Category Archives: Evolució

Microbis domesticats per fer vi

24 agost 2022

A banda d’animals i plantes, els humans també hem anat “domesticant” alguns microbis al llarg de la història, en anar desenvolupant els aliments fermentats. Els grups principals d’aquests microorganismes són els bacteris làctics de molts productes lactis i vegetals fermentats, els llevats de les begudes alcohòliques, i les floridures d’alguns formatges i derivats de la soja. En aquest article, després d’una breu introducció, em limito sobretot als microbis del vi, o sigui, als llevats de la fermentació alcohòlica com Saccharomyces cerevisiae i als bacteris de la fermentació malolàctica com Oenococcus oeni.

DOMESTICACIÓ

Quan el flux genètic entre poblacions de la mateixa espècie es redueix, usualment per aïllament, l’evolució pot donar lloc a subpoblacions diferents, que eventualment poden esdevenir espècies diferents. Els humans poden interferir en aquest procés natural limitant el flux genètic deliberadament, seleccionant determinats trets desitjats, o sigui, la selecció artificial. D’aquesta manera, algunes espècies acaben essent dependents d’ambients antropogènics i adquireixen trets evolutius que interessen als humans. Això és la domesticació

Els trets buscats són molt diversos, des del rendiment (ex. ramaderia bovina o ovina o l’agricultura intensiva), passant per la tolerància al estrès (ex. collites resistents a sequera), fins arribar a l’estètica (ex. flors) o a la companyia (ex. gossos). Amb l’excepció dels gossos ja domesticats fa uns 30.000 anys, la majoria d’espècies domesticades ho foren durant la revolució neolítica fa uns 12.000 anys, amb el canvi de nomadisme de caçar i recol·lectar al sedentarisme lligat als conreus i al bestiar. En seleccionar els descendents d’animals i plantes que millor cobrien les necessitats específiques, aquests humans prehistòrics efectivament van començar a controlar els processos de selecció i el flux genètic (Steensels et al. 2019). 

DOMESTICACIÓ DE MICROORGANISMES

Comparat amb la de plantes i animals, la domesticació de microbis ha estat ignorada molt de temps. Recentment, el gran augment de dades genòmiques disponibles ha permès conèixer amb precisió les relacions genètiques entre diferents microorganismes, amb la qual cosa s’ha vist que els microbis industrials sovint representen branques genètiques diferenciades i aïllades als arbres filogenètics. Tanmateix, les circumstàncies ambientals que la domesticació microbiana requereix i les característiques genètiques concretes no s’han estudiat amb detall.

Curiosament, mentre que la domesticació d’animals i plantes són sobretot el resultat de l’esforç humà a posta, la domesticació dels microbis ha succeït sobretot sense intenció. Cal recordar que l’existència dels microorganismes començà a finals del s. 17 amb Antoni van Leeuwenhoek, el seu paper a les fermentacions no fou desvelat fins al s. 19 amb Louis Pasteur i altres, i sobretot els primers cultius purs, en concret de llevats cervesers, no foren obtinguts fins a finals del s. 19 per Emil C. Hansen a la Carlsberg.

Però és clar, les fermentacions són conegudes des del neolític o abans, encara que no se sabés res dels microbis com a tal. Un dels primers passos per controlar una mica el procés de fermentació fou probablement la retro-inoculació (backslopping en anglès), on s’utilitza material —i per tant microbis— d’una fermentació prèvia per començar-ne una de nova. Amb això, aquells antics artesans van promoure sense pretendre-ho l’adaptació dels microbis a l’ambient fermentatiu antropogènic, i per tant fou una selecció “inconscient”.

Al llarg del procés de domesticació dels microbis, hi ha una competència contínua entre diferents variants, ja siguin espècies, soques o mutants, a cada ronda de fermentació. O sigui, també hi ha una supervivència dels més adaptats, com a la selecció natural, encara que aquí és en un ambient controlat pels humans. En canvi, això ha canviat aquests darrers decennis des que s’utilitza la inoculació de cultius purs, seleccionats prèviament en base a les característiques volgudes. Aquesta selecció més “artificial” s’assembla més a la domesticació tradicional d’animals i plantes. La introducció de les noves eines biotecnològiques aquests darrers anys ha permès dissenyar encara millor el microorganisme amb les propietats desitjades per a la fermentació, incloent-ne algunes, com la producció d’aromes exòtics, que no necessàriament donen un avantatge adaptatiu del microbi.

Recomano la revisió de Steensels et al. (2019) per repassar les característiques del procés de domesticació als principals grups de microbis industrials, que són els bacteris làctics, els llevats i les floridures. Com he esmentat al principi, aquí em centraré sobretot en els relacionats amb el procés de vinificació, o sigui llevats i bacteris làctics, i per aquest ordre, de rellevància i temporalitat al vi.

