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Edición española de Scientific American

MicrobiomasEn el ambiente

y en el cuerpo humano

BIOLOGÍA

Adaptaciones morfológicas

de las bacterias

ECOLOGÍA

Vida microbiana en ambientes

extremos

BIOPELÍCULAS

Tapices bacterianos resistentes

MICROBIOMA HUMANO

Influencia en nuestra

salud

www.investigacionyciencia.es administracion@investigacionyciencia.es

N.o 80 en tu

quiosco

Presentación

Microbiomas, comunidades invisibles fundamentales

os microorganismos son omnipresentes en la natura-leza y ejercen una influencia clave en toda la biosfera al medrar en los medios aéreo,

terrestre y acuático. Intervienen en procesos ecológicos fundamentales, como la regulación de los ciclos de nutrientes esenciales para los seres vivos, por lo que constituyen el eje central de todos los ecosistemas de nuestro planeta.

Pero los microorganismos no viven de forma aislada, sino que suelen interaccionar con su entorno y con otros microorganismos para formar comunidades complejas y diversas, las cuales, a su vez, modifican los ecosistemas de los que forman parte. En numerosos casos, además, los mi-crobios, especialmente las bacterias,

establecen relaciones simbióticas con otros organismos. Las comunidades microbianas que ocupan un determi-nado nicho ecológico, como las raíces de las plantas o las salmueras, cons-tituyen un microbioma. De particular interés es el microbioma humano, la rica comunidad de microorganismos que alberga nuestro cuerpo y que de-sempeña una enorme influencia sobre nuestra salud.

En este nuevo número de la colec-ción TEMAS ofrecemos una recopila-ción de los artículos más destacados publicados en Investigación y Ciencia sobre ecología microbiana, disciplina que se centra en el estudio de las in-teracciones de los microbios con su entorno, más allá de su comportamien-to bajo las condiciones artificiales de laboratorio.

El monográfico, estructurado en tres partes, examina en primer lugar varias características morfológicas y estrategias de las que se sirven las bac-terias para sobrevivir y proliferar en la naturaleza. A continuación indaga en las comunidades microbianas que se desarrollan en distintos hábitats, como los océanos o el suelo, y la función que desempeñan en ellos. Y, por último, ahonda en los recientes hallazgos sobre la influencia del microbioma humano, especialmente el intestinal, en nuestras funciones vitales básicas.

Esperemos que con esta selección descubra nuevos aspectos sobre los eco-sistemas microbianos, este mundo in-visible de importancia primordial para la biosfera y, en particular, para nuestro organismo y nuestra salud.

—La redacción

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LAS COMUNIDADES MICROBIANAS se desarrollan en todo tipo de ambientes,

hasta en los más extremos, como las ácidas aguas del río Tinto, en Huelva.

2 Temas 63

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1 Presentación: Microbiomas, comunidades invisibles fundamentalesLa redacción

