Mecanismes de Defensa i Comunicació Bacteriana: CRISPR, Quorum Sensing i Regulació Enzimàtica

DEFENSA I COMUNICACIÓ BACTERIANA

DEFENSA BACTERIANA

Els bacteris disposen de diversos mecanismes per defensar-se de patògens com els bacteriofags. Els principals mecanismes inclouen:

• Resistència genètica: Mutació del receptor bacterià al qual s'uneix el fag.
• Sistemes de restricció per endonucleases: Reconeixement del DNA propi enfront del DNA estrany mitjançant dos sistemes enzimàtics: metilases (que modifiquen el material genètic propi) i endonucleases (que digereixen el material genètic estrany).
• CRISPR-Cas: Un sistema immunitari adaptatiu que permet a les bacteries respondre a infeccions prèvies.

SISTEMES DE RESTRICCIÓ PER ENDONUCLEASES

Aquests sistemes distingeixen entre DNA propi i estrany mitjançant l'acció de metilases i endonucleases. Si el DNA estrany (per exemple, d'un fag) entra a la cèl·lula i no està metilat en els llocs de reconeixement, les endonucleases el degraden. Si la seqüència diana està metilada, l'endonucleasa no pot actuar.

Exemple: Els fags que es multipliquen en cèl·lules tipus B es multipliquen poc en cèl·lules tipus K, i viceversa, degut a diferències en els patrons de metilació.

Sistema de restricció tipus II: Combina activitat metilasa i endonucleasa en enzims separats. Reconeixen seqüències palindròmiques curtes (4-6 parells de bases) i poden tallar el DNA deixant extrems cohesius o roms. Un exemple clàssic és EcoR1.

CRISPR-Cas

El sistema CRISPR-Cas funciona com un sistema immunitari adaptatiu. El locus CRISPR conté repeticions curtes palindròmiques separades per espaiadors, que corresponen a seqüències de DNA viral o plasmidial. En situacions d'infecció, aquests espaiadors es transcriuen i, juntament amb proteïnes Cas, condueixen a la inactivació del DNA víric.

El procés consta de tres etapes:

1. Adquisició d'espaiadors: Incorporació de fragments de DNA estrany al genoma bacterià.
2. Processament de l'RNA: Transcripció dels espaiadors i processament a crRNA.
3. Estadi directe: El crRNA guia el complex Cas per reconèixer i degradar el DNA víric corresponent.

COMUNICACIÓ BACTERIANA: QUORUM SENSING

El Quorum Sensing (QS) és un sistema de comunicació bacterià que permet a les cèl·lules coordinar les seves activitats en funció de la densitat de població. Ho fan mitjançant l'alliberament i la detecció de molècules senyalitzadores anomenades autoinductors (AI).

La quantitat d'autoinductors en el medi és proporcional al nombre d'organismes. Quan la concentració d'AI supera un llindar, es desencadenen respostes coordinades.

Processos controlats pel Quorum Sensing:

• Bioluminiscència
• Formació de biofilms
• Expressió de gens de virulència
• Esporulació
• Competència
• Simbiosi
• Conjugació
• Producció d'antibiòtics
• Mobilitat

Autoinductors i mecanismes de Quorum Sensing

La quantitat d'AI és proporcional a la densitat cel·lular.

• Bacteris Gram negatius: Utilitzen principalment molècules tipus AHL (acil-homoserina lactona) per controlar processos com la conjugació o la luminiscència.
• Bacteris Gram positius: Sintetitzen pèptids que són detectats per sistemes de dos components.
• Sistemes híbrids: Combinen la detecció de dos autoinductors diferents, sovint un intraespecífic i un altre interespecífic.

Mecanisme en bacteris Gram positius:

1. Producció basal d'AI.
2. L'AI surt a l'exterior.
3. Quan la concentració d'AI és alta, torna a entrar a la cèl·lula.
4. Activa una major producció d'AI.

Mecanisme en bacteris Gram negatius:

1. Producció basal d'AI.
2. Quan la concentració d'AI és alta, la cèl·lula el capta.
3. Un sistema de dos components (receptor que s'autofosforila i un efector que es fosforila) activa certs gens.