DOMESTICACIÓ DELS LLEVATS

Els llevats són fongs unicel·lulars, i per tant microscòpics. Tenen uns 4 micròmetres de diàmetre, encara que alguns poden arribar fins a 40 µm, i ocasionalment alguns fan prolongacions o cadenes de cèl·lules conegudes com pseudohifes. Es reprodueixen sobretot asexualment per mitosi amb gemmació, una divisió asimètrica on el llevat fill més petit és la gemma. En condicions d’estrès poden esporular i després de la meiosi es produeixen espores haploides, que poden conjugar. La majoria són ascomicets però també n’hi ha de basidiomicets, i encara que hi ha unes 1500 espècies de llevats, el “llevat” per antonomàsia és Saccharomyces cerevisiae.

Encara que no exclusius del vi, els llevats S. cerevisiae són el model perfecte de domesticació microbiana perquè, malgrat ser eucariotes, tenen un genoma petit (12 Mb i 6500 gens, enfront la mitjana als ascomicets que és de 36 Mb i 11000 gens) i ben estudiat, temps de generació curts i es disposa de moltes eines per fer-hi recerca genètica i fenotípica.

S. cerevisiae només és abundant a les fermentacions de fruita recollida artificialment, com als raïms veremats un cop són al celler. En canvi, de forma natural s’ha trobat a molts hàbitats però en nombres escassos, i en particular a les fruites, al raïm mateix, i a l’escorça dels roure, que semblen ser els seus nínxols ecològics, però en qualsevol cas en nombres escassos (Steensels et al. 2019).

Per això s’ha proposat que S. cerevisiae no és que estigui adaptat a cap nínxol específic sinó que es pot dir que és una espècie nòmada, capaç de sobreviure com a generalista poc abundant en un ample ventall d’ambients. Pot sobreviure en molt diverses condicions i encara que el seu genoma és petit, és força complex i de fet per créixer als medis de laboratori només li calen el 20% dels seus 6500 gens (Goddard & Greig 2015).

Però malgrat no tenir clar quin és el seu hàbitat natural, està clar que el seu segon hàbitat són molts ambients artificials de fermentacions com les de pa, cervesa i viS. cerevisiae és conegut per les seves excel·lents característiques fermentatives, fins i tot en presència d’oxigen. Aquest caràcter sorgí com un procés evolutiu, adquirint la capacitat de créixer en medis amb molts sucres però amb pocs dels altres nutrients, i de convertir aquests diversos sucres a etanol, un compost antimicrobià per al qual aquest llevat és molt tolerant. El vi es considera la primera beguda fermentada alcohòlica, de fa uns 9000 anys (Fay et al. 2019). Amb tot, S. cerevisiae no és la única espècie per produir begudes alcohòliques, vins inclosos, ja que també ho són altres Saccharomyces relacionats: S. uvarumS. eubayanusS. kudriavzevii i altres derivats híbrids (González et al. 2006)

Com que l’etanol és un bon preservatiu natural enfront de microbis no desitjats, i addicionalment té la capacitat de ser una substància addictiva, la fermentació d’aliments per llevats va esdevenir una pràctica ben estesa, i va sorgir independentment en diverses civilitzacions arreu del món.

Per estudiar el probable origen de S. cerevisiae i la relació entre les seves diverses soques, en un estudi recent de seqüenciació i anàlisi dels SNPs (polimorfismes d’un sol nucleòtid) de més de 600 soques d’aquesta espècie (Duan et al. 2018) s’ha vist que les soques silvestres, de diversos continents però sobretot de la Xina, se separen quasi totes de les domesticades, excepte les aïllades en roures i altres Quercus, que són més properes als de les soques pròpies de vins i de cerveses (Figura 1). Com veiem, les soques domesticades es distribueixen en 2 branques evolutives. Una branca agrupa soques de fermentacions en estat sòlid, sobretot d’Àsia i en particular de la Xina. I l’altra inclou les pròpies de fermentacions líquides com els vins i les cerveses i altres, a més de les esmentades dels Quercus. Tot plegat, els autors (Duan et al. 2018) postulen un hipotètic origen de l’espècie, i sobretot de la seva domesticació, a la Xina o l’est asiàtic en general. 

Figura 1. Esquema de l’arbre filogenètic de soques de S. cerevisiae (adaptat de Steensels et al. 2019 i Duan et al. 2018).

Aquesta proximitat evolutiva de les soques de S. cerevisiae del vi amb les dels Quercus podria ser perquè aquests arbres fossin l’origen silvestre de les víniques o també perquè hi hagués hagut un retorn a la natura d’alguna soca vínica (Steensels et al. 2019).

