiota están asociados con estados de enfermedad o disbiosis. La investigación preliminar ha demostrado que la microbiota podría estar asociada a artritis reumatoide, cáncer colorrectal, diabetes, además de obesidad.

Investigar

El Proyecto del Microbioma Humano (HMP) fue un programa de investigación internacional con sede en los EE. UU. que se centró en las funciones de la microbiota intestinal. Unos 200 investigadores utilizaron técnicas avanzadas de secuenciación de ADN para determinar qué microbios están presentes y en qué poblaciones.

Muchos proyectos de investigación actuales se centran en determinar el papel del microbioma humano tanto en la salud como en el estado de enfermedad. No hay duda de que nuestro conocimiento seguirá creciendo a medida que descubramos más sobre las vastas poblaciones de microbios que viven dentro y fuera de nosotros.

Biofilms

Biofilms son una agregación compleja de células que están encerradas dentro de una matriz excelente y adheridas a una superficie. Las bioformas se pueden formar en casi cualquier superficie y son comunes en la naturaleza y la industria, y se encuentran en las superficies de rocas, cuevas, tuberías, cascos de botes, recipientes de cocina e implantes médicos, solo por nombrar algunos. También han existido por mucho tiempo, ¡ya que el registro fósil muestra evidencia de biopelículas que se remontan a 3.400 millones de años!

La comunidad microbiana de una biopelícula puede estar compuesta por una o dos especies, pero más comúnmente contiene muchas especies diferentes de bacterias, cada una de las cuales influye en la expresión y el crecimiento de los genes de las demás.

Desarrollo de biopelículas

Los pasos básicos para la formación de biopelículas se pueden dividir en cuatro pasos:

  1. Disposición y fijación de células: para que se produzca el desarrollo de biopelículas, flotación libre o planctónico las células deben colisionar con una superficie adecuada. Normalmente, la superficie ha sido preacondicionada con depósitos de proteínas ambientales y otras moléculas.
  2. Colonización: se produce la señalización de célula a célula, lo que conduce a la expresión de genes específicos de biopelícula. Estos genes están asociados con la producción comunitaria de polimérico extracelular El ADN liberado por algunas células puede ser absorbido por otras, estimulando la expresión de nuevos genes.
  3. Maduración: la matriz de EPS encierra completamente todas las células, ya que la biopelícula continúa espesándose y creciendo, formando una comunidad compleja y dinámica. Se forman canales de agua en toda la estructura.
  4. Desprendimiento y desprendimiento: las células individuales o partes de la biopelícula se liberan al medio ambiente, como una forma de dispersión activa. Esta liberación puede ser provocada por factores ambientales, como la concentración de nutrientes u oxígeno.

    Desarrollo de biopelículas. Cada etapa de desarrollo en el diagrama se empareja con una microfotografía de una biopelícula de Pseudomonas aeruginosa en desarrollo. Todas las microfotografías se muestran a la misma escala. Por D. Davis [CC BY 2.5], a través de Wikimedia Commons

Ventajas celulares de las biopelículas

¿Por qué se desarrollan las bioformas? Hay ciertas ventajas que las células disfrutan mientras están en una biopelícula, sobre su crecimiento planctónico. Quizás lo más importante es que las biopelículas ofrecen a las células una mayor protección contra condiciones o sustancias nocivas, como la luz ultravioleta, la agitación física, los agentes antimicrobianos y la fagocitosis. Se ha demostrado que las bacterias dentro de una biopelícula son hasta mil veces más resistentes a los antibióticos que las células que flotan libremente.

Una biopelícula también permite que una población de células "eche raíces", por así decirlo, para que puedan permanecer cerca de un área rica en nutrientes. Por ejemplo, una biopelícula que se desarrolla en un conducto en una planta lechera tendrá acceso continuo a alimentos frescos, lo que es mucho mejor que ser arrastrado por el producto final.

Por último, las biopelículas permiten que las células crezcan en poblaciones microbianas, donde pueden beneficiarse fácilmente de la comunicación de célula a célula y el intercambio genético.

Impactos de la biopelícula

Las biopelículas tienen un gran impacto en muchos tipos diferentes de industria. Los implantes médicos que van desde catéteres hasta articulaciones artificiales son particularmente susceptibles a la formación de biopelículas, lo que genera enormes problemas para la industria médica. Las biopelículas son responsables de muchas infecciones crónicas, debido a su mayor resistencia a los compuestos antimicrobianos y antibióticos. Un tipo de biopelícula que afecta a casi todo el mundo es la formación de placa dental, que puede conducir a la formación de caries.

Fuera de la medicina, las biopelículas afectan a casi cualquier industria que dependa de las tuberías para transportar agua, alimentos, aceite u otros líquidos, donde su resistencia hace que sea particularmente difícil eliminar completamente la biopelícula.

La detección de quórum

La palabra quórum se refiere a tener un número mínimo de miembros necesarios para que una organización lleve a cabo negocios, como celebrar una votación. La detección de quórum se refiere a la capacidad de algunas bacterias para comunicarse de una manera dependiente de la densidad, lo que les permite retrasar la activación de genes específicos hasta que sea más ventajosa para la población.

La detección de quórum implica la comunicación de célula a célula, utilizando pequeñas sustancias difusibles conocidas como autoinductores. Un autoinductor es producido por una célula, que se difunde a través de la membrana plasmática para ser liberado al medio ambiente. A medida que aumenta la población celular en el medio ambiente, la concentración de autoinductor también aumenta, lo que hace que la molécula se difunda nuevamente en las células individuales donde desencadena la activación de genes específicos.

Detección de quórum en bacterias bioluminiscentes.

Ejemplo de detección de quórum

Uno de los ejemplos mejor estudiados de detección de quórum es la relación mutualista entre la bacteria bioluminiscente Aliivibrio fischeriy el calamar bobtail. El calamar bobtail en realidad tiene un órgano de luz que evolucionó para albergar la bacteria, confiando en su luminiscencia para proporcionar un efecto de camuflaje contra los depredadores. A baja densidad celular, la luminiscencia no proporcionaría el efecto deseado, lo que representa un desperdicio de energía por parte de la población bacteriana. Por lo tanto, la detección de quórum se utiliza para que la lux El gen que codifica la enzima luciferasa necesaria para la luminiscencia solo se activa cuando la población bacteriana tiene una densidad suficiente.

Palabras clave

simbiosis, mutualista, comensalista, relación patogénica, microbioma humano, disbiosis, Proyecto del Microbioma Humano (HMP), biopelícula, planctónico, sustancias poliméricas extracelulares / EPS, quórum sensing, autoinductor.

Preguntas / objetivos esenciales

  1. ¿Qué es una simbiosis? ¿Cuáles son los diferentes ejemplos específicos de simbiosis?
  2. ¿Cómo se define el microbioma humano? ¿Qué microbios incluye?
  3. ¿Qué impacto tiene o puede tener el microbioma humano en su anfitrión?
  4. ¿Qué son las biopelículas? ¿Dónde se forman?
  5. ¿Cuáles son los pasos que conducen a la formación de biopelículas?
  6. ¿Cómo se benefician las células de existir en una biopelícula? ¿Cuáles son los impactos de las biopelículas en los seres humanos?
  7. ¿Qué es la detección de quórum? ¿Cómo funciona el mecanismo?
  8. Describe el ejemplo de Aliivibrio fischeri y el calamar bobtail. ¿Qué papel juega la detección de quórum en la relación entre estos dos organismos?


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