Respuesta al estrés bacteriano

La respuesta bacteriana al estrés permite a las bacterias sobrevivir a condiciones adversas y fluctuantes en su entorno inmediato. ^{[ 1 ]} Diversos mecanismos bacterianos reconocen diferentes cambios ambientales y generan una respuesta apropiada. Una célula bacteriana puede reaccionar simultáneamente a una amplia variedad de estrés, y los diversos sistemas de respuesta al estrés interactúan entre sí mediante un complejo de redes reguladoras globales. ^{[ 2 ]}

Las bacterias pueden sobrevivir en diversas condiciones ambientales y, para superar estas condiciones adversas y cambiantes, deben detectar los cambios y generar respuestas apropiadas en la expresión génica y la actividad proteica . La respuesta al estrés en las bacterias implica una compleja red de elementos que contrarrestan el estímulo externo. Las bacterias pueden reaccionar simultáneamente a diversos tipos de estrés, y los distintos sistemas de respuesta al estrés interactúan entre sí. Una compleja red de sistemas reguladores globales conduce a una respuesta coordinada y eficaz. Estos sistemas reguladores controlan la expresión de más efectores que mantienen la estabilidad del equilibrio celular en diversas condiciones. ^{[ 3 ]} Estos sistemas pueden incluir respuestas inmediatas, como las chaperonas , así como respuestas más lentas, como la regulación transcripcional para controlar la producción de proteínas, la latencia , entre otras. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Los sistemas de respuesta al estrés pueden desempeñar un papel importante en la virulencia de los organismos patógenos . Estos sistemas, como la entrada en un estado latente, les permiten sobrevivir a las condiciones estresantes dentro del huésped u otros entornos. ^{[ 5 ]}

Existen sistemas reguladores que responden a cambios de temperatura, pH , nutrientes, sales y oxidación. El nivel de respuesta depende de la magnitud del cambio ambiental. La respuesta es máxima cuando los cambios ocurren bajo condiciones de estrés; en este caso, las redes de control se denominan sistemas de respuesta al estrés. Estos sistemas son muy similares en procariotas, y algunos, en particular la respuesta al choque térmico, se conservan en eucariotas y arqueas. Si bien los sistemas son extremadamente similares, las condiciones bajo las cuales se activan difieren considerablemente entre organismos. Los sistemas que activan la respuesta al cambio ambiental poseen numerosos elementos de control. Estos elementos pueden ser específicos de un gen o controlar un grupo numeroso de genes. Cuando un grupo numeroso de genes está regulado por un mismo patrón de control, se denomina regulón. Un regulón es un grupo de genes regulados por el mismo patrón de control. Un estimulón es el conjunto de genes que expresan respuestas a la misma condición. Los elementos de control también regulan la expresión génica durante diversas condiciones ambientales, como la inanición, la esporulación, entre otras. ^{[ 6 ]}

Un factor estresante que puede inducir una respuesta de estrés en las bacterias puede ser cualquier condición fuera de las condiciones ideales para la supervivencia. Los factores estresantes que causan daño a la célula son los que provocan las respuestas más fuertes. Un ejemplo de este tipo de factor estresante es la exposición a especies reactivas de oxígeno y especies reactivas de cloro provenientes de productos químicos utilizados como desinfectantes. En esta categoría se incluye el hipoclorito de sodio (NaOCl) o lejía doméstica. Estos productos químicos causan un daño celular extenso a diferentes sistemas, como la membrana bacteriana, la desnaturalización de proteínas y la interferencia con biomoléculas como aminoácidos , ácidos nucleicos y lípidos . ^{[ 4 ]} Otro tipo de factor estresante podría ser la ausencia de un aceptor de electrones favorable para la respiración celular . Se ha demostrado en un estudio que el cambio de una producción de energía más favorable a una menos favorable, como el nitrato, modifica la morfología celular y la composición de la membrana celular . ^{[ 7 ]} Otros tipos de factores estresantes incluyen oxidantes , privación de nutrientes, hipo/hiperosmolaridad , pH extremo, temperatura extrema y sustancias antimicrobianas. ^{[ 4 ] [ 8 ]} Esta lista de factores estresantes no es exhaustiva, ya que los factores estresantes por definición pueden ser cualquier cosa que no sea favorable para una célula.