Les soques de llevats domesticades dels diversos processos en estat líquid, o industrials “europees”, a més de ser diferents de les silvestres, s’agrupen filogenèticament força amb l’aplicació industrial, ja sigui cervesa o vi (Figura 2). Les soques domesticades de S. cerevisiae tenen reforçats uns trets que les fan idònies per a l’ambient fermentatiu, com l’adaptació a concentració alta de sucres, ambients amb poc O2 i tolerància a l’etanol, però també alguns trets específics del producte. Per exemple, els llevats cervesers poden metabolitzar maltotriosa, sucre específic del malt, mentre que els llevats vínics tenen una bona resistència als agents antimicrobians emprats, el sulfat de coure a la vinya i el sulfurós al celler. Com veiem (Figura 2), els S. cerevisiae del vi tenen una domesticació més limitada que els cervesers. Per exemple, els cervesers han perdut la capacitat de supervivència fora de l’entorn fermentatiu, mentre que els vínics poden esporular i sobreviuen a l’entorn extern. Això segurament és degut a que la fermentació del vi només passa un cop cada any, després de la verema, i la resta de l’any els llevats han de sobreviure al celler o a l’entorn en un ambient més natural (Steensels et al. 2019).

Figura 2. Filogènia i domesticació dels llevats industrials (Gallone et al 2016).

Cal afegir a aquestes diferències entre els llevats vínics i els cervesers, la molt més gran diversitat gènica dels llevats cervesers. De fet, molts d’aquests són S. cerevisiae, que inclouen els anomenats d’alta fermentació com els de les cerveses ale i stout i moltes més de tot el món, però justament les cerveses de baixa fermentació lager, que són el 94% del mercat mundial, són dutes a terme per S. pastorianus (sinònim S. carlsbergensis), per tant una altra espècie. Aquest S. pastorianus és un híbrid al·lotetraploïde de S. cerevisiae amb el llevat criotolerant S. eubayanus, i s’originà domèsticament cap al segle 15 a Baviera sotmetent les cerveses a baixes temperatures de coves dels Alps. Per això aquest llevat actua a 7-13ºC, i al fons del fermentador (Libkind et al. 2011). 

Totes les altres cerveses d’alta fermentació són elaborades amb molt diverses S. cerevisiae, constituint un grup polifilètic, amb moltes branques evolutives, algunes de les quals són filogenèticament properes a les del sake, del vi i del pa. La diversitat de nucleòtids dels S. cerevisiae cervesers és més del doble que la dels vínics. Aquesta major diversitat segurament és deguda a la suara comentada utilització estacional dels llevats vínics a diferència dels cervesers tot l’any, i també als més intensos i diferents règims de selecció associats a la seva elaboració (Gonçalves et al. 2016).

Amb tot això, tenim l’aparent paradoxa que les cerveses, com que la majoria de les consumides són lager, i moltes d’elles produïdes a gran escala industrial, semblen ser més estandarditzades comercialment i per tant més uniformes, i en canvi els vins semblen ser més diversos, en contra del que acabem de veure de la molt major diversitat de soques de llevats cerveseres que víniques. 

CANVIS GENÈTICS CAP A LA DOMESTICACIÓ DE SACCHAROMYCES CEREVISIAE DEL VI

En centrar-nos en el vi, cal recordar que en començar la fermentació espontània del most de raïm les soques de S. cerevisiae no són predominants i hi ha un ampli espectre d’altres llevats, coneguts com no-Saccharomyces: Hanseniaspora, Pichia, Lachancea, Metschnikowia o Torulaspora i altres gèneres (Fleet et al. 1984). Per efecte de la producció d’etanol, S. cerevisiae acaba predominant i desplaçant en nombre a las no-Saccharomyces. Encara que cada cop més s’estan veient els beneficis d’aquests altres llevats a nivell d’aromes i s’estan utilitzant com a estàrters addicionals a S. cerevisiae (Jolly et al. 2014), no es pot parlar de la domesticació d’aquests no-Saccharomyces perquè no tenen fins ara un paper primordial en la vinificació, no es pot elaborar cap vi només amb aquests altres llevats. Per tant aquí em limitaré a S. cerevisiae

Molts dels mecanismes de canvis genètics que han portat a la domesticació de S. cerevisiae a la vinificació són presents també en altres espècies domesticades, tant microbianes com animals i plantes. El mecanisme més fàcil d’establir com a canvi genètic són els SNPs, degudes a mutacions puntuals d’un sol nucleòtid, però s’ha vist que aquests SNPs representen tan sols una petita fracció dels relacionats amb la domesticació de S. cerevisiae, i en canvi la majoria són rearranjaments estructurals del genoma, com els següents.