Mecanisme híbrid:

Combina dos sistemes de dos components. Les vies de detecció convergeixen en la fosforilació d'un efector. Si no hi ha AI, un receptor s'autofosforila i transmet el fosfat a un efector que actua com a repressor. Si hi ha AI, aquest inhibeix l'autofosforilació, evitant la fosforilació de l'efector i permetent l'activació de la transcripció.

Biofilm

El biofilm és una capa gruixuda d'organismes agregats, sovint controlada pel Quorum Sensing.

Comunicació entre regnes

Un exemple és l'enterotoxina d'E. coli, que allibera un AI per detectar la densitat cel·lular i també pot detectar hormones intestinals. Si ambdues condicions són favorables, s'activa la producció d'enterotoxina.

Inhibició del Quorum Sensing

La inhibició del QS és una estratègia efectiva per combatre la virulència bacteriana. S'han descobert moltes molècules inhibidores, tant sintètiques com aïllades d'extractes naturals, que han demostrat ser potents inhibidors de la virulència in vivo i in vitro.

Exemple: P. aeruginosa forma biofilms molt potents que contribueixen a la seva virulència.

PARÀMETRES AMBIENTALS I RESPOSTES BACTERIANES

Temperatura

La temperatura afecta la fluïdesa de les membranes i l'activitat enzimàtica.

• Temperatures elevades: Augmenten la fluïdesa dels lípids de membrana, amb més àcids grassos saturats.
• Temperatures baixes: Ralenteixen les reaccions enzimàtiques i augmenten la rigidesa de la bicapa lipídica (gelificació), amb més àcids grassos insaturats.

Classificació segons la temperatura:

• Mesòfils: Creixen òptimament entre 15-45°C (ex: E. coli).
• Psicròfils: Creixen per sota de 0°C, amb àcids grassos insaturats i proteïnes flexibles (ex: Pseudomonas vacuolata).
• Termòfils: Creixen entre 40-80°C, amb enzims resistents (ex: Thermococcus celer).
• Termòfils extrems: Creixen a temperatures properes als 100°C (ex: Taq polimerasa).

HEAT SHOCK RESPONSE

En resposta a un augment de temperatura, les proteïnes es desnaturalitzen. Les proteïnes de xoc tèrmic (HSP) intervenen en aquest procés. El gen rpoH codifica un factor sigma que, en condicions normals (30°C), es transcriu però no es tradueix o es degrada. A temperatures més altes (42°C), les proteïnes desnaturalitzades requereixen l'ajuda de xaperones (com DnaK/Hsp70 i Hsp40/DnaJ) per renaturalitzar-se. La RpoH alliberada s'uneix a la RNA polimerasa, incrementant ràpidament la producció de HSP.

Les proteïnes del periplasma, com sigma E (codificada per rpoE), estan segrestades per RseA i RseB.

COLD SHOCK RESPONSE

En resposta a baixes temperatures, es produeix la resposta de xoc fred, amb la síntesi de proteïnes de xoc fred. Per exemple, a menor temperatura, augmenta la concentració d'AMPc.

Oxigen

Els bacteris es classifiquen segons la seva relació amb l'oxigen:

• Aerobis estrictes
• Anaerobis estrictes
• Anaerobis facultatius
• Microaeròfils
• Aerotolerants

Metabolisme en anaerobis facultatius

En presència d'oxigen, el piruvat es metabolitza per la PDH i el cicle de Krebs (CK) és complet. En absència d'oxigen, la PDH i la citrat sintasa s'inhibeixen, i el piruvat es metabolitza per la PFL, fent el CK incomplet. S'incrementa l'activitat de la fumarat reductasa i la nitrat reductasa, desviant el metabolisme.