Un sistema inicial de respuesta al estrés que probablemente se active ante situaciones dañinas para la célula bacteriana son las chaperonas . Las chaperonas son proteínas responsables de mantener a otras proteínas en sus conformaciones adecuadas mediante la unión a ellas. Sin las chaperonas como primera línea de defensa, otros sistemas de respuesta al estrés no podrían reaccionar con la suficiente rapidez para evitar la desnaturalización de las proteínas a tiempo. Mientras una proteína se desnaturaliza, produce conformaciones intermedias de sí misma, y ​​estos intermediarios son los que activan las proteínas chaperonas. ^{[ 4 ]} Otro sistema importante de respuesta al estrés es la regulación transcripcional . Muchos sistemas de regulación transcripcional están bien definidos, mientras que otros se comprenden menos, pero pueden activarse mediante diferentes vías y estímulos, y constituyen una respuesta general a la mayoría de los estímulos. Esto implica que las proteínas se unan a las regiones promotoras del ADN para regular qué secciones se transcriben en ARN . La concentración de diferentes transcritos de ARN se altera para favorecer la producción de aquellos que producirán proteínas que mitigarán los efectos del estímulo. ^{[ 4 ]} Sin embargo, este sistema puede verse limitado por la capacidad de traducción de la célula. Los cambios transcripcionales solo pueden ser efectivos si la velocidad de los ribosomas para traducir el ARNm a proteína es lo suficientemente rápida. Esto puede ser un cuello de botella en la capacidad de las bacterias para reaccionar a los factores de estrés con la suficiente rapidez, y algunos factores de estrés, como el estrés oxidativo , pueden inhibir la función de los ribosomas . ^{[ 8 ]}

Una respuesta al estrés que puede ocurrir en condiciones desfavorables, pero no letales, es la formación de una biopelícula . En esta respuesta, las células bacterianas pueden secretar sustancias poliméricas extracelulares para formar una película que proporciona soporte a la colonia bacteriana, por ejemplo, mejorando su capacidad de adherirse a una superficie. ^{[ 4 ]} Otra respuesta común al estrés es la latencia. En un estado latente, una célula ralentiza su metabolismo y se vuelve prácticamente inactiva. Esto hace que la célula sea mucho menos afectada por factores estresantes como agentes antibacterianos , inanición, hipoxia y acidez. Algunas bacterias pueden entrar en un estado latente y permanecer allí hasta por años antes de volver a un estado activo. ^{[ 5 ]} Una célula también puede cambiar la producción de ácidos grasos insaturados a ácidos grasos saturados para disminuir la fluidez de la membrana celular. Si el factor estresante es una molécula, esto dificultará su entrada en la célula. La morfología celular general también puede cambiar en respuesta a un factor estresante. ^{[ 7 ]}

En las bacterias, otros sistemas importantes de respuesta al estrés son:

• Respuesta al choque térmico , controlada por el factor sigma sigma 32
• Respuesta de tensión de la envolvente, controlada principalmente por el factor sigma sigma E y el sistema de dos componentes Cpx.
• Respuesta al choque por frío , que regula la expresión de chaperonas de ARN y factores ribosomales.
• Respuesta estricta dependiente de (p )ppGpp , que reduce la capacidad de síntesis de proteínas celulares y controla otras respuestas globales ante una disminución de la nutrición.