Les variacions en el nombre de còpies (CNV en anglès) són mutacions molt freqüents a molt diversos organismes, on fragments de DNA de > 1kb són repetits, tenen diverses còpies, amb nombre variable. El cas més conegut en els llevats vínics és el gen CUP1, que codifica per a una metal·lotioneïna, proteïna captadora de coure. Algunes soques poden tenir fins a 18 còpies d’aquest gen, amb la qual aquests S. cerevisiae vínics produeixen més quantitat de la proteïna i per tant són més tolerants al coure de la “barreja de Bordeus” usada com a fungicida a les vinyes (Steensels et al 2019).

Els rearranjaments cromosòmics, amb delecions, insercions o translocacions de grans fragments de cromosomes, sovint causades per transposons, són relativament freqüents en l’evolució dels llevats vínics i de Saccharomyces en general. De fet, aquests rearranjaments que poden afectar un nombre important de gens són una causa important de especiació. Un exemple n’és la tolerància al sulfit —l’antibacterià més usat en vinificació— degut a l’al·lel SSU1-R que és el producte sobreexpressat d’una translocació entre els cromosomes 8 i 16, només present als llevats vínics (Pérez-Ortín et al. 2002).

La hibridació interespecífica és un altre mecanisme de canvis que ja hem vist com a origen dels llevats domesticats a les cerveses lager. Les espècies de Saccharomyces poden hibridar molt fàcilment entre elles ja que aquests híbrids poden propagar-se per mitosi tan eficientment com els seus progenitors, encara que rarament poden fer la meiosi i per tant, quasi mai produeixen espores viables (Sipiczki 2008). Malgrat això, alguns dels llinatges híbrids poden acabar ser reconeguts com a espècies. Els casos més coneguts són l’esmentat S. pastorianus (sinònim S. carlsbergenesis) (S. cerevisiae x S. eubayanus) de les lager, i els S. bayanus (S. cerevisiae x S. eubayanus x S. uvarum) del vi (Figura 3). Tanmateix, S. bayanus és controvertit per les seves similituds amb S. cerevisiae i genera confusió de noms d’espècies amb alguna de les soques comercials més utilitzades (Sipiczki 2008).

Figura 3. Cladograma del gènere Saccharomyces amb les seves 8 espècies i 2 de les espècies híbrides, S. pastorianus i S. bayanusS. paradoxus inclou conjunts de soques originades a diferents continents. Modificat de Ono et al. (2020).

Els híbrids també han estat clau en l’aparició de força llevats vínics, sobretot en relació a la possibilitat de fermentar a baixes temperatures. Per exemple, algunes de les soques comercials d’estàrters que fermenten vi a 15ºC són híbrids “naturals” de S. cerevisiae amb S. kudriavzevii amb poliploïdia parcial, aïllats el 1979, que tenen la bona producció d’etanol de S. cerevisiae i la tolerància al fred de S. kudriavzevii (Erny et al. 2012).

De fet, recentment la hibridació interespecífica de diversos Saccharomyces vínics —per exemple S. cerevisiae x S. uvarum— s’està realitzant als laboratoris per tal d’aconseguir soques amb millors característiques relacionades amb caràcters poligènics. La hibridació com a mètode té l’avantatge de no ser considerada una tècnica GMO (organisme modificat genèticament, en anglès) i per tant les soques poden ser transferides ràpidament a la indústria (García-Ríos et al. 2019).

La transferència genètica horitzontal (TGH) és un altre mecanisme molt important evolutivament en molts organismes i en els llevats vínics també se’n coneixen alguns casos que han contribuït a la seva domesticació. Un cas és el gen Fsy1 codificant del transportador de fructosa, que permet a S. cerevisiae la utilització de la fructosa al final de fermentació, després d’haver consumit la glucosa. És molt probable que aquest gen li fou transferit del similar de S. pastorianus, per al que presenta molta homologia (Galeote et al. 2010). Un altre cas demostrat de TGH és el del gen Fot originari d’un altre llevat, Torulaspora microellipsoides, que li permet a S. cerevisiae una millor incorporació d’oligopèptids, que li donen avantatge competitiu quan les fonts de nitrogen són escasses (Marsit et al. 2015).

LLEVATS del VI DOMESTICATS o TORNEM ALS SILVESTRES ?

Malgrat els avantatges en la fermentació del vi que ha suposat l’ús d’aquests llevats evolucionats, això ha comportat una certa uniformització en les característiques del vi, sobretot a nivell d’aromes, perquè la majoria dels llevats utilitzats pertanyen a un sol llinatge genètic de S. cerevisiae domesticat. Com a contramoviment a això i també pel desig general de productes més “naturals” o ecològics, darrerament hi ha una tendència a utilitzar microorganismes silvestres i/o autòctons enlloc de les soques “domesticades”, o deixar més les fermentacions espontànies. Això passa amb el vi però també amb la cervesa i altres begudes i aliments fermentats (Steensels et al. 2014). En el vi, la tendència principal és sobretot l’ús de llevats no-Saccharomyces, presents de forma natural a l’inici de la fermentació, com he comentat abans, que donen perfils aromàtics diferents i molt interessants (Padilla et al. 2016). I encara més, els avenços en la comprensió de la domesticació combinats amb les noves tècniques disponibles per a l’evolució dirigida de microorganismes possibilitaran la creació de nous llinatges domesticats (Steensels et al. 2019).

