16 Abr. 2019

Investigación Nutrición Animal

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PERCEPCIÓN DE QUÓRUM & Comunicación entre reinos

NUEVAS PERSPECTIVAS SOBRE CÓMO LOS PROBIÓTICOS PUEDEN DESPLAZAR A LOS PATÓGENOS ENTÉRICOS


Los procariotes, organismos unicelulares microscópicos sin un núcleo claro (como las bacterias), representan la fuente de biodiversidad más importante del mundo. Durante millones de años, los organismos procariotes han actuado como una fuerza de selección, influyendo en la evolución de los organismos eucariotes, como plantas y animales, constituidos por células nucleadas con orgánulos englobados por una membrana plasmática.

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El genoma humano contiene alrededor de 23.000 genes, mientras que se han encontrado aproximadamente 3,3 millones de genes no redundantes en el microbiona del tracto gastrointestinal. Más del 99% de esos genes pertenecen a 1.000-1.200 especies bacterianas diferentes que representan una microbiota intestinal diversa compleja.

Entre todos estos microorganismos, las bacterias presentes en el tracto gastrointestinal –bacterias intestinales–, tanto de humanos como de animales, han sido ampliamente estudiadas debido a su influencia en la salud y en la enfermedad a través de complejas interacciones con sus hospedadores.

Diferentes factores han demostrado tener efectos sobre la microbiota intestinal, incluyendo:

  • Dieta
  • Antibióticos
  • Forma de nacimiento
  • Alimentación en la fase neonatal
  • Enfermedad
  • Estrés
  • Envejecimiento
  • Alojamiento
  • Manejo
  • Genética del hospedador

Los desequilibrios o los cambios en la composición de la microbiota –disbiosis– asociados a cualquiera de estos factores pueden conducir a trastornos y a varias enfermedades

Avances significativos en la tecnología microbiológica y molecular, junto con la tecnología de secuenciación y los métodos computacionales han aumentado nuestros conocimientos sobre la composición, estructura y papel de las bacterias en la salud y la enfermedad. Actualmente, se ha reconocido que las bacterias intestinales juegan un papel central en varias funciones fisiológicas y metabólicas en todos los animales de producción, siendo muy importantes para el mantenimiento de la homeostasis y el estatus sanitario.

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Existen cada vez más evidencias que demuestran que las bacterias intestinales pueden tener varias funciones entre ellas:

  • Estimulan el desarrollo intestinal
  • Producen sustancias empleadas como una fuente de energía por las células intestinales
  • Facilitan la digestión y la absorción de nutrientes
  • Estimulan y/o modulan los mecanismos inmunitarios
  • Mantienen un buen estado de salud

Por ello, los nuevos conocimientos y la comprensión de la homeostasis y diversidad de las bacterias intestinales –perfiles bacterianos normales vs perfiles bacterianos anormales–, junto con las interacciones entre las especies bacterianas presentes en el intestino y el hospedador, podría contribuir a potenciar la salud y el rendimiento de las aves y otros animales de producción. Los beneficios potenciales son particularmente importantes para la industria avícola, que continúa desarrollando estrategias de prevención que no se basan en el uso de antibióticos y sigue invirtiendo esfuerzos en garantizar la seguridad alimentaria, reduciendo a su vez el riesgo de las resistencias antimicrobianas.

Percepción de quórum

Múltiples estudios han puesto de manifiesto que las bacterias se comunican entre sí en respuesta a fluctuaciones de la densidad de población celular, liberando, detectando y respondiendo a pequeñas moléculas señalizadoras difusibles (autoinductores). Esta comunicación, conocida como percepción de quórum (PQ) consiste en un mecanismo de regulación génica de una gran variedad de funciones fisiológicas, como el acceso a los nutrientes y nichos ecológicos favorables, o la respuesta frente a bacterias competidoras y factores ambientales estresantes. Adicionalmente, PQ puede ser un mecanismo de señalización competitivo o cooperativo entre especies bacterianas o entre la bacteria y el hospedador

Tales funciones incluyen:

  • Simbiosis
  • Virulencia
  • Motilidad
  • Producción de antibióticos
  • Formación de biopelículas
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PQ ocurre en la mayoría de especies bacterianas, aunque existen diferencias con respecto a la forma de producción, detección y respuesta a estas señales químicas. En muchas especies, PQ modula las funciones de virulencia y es importante para la patogénesis en varias enfermedades entéricas. Asimismo, insectos como las abejas y las hormigas usan PQ para comunicarse y determinar el lugar idóneo para construir su nido

Para que las bacterias puedan usar la percepción de PQ de forma constitutiva, deben ser capaces de:

  • Segregar una molécula señalizadora (autoinductor)
  • Detectar los cambios en la concentración de moléculas señalilizadoras
  • Responder mediante la regulación de la transcripción génica

Las bacterias individuales generalmente producen unos bajos niveles de moléculas señalizadoras de PQ, de modo que cuando hay una baja densidad celular las moléculas pueden difundirse. En cambio, si hay una alta densidad celular, la concentración local de moléculas señalizadoras podría exceder el umbral límite, desencadenando cambios en la expresión génica. Se sabe que las bacterias probióticas, como Lactobacillus spp., pueden producir sustancias proteicas, tales como las bacteriocinas, que pueden inhibir el crecimiento o inactivar a otras bacterias mediante mecanismos de PQ. Estas bacteriocinas pueden antagonizar la colonización y replicación de Salmonella spp.