La respuesta al choque térmico en las bacterias ayuda a detener cualquier daño a los procesos celulares en condiciones de alta temperatura. En respuesta a altas temperaturas, las proteínas de choque térmico, incluidas las chaperonas y las proteasas, se inducen rápidamente para proteger contra la desnaturalización de las proteínas dentro de las bacterias. ^{[ 9 ]} Estas chaperonas ayudan a facilitar el plegamiento de las proteínas dentro de la célula para proteger contra el aumento de temperatura. En la mayoría de las cepas bacterianas, el factor sigma-32 (32) es responsable de regular la respuesta al choque térmico. El factor sigma-32 está codificado por el gen rpoH y se encuentra corriente arriba de los genes de choque térmico. ^{[ 10 ]}

El sistema de transducción de señales de dos componentes (2CST) permite a la célula bacteriana detectar el estrés dentro del sistema. Una histidina quinasa , ubicada en la membrana interna de la célula, detecta el estrés. Esta histidina quinasa detecta el estrés debido a la   autofosforilación que ocurre inicialmente al detectarlo. Una vez detectado el estrés, el sistema activa un regulador de respuesta citoplasmático. Esto se debe a que la célula se encuentra en un grupo fosfato, pero este nuevo regulador de respuesta comienza a actuar como un factor de transcripción . Esto significa que comienza a modificar la expresión génica. Esto es especialmente cierto en el caso de las proteínas Cpx, que ayudan a prevenir que la proteína se pliegue incorrectamente o no se pliegue en absoluto. Las proteínas Cpx también ayudan a asegurar que no haya otros daños en otros procesos celulares. ^{[ 11 ]}

En Escherichia coli, el sistema de fosforilación Rcs es una de esas vías de respuesta al estrés de la envoltura celular; está regulado negativamente por la proteína de la membrana interna IgaA , que ayuda a mantener la integridad de la membrana en condiciones de estrés.

Cuando las bacterias se encuentran en un área de temperatura muy baja y fría, experimentan una fase de cinco horas en la que su crecimiento se detiene por completo. La forma en que las bacterias intentan adaptarse es creando proteínas de choque térmico, que actúan como factores de transcripción y se regulan positivamente durante esta fase. Una vez finalizado este período, las bacterias comienzan a crecer de nuevo, pero a un ritmo muy lento. Estas proteínas ayudan a las bacterias a seguir creciendo y sobrevivir a bajas temperaturas. Una proteína llamada CspA, descubierta originalmente en E. coli, es una de las primeras proteínas de choque térmico identificadas y se sabe que es un ARN monocatenario. Esta proteína participa en los procesos de transcripción y traducción, y también puede producirse la condensación de los cromosomas . Esto significa que las células entran prematuramente en la etapa de interfase de la mitosis . También se produce una organización del nucleoide , donde se encuentran los factores intracelulares y extracelulares de la célula. Y por último, hay una mejora en lo que respecta a la supervivencia de las bacterias que ayuda a la célula a obtener el alimento y los nutrientes que necesita para sobrevivir ^{[ 11 ].}

La respuesta SOS es una respuesta adaptativa bacteriana al daño del ADN que implica la detención del ciclo celular y la inducción de procesos que reparan dicho daño . Estas respuestas se han estudiado principalmente en la bacteria Escherichia coli . ^{[ 12 ]} Las cianobacterias marinas Prochlorococcus y Synechococcus también parecen tener un sistema SOS similar al de E. coli para la reparación del ADN, ya que codifican genes centrales para la respuesta SOS de E. coli, como lexA (regulación del sistema SOS) y sulA (retraso de la división celular hasta la finalización de la reparación del ADN). ^{[ 13 ]}

Las sales biliares son frecuentes en el intestino de los mamíferos, un hábitat natural de bacterias como Escherichia coli . ^{[ 14 ]} Se evaluó el efecto de las sales biliares desoxicolato , quenodesoxicolato , ursodesoxicolato y glicocolato sobre la expresión génica de E. coli , y se observó que activaban los genes micF y osmY, asociados con las funciones de la membrana y la respuesta al estrés oxidativo, así como el gen dinD (también conocido como pcsA y orfY ), que se induce por el daño al ADN como parte de la respuesta SOS. ^{[ 14 ] [ 15 ]} Por lo tanto, parece que E. coli entérica ha desarrollado una estrategia adaptativa para afrontar el estrés causado por las sales biliares. ^{[ 14 ]}

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• Respuesta al choque térmico
• Respuesta al choque por frío