———————–

DOMESTICACIÓ DELS BACTERIS LÀCTICS

El vi, juntament amb la cervesa i el pa, són els productes principals lligats a la domesticació comentada del llevat, S. cerevisiae bàsicament, amb algun altre molt relacionat com hem vist. Per tant, tenim unes poques espècies d’un sol gènere amb una gamma limitada de productes. En canvi, els bacteris làctics (BL) comprenen moltes espècies i ben diverses, que intervenen a molt diversos productes, tant derivats de la llet com de vegetals i d’altres aliments (Taula 1), molts més que els 3 bàsics dels llevats. Paradoxalment i tanmateix, al vi pràcticament només tenim una sola espècie de bacteri làctic domesticat, Oenococcus oeni, com tot seguit comentaré.

Els BL són bacteris gram-positius, de baix G+C al seu DNA, no esporulats, de metabolisme fermentatiu sense respiració, que produeixen àcid làctic com a producte principal de la fermentació de carbohidrats. Del punt de vista taxonòmic són l’ordre Lactobacillales, de la classe Bacilli, dins el fílum Firmicutes. Els seus hàbitats naturals són moltes plantes, especialment els fruits rics en sucres, i els animals, especialment els mamífers i entorn les seves llets, però també a l’interior dels seus cossos, com a la microbiota de boca i digestiu.

Els BL són el grup de microorganismes més important en la producció d’aliments i begudes fermentats, als que contribueixen en aroma, textura, seguretat i qualitat. La seva domesticació fou clau en la conservació d’aliments, i va resultar en molts cultius iniciadors per a la producció d’aliments industrials fermentats.

A nivell industrial, els productes làctics més coneguts són els lactis o derivats de la llet (Taula 1), on els BL predominants són Lactococcus i diversos gèneres actuals derivats de Lactobacillus (Zheng et al. 2020). En aquests dos grups, la domesticació va anar associada a pèrdua de gens de rutes biosintètiques —d’aminoàcids per exemple— i d’estrès oxidatiu, així com adquisició per TGH de gens per a un creixement òptim en l’ambient lacti, com els d’utilització de caseïna i de lactosa (Bonham et al. 2017).

Taula 1. Aliments (i begudes) fermentats amb intervenció de bacteris làctics (BL). Els BL o bacteris de l’àcid làctic (BAL, en anglès LAB) són de l’ordre Lactobacillales del fílum Firmicutes. Taula modificada i adaptada de Leroy & de Vuyst (2004). S’ha exclòs Bifidobacterium, que hi era a l’original, perquè no es dels Lactobacillales sinó del fílum Actinobacteria. S’han actualitzat els nous noms del gènere Lactobacillus (Zheng et al 2020).

Tipus de producteProducte fermentatBL predominants a, b
Productes lactisFormatges Lc. lactis, Le. mesenteroides, Lb. delbrueckii, Lb. helveticus, Lcb. casei, St. thermophilus
 Mantega i similarsLc. lactis, Le. mesenteroides
 IogurtLb. delbrueckii, St. thermophilus
 Altres llets fermentades cLcb. casei, Lb. acidophilus, Lcb. rhamnosus, Lb. johnsonii
 QuefirLnb. kefiri, Lb. kefiranofaciens, Lvb. brevis
Carns fermentadesEmbotits europeusLtb. sakei, Ltb. curvatus
 Embotits USAP. acidilactici, P. pentosaceus
Peix fermentatPlaa-som, bagoóng, garum i altresClb. alimentarius, C. piscicola
Vegetals fermentatsXucrutLe. mesenteroides, Lpb. plantarum, P. acidilactici
 OlivesLpb. pentosus, Lpb. plantarum, Le. mesenteroides
 Envinagrats: cogombrets, albergínies i altresLe. mesenteroides, P. cerevisiae, Lvb. brevis, Lpb. plantarum
 KimchiLe. mesenteroides, Le. kimchii, Ltb. sakei, Lpb. plantarum, W. kimchii, P. pentosaceus
 Salsa de sojaT. halophilus
Cereals fermentatsMassa mareFlb. sanfranciscensis, Lvb. brevis, Lpb. plantarum
Begudes alcohòliquesFermentació malolàctica del viO. oeni
 Vi d’arròsLtb. sakei
 Cerveses làmbic o similarsPediococcus spp.
Gèneres: C.=Carnobacterium, Lc.=Lactococcus, Lb.=Lactobacillus, Lcb.=Lacticaseibacillus, Lnb.=Lentilactobacillus, Lvb.=Levilactobacillus, Ltb.=Latilactobacillus, Clb.=Companilactobacillus, Lpb.=Lactiplantibacillus, Flb.=Fructilactobacillus, Le.=Leuconostoc, O.=Oenococcus, P.=Pediococcus, St.=Streptococcus, T.=Tetragenococcus, W.=Weissella.
b A banda de possibles altres microorganismes no BL
c Incloent les de probiòtics afegits