ESTRATEGIAS DE SUPERVIVENCIA BACTERIANA

4 BiopelículasJoe J. Harrison, Raymond J. Turner, Lyriam L. R. Marques y Howard Ceri

14 Nadar en melazaFerris Jabr

20 El arte de la guerra bacterianaB. Brett Finlay

28 Intercambio de genes bacterianos en la naturalezaRobert V. Miller

MICROBIOMAS EN EL AMBIENTE

36 Microorganismos halófilosShiladitya DasSarma

42 Aplicaciones didácticas de las haloarqueasPriya DasSarma

44 Tierra prodigiosaRichard Conniff

48 Respuesta de los microorganismos de los suelos áridos ante el cambio climáticoFernando T. Maestre

52 Plancton bacteriano de los océanos José M. González, Carlos Pedrós-Alió y Josep M. Gasol

64 ¿Convivimos con microorganismos alienígenos?Paul Davies

MICROBIOMA HUMANO

74 El ecosistema microbiano humanoJennifer Ackerman

82 Nuestro segundo genomaFrancisco Guarner

84 La influencia del intestino en el cerebroPeter Andrey Smith

90 La malnutrición favorece el desarrollo de bacterias nocivasAna Izcue y Fiona Powrie

92 Un alimento «vivo»Juan Miguel Rodríguez Gómez

94 Guía para interpretar con escepticismo las investigaciones sobre el microbiomaWilliam P. Hanage

TEMAS 853er trimestre 2016

Microbiomas

Estrategias de supervivencia

bacterianaIS

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4 TEMAS 85

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Cuando pensamos en las bacterias, imaginamos un medio acuoso con organismos unicelulares en suspensión. Seres solitarios que se reúnen de vez en cuando con sus congéneres para provocar una enfermedad o estropear un ali-mento, pero regresan a su retiro individual terminada la tarea.

Pero semejante descripción de la vida bacteriana no solo peca de simplista. Es errónea. En la naturaleza, la mayoría de los microorganismos medran en grupos formados por muche-dumbres, que se adhieren a una superficie. En vez de vivir como ermitaños solitarios en la forma planctónica, la mayoría de las bacterias pasan su vida en una biopelícula.

En su estado maduro, una biopelícula constituye una es-tructura fascinante. Forma tapices, agregados, promontorios o incluso microcolonias de mayor complejidad que generan for-maciones con aspecto de tallo o champiñón. Los habitantes de la película pueden pertenecer a una misma especie o a diversos grupos de microorganismos distribuidos en varias barriadas. Su nexo común es una matriz de polisacáridos, ADN y proteí-nas, que constituyen una sustancia polimérica extracelular, la mucosidad.

La vida en comunidad les ofrece ventajas notables. La proxi-midad física de otras células favorece las interacciones sinérgi-cas, incluso entre miembros de especies distintas: transferencia horizontal de material genético entre microorganismos, utiliza-

ción conjunta de subproductos metabólicos, mayor tolerancia a los antimicrobianos, amparo ante los cambios del entorno y protección frente al sistema inmunitario de un huésped infec-tado o frente a depredadores. La formación de una biopelícula se ha llegado a comparar con el programa de diferenciación celular que opera en un organismo pluricelular.

El reconocimiento de la importancia de los tapices bacte-rianos constituye un fenómeno reciente. Desde hace un par de decenios se viene investigando la fisiología de estas comunida-des. Lo que no deja de resultar sorprendente, habida cuenta de que el microscopista holandés Antonie van Leeuwenhoek descubrió las biopelículas a finales del siglo xvii. Había inten-tado matar un tapiz bacteriano (la placa dental de su propia dentadura postiza) mediante ácido acético, pero se dio cuenta de que se destruían solo las células que flotaban libremente. A pesar de ese hallazgo precoz de las comunidades microbianas, la ciencia se desentendió de tales observaciones para centrarse en las bacterias planctónicas.

Por supuesto, no todos los expertos coinciden en que las bio-películas constituyen la organización bacteriana predominante en la naturaleza. La mayoría de las técnicas microbiológicas disponibles examinan microorganismos cultivados en su estado planctónico. Pero estamos asistiendo a un cambio en nuestra concepción de las bacterias. Se vislumbra una nueva perspectiva de la vida microbiana que tendrá consecuencias fundamentales para la medicina, la industria, la ecología y la agricultura.

E S T R AT E G I A S D E S U P E R V I V E N C I A B AC T E R I A N A

BiopelículasLos avances en el conocimiento de estas comunidades microbianas están desencadenando una revolución que puede transformar la microbiología

Joe J. Harrison, Raymond J. Turner, Lyriam L. R. Marques y Howard Ceri

E N S Í N T E S I S

Tal forma de vida ofrece a los microbios numerosas venta-jas, como la posibilidad de intercambiar material genético y metabolitos, así como una mayor tolerancia a los cambios del entorno y una mayor resistencia a los antibióticos.

En la naturaleza, la mayor parte de los microorganismos medran agrupados en comunidades ad-heridas sobre una superficie.

Los nuevos estudios sobre biopelículas quizá cambien el rumbo de la investigación microbiológica, ya que prometen el control de las infecciones provocadas por bacterias y otros microorganismos.