Sistemes de regulació de l'oxigen

• Sistema ARC: El sensor ArcB detecta intermedis reduïts en absència d'oxigen, s'autofosforila i transfereix el fosfat a ArcA (efector). ArcA inhibeix la transcripció d'enzims aeròbics (com DH o citocrom O) i activa la transcripció de citocrom D i pili F, augmentant l'afinitat per l'oxigen.
• Sistema FNR: La proteïna FNR, amb clústers de ferro-sofre, actua com a sensor d'oxigen. En condicions de reducció (sense O2), FNR dimeritza i s'uneix al DNA, activant gens anaeròbics i inhibint els aeròbics. En condicions d'oxidació, és inactiu.
• Sistema NAR: NarX (sensor) detecta nitrat i s'autofosforila, transferint el fosfat a NarL (efector). NarL fosforilat inhibeix la fumarat reductasa i activa la nitrat reductasa, potenciant l'ús del nitrat com a acceptor d'electrons.

Osmolaritat

L'osmolaritat es relaciona amb la disponibilitat d'aigua (a_w).

Classificació segons la tolerància a la sal:

• No halòfils: No toleren altes concentracions de sal (ex: E. coli).
• Halotolerants: Toleren concentracions salines elevades, tot i que el seu òptim de creixement no sigui a aquestes concentracions (ex: Staphylococcus aureus).
• Halòfils: Tenen òptims de creixement a concentracions salines elevades (ex: Aliivibrio fisheri).
• Halòfils extrems: Requereixen concentracions salines molt altes (ex: Halobacterium salinarum).

Medi hipotonic: L'aigua entra a la cèl·lula (osmolisi).

Medi hiperosmòtic: L'aigua surt de la cèl·lula (plasmòlisi).

SHOCK OSMÒTIC

En medis hiperosmòtics, la sortida d'aigua és detectada per la membrana. El bacteri respon incrementant la concentració intracel·lular de potassi i soluts compatibles (com el glutamat) per contrarestar la pressió osmòtica. A nivell de porines, el sistema EnvZ/OmpR regula l'expressió de porines: EnvZ (sensor) detecta la pèrdua de turgència i fosforila OmpR, que promou l'expressió de OmpC (en medis hiperosmòtics) i OmpF (en medis hiposmòtics).

pH

Els bacteris tenen mecanismes per regular el seu pH intracel·lular:

• pH lleugerament àcid: Sistema antiport de protons i potassi (sortida de H+, entrada de K+).
• pH lleugerament alcalí: Sistema antiport de sodi i protons (entrada de H+).
• pH extremadament àcid: Utilització d'enzims descarboxilases que alliberen CO2, substituint protons interns. Un antiport permet l'entrada de glutamat, que és descarboxilat.

REGULACIÓ ENZIMÀTICA I EXPRESSIÓ GÈNICA

Regulació de la quantitat i activitat enzimàtica

La regulació pot ser sobre la quantitat de proteïna (més lenta però estable) o sobre l'activitat enzimàtica (més ràpida, mitjançant canvis al·lostèrics o modificació covalent).

REGULACIÓ AL·LOSTERICA

La unió no covalent d'un efector modifica l'activitat de l'enzim. Pot ser control negatiu (inhibició) o positiu (activació).

Exemple: L'aspartat transcarbamoilasa, implicada en la síntesi de pirimidines, és inhibida pel seu producte final (CTP) i activada per ATP (indicador d'excés de purines).

Tipus de retroinhibició al·lostèrica:

• Feedback simple: El producte final inhibeix el primer enzim.
• Enzims isofuncionals: Diferents isoformes enzimàtiques són regulades per diferents productes finals (ex: aminoàcids aromàtics).
• Retroinhibició acumulativa: La inhibició total requereix l'acció combinada de dos o més productes finals (ex: glutamina sintasa).
• Retroinhibició seqüencial: Cada producte final inhibeix el primer enzim de la seva pròpia branca metabòlica.
• Inhibició per activació: Un producte pot activar una via mentre un altre l'inhibeix, coordinant diferents rutes.

Regulació al·lostèrica en vies catabòliques: En presència d'ATP, s'inhibeixen les vies catabòliques i s'activen les anabòliques. En absència d'ATP, s'activen les vies de síntesi d'ATP i s'inhibeixen les de despesa energètica.