——————–

BACTERIS LÀCTICS DEL VI, OENOCOCCUS OENI I LA SEVA DOMESTICACIÓ

De la mateixa manera que amb els llevats, com que les fermentacions víniques no són estèrils, al most poden haver-hi molt diversos bacteris, incloent els BL. D’aquests, els més habituals durant la fermentació alcohòlica, si bé en nombres baixos —inferiors a 104 UFC/mL—, són Oenococcus oeniLactiplantibacillus plantarumLentilactobacillus hilgardiiLevilactobacillus brevisFructilactobacillus lindneriPediococcus parvulus i algun altre (Capozzi et al. 2021).

Però al final de la FA, quan el contingut d’etanol produït pels llevats ja és superior a 10% (v/v), aleshores la gran majoria de bacteris inclosos quasi tots els BL són inhibits, i pràcticament només hi romanen —i hi poden créixer lleugerament— les soques de O. oeni (Franquès et al. 2017), que duen a terme la fermentació malolàctica (FML) o conversió de L-màlic a L-làctic. Aquesta FML té els beneficis de reducció de l’acidesa, millora organolèptica i estabilitat microbiològica del vi (Bartowsky 2008). A banda de O. oeni, ocasionalment en alguns vins la FML pot ser duta a terme per altres BL, sobretot per Lpb. plantarum (Krieger-Weber et al. 2020).

Per tant, Oenococcus oeni és el bacteri del vi per excel·lència, degut a la seva tolerància a l’etanol i la capacitat de sobreviure en un medi àcid i amb polifenols i amb ben pocs nutrients com és el vi. La seva excepcionalitat està clar que va lligada a la seva domesticació —involuntària per als humans— i adaptació a aquest entorn artificial del vi durant aquests darrers milers d’anys.

CANVIS GENÈTICS CAP A LA DOMESTICACIÓ DE OENOCOCCUS OENI AL VI

Els bacteris gram-positius amb fermentació heterolàctica de sucres i forma de coc que realitzen la FML del vi foren classificats com Leuconostoc oenos per Garvie (1967) per la semblança amb altres Leuconostoc. Tanmateix, els del vi es distingeixen dels altres Le. pel creixement en medi àcid, la tolerància a l’etanol, i la pobre fermentació de carbohidrats, a més de les estructures diferenciades d’enzims clau com la D-lactat deshidrogenasa o la glucosa-6-fosfat deshidrogenasa. L’estudi filogenètic del gen 16S rRNA per Yang & Woese (1989) va revelar una línia ben diferenciada d’aquests bacteris del vi respecte a altres Leuconostoc i d’altres BL (Figura 4). Aquests autors ja observaren que la seqüència del 16S rRNA de “Le. oenos“, a més de ser molt distant de tots els altres Leuconostoc, tenia inusualment alterada la composició en posicions altament conservades. Per tot això Dicks et al. (1995) van proposar el nou nom de gènere i espècie Oenococcus oeni

Figura 4. Arbre filogenètic de O. oeni amb altres BL en base a les seqüències del gen 16S rRNA. Weissella, Lactobacillus, Leuconostoc, Pediococcus, Aerococcus, Carnobacterium, Enterococcus, Streptococcus, Lactococcus, Vagococcus. Adaptat de Dicks et al. (1995).

Aquesta branca filogenètica ben llarga i diferenciada de O. oeni és indicativa de la ràpida evolució que aquest bacteri ha experimentat en la domesticació i adaptació al vi. Les característiques genòmiques principals d’aquesta espècie respecte a altres BL són d’una reducció gènica a tots els nivells (Makarova et al. 2006), la qual cosa es correspon amb la molt menor capacitat biosintètica (aminoàcids, vitamines, etc.):

  • El genoma de O. oeni és de 1.78 Mbp, el més petit dels BL, que van de 1.8 de diversos Streptococcus a 3.3 de Lpb. plantarum.
  • El nombre d’operons rRNA de O. oeni és 2, el menor de tots els BL, ja que alguns com Lb. delbrueckiii en tenen 9.
  • El nombre de tRNAs de O. oeni és 43, el menor de tots els BL, enfront de 55-98 dels altres, relacionat amb el menor creixement i la menor competitivitat ecològica.