Microbiomas 5

EL PARQUE NACIONAL DE YELLOWSTONE rebosa vida microscópica, incluidas algas termófilas (A, B, C) y bacterias filamentosas (D). Las biopelículas que forman estos organismos resultan familiares a todos, pero se sabe poco acerca de ellas, ya que los expertos han centrado su atención en las formas solitarias (planctónicas) de los microorganismos.

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B

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6 TEMAS 85

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TAPICES MICROBIANOS EN TODAS PARTES¿Quién no ha resbalado nunca sobre la capa viscosa que recubre las rocas de un río o de un arroyo? La mucosidad en cuestión corresponde a una biopelícula integrada por bacterias, hon-gos y algas. Se forma a partir de la colonización bacteriana de la superficie de la roca. Estos microorganismos producen una sustancia polimérica extracelular que, al estar dotada de car-ga electrostática, atrapa partículas de alimento, arcilla y otros minerales. La materia atrapada en la mucosidad crea nichos microscópicos, dotado cada uno de un microentorno distinto. Merced a ello, los microorganismos que presentan sus propias necesidades individuales se agrupan y tejen un consorcio mi-crobiano diversificado.

La matriz de una biopelícula se considera un hidrogel, un polímero complejo hidratado, cuyo contenido acuoso supera con creces su propio peso en seco. Las características de hidrogel confieren a la mucosidad fluidez y elasticidad suficientes para que esta soporte los cambios en el efecto de cizalladura que provoca el fluido circundante. Por eso los tapices microbianos suelen formar filamentos (hilillos pegajosos compuestos por

microorganismos amarrados a una superficie). Conforme el agua fluye sobre la biopelícula, algunos fragmentos pueden despren-derse y, por tanto, propagar la comunidad microbiana aguas abajo. Se cree que esta es la forma en que las bacterias colonizan los pulmones de los pacientes sometidos a respiración asistida; provocan una neumonía que resulta fatal para los pacientes en estado crítico.

La extraordinaria capacidad de propagación de los microor-ganismos explica que las biopelículas se formen en los lugares más insospechados. La quilla de acero de un barco en alta mar se recubre de biopelículas que incrementan la resistencia del buque y afectan, por tanto, a su velocidad. Otras biopelículas causan estragos en la industria petrolífera al promover la corrosión de los metales y reducir el tiempo de vida de los oleoductos.

Algunas biopelículas, formadas por Archaea, línea ancestral de procariotas (organismos carentes de núcleo), sobreviven in-cluso en los ambientes hidrotérmicos hostiles de manantiales termales y fumarolas volcánicas submarinas. La arqueobacteria Pyrodictium prolifera en el fondo del mar; forma una película mohosa que recubre los cristales de sulfuro en el ambiente os-

A S Í S E AG R E G A N

De las bacterias individuales a las biopelículasEl desarrollo de un tapiz bacteriano remeda el de un organismo pluricelular. Las señales intercelulares regulan el crecimiento y la dife-renciación. Una biopelícula típica se forma (siguiendo las flechas a partir de la esquina superior izquierda) cuando las bacterias planctóni-cas que nadan libremente en suspensión se adsorben sobre una superficie biótica o inerte (una asociación, al principio reversi-ble, que luego se torna irreversible, ). La adsorción desencadena los primeros cambios fisiológicos que conducen al estilo biológico de película. Conforme las bacterias crecen y se dividen , las células intercambian señales moleculares que aportan información sobre la densidad poblacional celular (proceso de «percepción del quórum»). En una colonia madura, los microorganismos producen una sustancia polimérica extracelular, una matriz de polisacáridos, ADN y proteínas que engloba la estructura de la microcolonia . Las células planctónicas pueden abandonar la biopelícula para establecer nuevas biopelículas . Determinadas señales procedentes del grupo pueden reclutar nuevas especies microbianas para que se unan al consorcio .

Adsorción

Bacterias planctónicas

Sustancia polimérica extracelular («mucosidad»)

Adhesión irreversible

Crecimiento y división

Quimioatracción

Dispersión

Moléculas señalizadoras

Formación de una microcolonia madura

Moléculas señalizadoras

Consorcios multiespecie

Canal acuoso

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