MODIFICACIÓ COVALENT

Canvis químics reversibles en l'enzim.

• Adenilació de la glutamina sintetasa: L'adenilació inactiva l'enzim. La relació alfa-cetoglutarat/glutamina regula aquest procés mitjançant proteïnes com PII, UTasa i ATasa.
• Fosforilació de sucres (PTS): Enzims fosforilen la glucosa a partir de PEP. En absència de glucosa, fosforilen AMPc.
• Fosforilació de l'isocitrat DH: L'activitat de l'isocitrat deshidrogenasa depèn dels nivells d'ATP i recursos cel·lulars.
• Metilació de MCP (Proteïnes Quimiotàctiques): La fosforilació de CheY s'uneix a la base dels flagels, dirigint el moviment. La metilació de proteïnes de membrana regula la fosforilació de CheA.
• Acetilació de la citrat liasa: L'acetilació activa la citrat liasa en presència d'altres substrats com el glutamat.

REGULACIÓ DE L'EXPRESSIÓ GÈNICA

Els punts de regulació inclouen el reconeixement del promotor, la repressor/activació transcripcional, la potenciación, els sRNA reguladors, el superenrotllament del DNA, la regulació traduccional, l'atenuació, l'estabilitat de l'mRNA i la proteòlisi.

• Operons: Conjunts de gens que s'expressen junts.
• Reguló: Diferents operons controlats per un mateix regulador.
• Moduló: Operons controlats per un sistema global.
• Proteïnes d'unió al DNA: Sovint amb dominis hèlix-volta-hèlix.

Operó LAC

Control negatiu i indüible: Repressor LacI i efector lactosa. L'operó codifica per permeasa, beta-galactosa i transacetilasa. Control positiu: En absència de glucosa, l'AMPc s'uneix a CAP, activant la transcripció.

Operó TRP

Control negatiu i reprimible: Repressor TrpR i cofactor triptofan. Atenuació: Una seqüència líder amb codons de triptofan pot formar forquilles. En presència de triptofan, la transcripció s'atura. En absència, continua.

Atenuació TRP en Bacillus: Depèn de la proteïna TRAP, que s'uneix al triptofan i al DNA, regulant la transcripció.

Operó ARA

Control positiu i indüible: Activador AraC, regulat per arabinosa. També sotmès a repressor per catabòlit (control per glucosa).

Enhancers

Seqüències que potencien la transcripció a distància, sovint requerint proteïnes activadores (ex: NTRC per a la glutamina sintetasa, que requereix sigma 54).

Regulació post-transcripcional

• RNases: Degraden RNA.
• Autoregulació de proteïnes ribosòmiques: La manca de rRNA limita la síntesi de proteïnes ribosòmiques.
• Model control de TrpE: La fallada en l'atenuació pot impedir la traducció.
• Riboswitch RNA dependent de metabòlit: La presència d'un metabòlit pot inhibir la traducció (ex: B12).
• Riboswitch sensible a temperatura: Canvis de temperatura alteren l'estructura de l'RNA, afectant la traducció (ex: gen prfA).
• sRNA's: Molècules petites d'RNA que regulen l'expressió gènica, activant o inhibint la traducció, o induint la degradació de mRNA.
• RNA truncants (tmRNA): Alliberen ribosomes bloquejats en proteïnes defectuoses, incorporant un petit pèptid que marca la proteïna per a la degradació.

Proteòlisi

Enzims com Lon i Clp degraden proteïnes mal plegades, truncades o estranyes. La degradació de la subunitat sigma S, important en situacions d'estrès, és regulada per adaptadors com RssB. Els anti-adaptadors poden prevenir aquesta degradació.

Degrons: Són senyals de degradació en les proteïnes.

SOS RESPONSE

Resposta a danys en el DNA. Implica uns 30 gens per aturar la replicació i reparar el DNA. La proteïna RecA polimeritza sobre DNA de cadena senzilla, induint l'autoproteòlisi de LexA, un repressor de la resposta SOS.