A banda de la reducció gènica, a Oenococcus s’observen taxes més elevades de mutacions que a d’altres BL, és un gènere hipermutable (Taula 2). La causa és que hi són absents els gens mutS i mutL, que són gens de reparació d’errors d’aparellament (MMR, mismatch repair), mentre que aquests gens són presents a tots els altres BL. El tipus de mutacions més freqüent són les transicions (GC –> AT i AT –> GC). Això explica l’alt nivell de polimorfisme al·lèlic, que probablement va conduir a la seva adaptació als ambients àcids i amb etanol (Marcobal et al. 2008). L’alta mutabilitat devia generar algunes mutacions beneficioses per a ambients molt restrictius com és el vi, a diferència d’altres BL, com per ex. Leuconostoc o Pediococcus, que es troben en molt diversos hàbitats. A més, el gènere Oenococcus és un exemple de com la manca dels gens MMR pot portar a la especiació.

Taula 2. Hipermutabilitat de O. oeni respecte a altres BL (adaptat de Marcobal et al. 2008)

EspècieTaxes de mutació espontània amb rifampicinaTaxes de mutació espontània amb eritromicina% Transicions (GC-AT i AT-GC) / total mutacions
Oenococcus oeni1.6 x 10-61.6 x 10-683
Leuconostoc mesenteroides1.5 x 10-84.2 x 10-928
Pediococcus pentosaceus5.5 x 10-84.7 x 10-933

Aquesta hipermutabilitat ha originat la gran diversitat de soques de O. oeni que trobem en totes les regions vinícoles mundials, i quan s’estudien els seus genomes per diversos mètodes moleculars com els SNP (polimorfismes d’únic nucleòtid), s’observen (Figura 5) agrupacions de soques relacionades amb el tipus de producte, com les de xampany o de la sidra —on també és present aquest bacteri—, resultat de la domesticació-adaptació als diversos ambients on realitza la FML. També es troba O. oeni com a BL predominant a la kombutxa, la beguda de té fermentat per una comunitat de llevats, acètics i soques específiques de O. oeni i altres BL (Lorentzen & Lucas 2019).

Figura 5. Reconstrucció filogenòmica de soques de O. oeni en base als SNP (polimorfismes d’únic nucleòtid). Les soques procedents del mateix producte (sidra, xampanya) queden agrupades. Adaptat de Campbell-Sils et al. (2015).

OENOCOCCUS OENI, EL BACTERI DOMESTICAT QUASI NOMÉS PRESENT AL VI

Aquesta és potser l’evidència més clara de què O. oeni és un bacteri producte de la domesticació. De manera semblant al cas dels llevats i en aquest cas es pot dir que encara amb més certesa, és molt difícil trobar O. oeni fora del vi en ambients naturals. Les poblacions de BL al most de raïm són com a molt 104/mL, i O. oeni només és una petita part d’aquests. Hi ha molts pocs estudis on se’ls hagi pogut aïllar dels raïms o del most. En destaca el treball recent de Franquès et al. (2017) on s’aconseguiren aïllar-ne diverses soques al Priorat. Algunes d’aquestes foren també aïllades als mateixos vins, i es confirmà la presència del DNA d’O. oeni als mateixos raïms. 

Malgrat la minsa presència d’aquest bacteri als raïms i al most, un cop la fermentació alcohòlica està acabant i el vi conté una quantitat significativa d’etanol produït pels llevats, els pocs inicials O. oeni poden haver assolit unes poblacions suficients per realitzar la FML. A banda del most, també és molt probable que els bacteris ja hi siguin al celler, a les superfícies o interior dels equipaments, ja que s’han detectat soques comercials de O. oeni a cellers on se n’havia utilitzat anys abans (Lorentzen & Lucas 2019).

CONCLOENT, LA DOMESTICACIÓ INCONSCIENT DELS MICROBIS DEL VI HA GENERAT DOS MOLT EXCEPCIONALS

El llevat Saccharomyces cerevisiae és l’espècie principal implicada a la fermentació alcohòlica del vi, i el bacteri làctic Oenococcus oeni ho és per a la fermentació malolàctica. En canvi, abans de les fermentacions respectives quasi no hi són. Si no s’inoculen estàrters, els nombres de S. cerevisiae són molt baixos al most, i O. oeni pràcticament no apareix al vi fins al final de la fermentació alcohòlica. Per tant, es pot dir que si els humans no haguessin començat a fer vi —i cervesa en el cas dels llevats— fa alguns milers d’anys, aquestes dues espècies segurament no existirien. Són clarament microbis domesticats en el sentit que han aparegut evolutivament en un temps relativament breu com a derivats de microbis previs que no tenien les característiques específiques d’aquests dos.