La biopelícula bacteriana está formada por un conjunto de microorganismos (una o varias especies) asociados a una superficie y englobados en una matriz polimérica. Las biopelículas pueden crecer sobre muchas superficies diferentes, tales como las tuberías de agua de bebida de las granjas y plantas de incubación (Figura 2) y si no son retiradas pueden formar estructuras permanentes.

Conforme la biopelícula se va formando, las bacterias involucradas empiezan a alterar su estructura génica al liberar sustancias químicas en respuesta a los cambios en la densidad poblacional. Este mecanismo de PQ permite que las biopelículas crezcan y desarrollen funciones sinérgicas que favorecen su supervivencia. Dentro de la biopelícula, las bacterias pueden compartir nutrientes y están protegidos de factores ambientales que pueden ser perjudiciales, como la desecación, las sustancias químicas y el sistema inmunitario de los animales.

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Las bacterias presentes en las biopelículas forman colonias persistentes que no se multiplican o de crecimiento lento que son insensibles a la acción de los antimicrobianos, favoreciendo el desarrollo de resistencias y actuando como reservorio de bacterias patógenas e infecciones persistenes en algunas granjas avícolas y porcicolas.

Comunicación entre reinos Comunicación entre bacterias y hospedadores

La comunicación/señalización entre bacterias y hospedadores se conoce como comunicación entre reinos. Anteriormente, se consideraba que PQ solo ocurría entre las bacterias, pero más nuevos estudios han demostrado la comunicación entre bacterias, hongos, virus y el hospedador. Esta comunicación se produce dependiendo de la producción de hormonas por parte del hospedador y la producción de autoinductores por parte de las bacterias. Por ejemplo la adrenalina y noradrenalina secretadas por las células del hospedadores son detectadas por los receptores de membrana de las bacterias, conduciendo a un incremento de la virulencia y patogenicidad de patógenos entéricos como Salmonella, Campylobacter y E. coli.

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Por otro lado, la gastrina, una hormona secretada por las células gástricas y que estimula la liberación de ácido gástrico, incrementa el crecimiento de Helicobacter pylori. Yendo más allá, se sabe que las bacterias pueden detectar distintos componentes del sistema inmunitario, como las citoquinas y los péptidos antimicrobianos que modulan la respuesta inmunitaria del hospedador. Los animales, plantas, hongos, virus y bacterias producen nanovesículas extracelulares que contienen microARNs (miARN) y otras moléculas para comunicarse entre sí. Esta comunicación entre reinos se ha detectado en humanos, animales de granja, bacterias, virus, hongos y plantas

La importancia de la microbiota intestinal es enorme, ya que un desequilibrio en la composición microbiana puede provocar un cambio en la simbiosis fisiológica, pasando a la disbiosis, o lo que es lo mismo, de la salud a la enfermedad.

Durante el período perinatal, la microbiota intestinal puede verse afectada por varios factores por las condiciones del nacimiento, las infecciones bacterianas, los tratamientos antibióticos y el estilo de vida. Una vez establecida, la microbiota intestinal puede alterarse debido a los hábitos alimentarios y la dieta. En los últimos años, se ha evolucionado hacia un nuevo paradigma en cuanto a la nutrición, alejándose de la epidemiología clásica y la fisiología y acercándose más a la biología molecular y la genética.

Interacciones entre probióticos & su papel en el mantenimiento de la homeostatsis bacteriana

Las complejas interacciones microbianas permiten que se comuniquen entre sí o con el hospedador para mantener sus nichos ecológicos y la homeostasis con el hospedador. Las interacciones microbianas pueden ser mutualistas o antagonistas y, por tanto, cooperan para la transferencia génica horizontal y la formación de biopelículas, o compiten por los nutrientes, combatiendo con otras especies o patógenos mediante la expresión de bacteriocinas, microcinas y colicinas.

Recientes estudios sobre PQ indican que la comunicación bacteriana puede utilizarse como alternativa a los antibióticos

Las nuevas moléculas PQ descubiertas han demostrado ser útiles en el tratamiento de enfermedades frente a las que opciones convencionales no son eficaces. Asimismo, la producción de alimentos seguros y libres de patógenos, ha recibido cada vez más atención debido a las demandas del mercado de unos productos alimenticios de alta calidad y libres de residuos.

Un estudio reciente demostró que los autoinductores producidos por Lactobacillus plantarum resultaron en la inhibición in vitro de Salmonella Heidelberg (SH) y a su vez mejoraron la comunicación entre la microbiota normal e inhibió a SH en pollitos recién nacidos. Adicionalmente, los microARNs (miARNs) han demostrado tener un papel importante en el desarrollo del sistema inmunitario y en la regulación de la respuesta inflamatoria del hospedador.

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Los probióticos pueden mitigar efectivamente la inflamación en pollos causada por Salmonella. A parte de sus potenciales aplicaciones antimicrobianas, se está investigando qué otras aplicaciones terapéuticas podrían tener las moléculas derivadas de la percepción de quórum, especialmente los péptidos, en ámbitos como la inmunología, trastornos del sistema nervioso central y la oncología.

Los descubrimientos recientes y el entendimiento de los mecanismos moleculares implicados en la comunicación entre especies, como el PQ, podría ayudar a desarrollar nuevos enfoques y alternativas para el control de infecciones bacterianas en animales de producción.

 

Diamond V


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