Com hem vist, l’excepcionalitat de Saccharomyces (“el fong del sucre”), i en particular S. cerevisiae, és sobretot la capacitat de fermentar medis amb molts sucres, convertint-los a etanol en quantitats importants, per al qual aquest llevat és molt tolerant. Aquesta producció d’etanol és bioquímicament excepcional i única entre els fongs i els altres organismes. Vegeu al respecte el treball de Dashko et al. (2014) sobre l’evolució de la fermentació alcohòlica als llevats.

L’excepcionalitat d’O. oeni (“el coc del vi del vi”) també és ben evident. És una espècie “nascuda i modelada” al vi (Bech-Terkilsen et al. 2020), capaç de sobreviure en un medi ben hostil, amb etanol, pH baix i molt pocs nutrients. Hi subsisteix gràcies al L-màlic i algunes restes de les cèl·lules de llevats, com és el cas de les manoproteïnes (Balmaseda et al. 2021), i és resistent a l’estrès d’aquestes condicions extremes gràcies a algunes proteïnes protectores del xoc de l’etanol, als sistemes antioxidants com el glutatió (Margalef-Català et al. 2016), i també en part degut a l’acumulació de manganès —també antioxidant, i molt poc estudiat—, el qual a més és cofactor de l’enzim malolàctic (Makarova et al. 2006). Per tot això, O. oeni pot ser una espècie model d’estrès per als altres BL (Liu 2002).

BIBLIOGRAFIA

Balmaseda A, Aniballi L, Rozès N, Bordons A, Reguant C (2021) Use of yeast mannoproteins by Oenococcus oeni during malolactic fermentation under different oenological conditions. Foods 10, 1540

Bartowsky EJ (2008) Oenococcus oeni and malolactic fermentation —moving into the molecular arena. Aust J Grape Wine Res 11: 174-187

Bech-Terkilsen S, Westman J, Swiegers J, Siegumfeldt H (2020) Oenococcus oeni, a species born and moulded in wine: a critical review of the stress impacts of wine and the physiological responses. Aust J Grape Wine Res 26, 188-206

Bonham KS, Wolfe BE, Dutton, R.J. (2017) Extensive horizontal gene transfer in cheese-associated bacteria. Elife 6, e22144

Campbell-Sills H, El Khoury M, Favier M, Romano A, Biasioli F et al. (2015) Phylogenomic Analysis of Oenococcus oeni Reveals Specific Domestication of Strains to Cider and Wines. Genome Biol Evol 7, 1506–1518

Capozzi V, Tufariello M, De Simone N, Fragasso M, Grieco F (2021) Biodiversity of Oenological Lactic Acid Bacteria: Species- and Strain-Dependent Plus/Minus Effects on Wine Quality and Safety. Fermentation 7, 24

Dashko S, Zhou N, Compagno C, Piškur J (2014) Why, when, and how did yeast evolve alcoholic fermentation?. FEMS Yeast Res, 14, 826–832

Dicks LMT, Dellaglio F, Collins MD (1995) Proposal to reclassify Leuconostoc oenos as Oenococcus oeni [corrig.] gen. nov., comb. nov. Int. J. Syst. Bacteriol. 45, 395–397

Duan SF, Han PJ, Wang QM, Liu WQ, Shi JY et al (2018). The origin and adaptive evolution of domesticated populations of yeast from Far East Asia. Nat. Commun. 9, 2690

Erny C, Raoult P, Alais A, Butterlin G, Delobel P et al. (2012) Ecological Success of a Group of Saccharomyces cerevisiae/Saccharomyces kudriavzevii Hybrids in the Northern European Wine-Making Environment. Appl Environ Microbiol 78, 9

Fay JC, Liu P, Ong GT, Dunham MJ, Cromie GA et al. (2019) A polyploid admixed origin of beer yeasts derived from European and Asian wine populations. PLoS Biol 17(3): e3000147

Fleet GH, Lafon-Lafourcade S, Ribereau-Gayon P (1984). Evolution of yeasts and lactic acid bacteria during fermentation and storage of Bordeaux wines. Appl Environ Microbiol 48, 1034–1038

Franquès J, Araque I, Palahí E, Portillo MC, Reguant C, Bordons A (2017) Presence of Oenococcus oeni and other lactic acid bacteria in grapes and wines from Priorat (Catalonia, Spain). LWT Food Sci Technol 81, 326-334

Galeote V, Novo M, Salema-Oom M, Brion C, Valerio E et al. (2010) FSY1, a horizontally transferred gene in the Saccharomyces cerevisiae EC1118 wine yeast strain, encodes a high-affinity fructose/H+ symporter. Microbiology 156, 3754–3761

Gallone B, Steensels J, Prahl T, Soriaga L, Saels V et al (2016) Domestication and divergence of Saccharomyces cerevisiae beer yeasts. Cell 166, 1397–1410.e1316

García-Ríos E, Guillén A, de la Cerda R, Pérez-Través L, Querol A, Guillamón JM (2019) Improving the Cryotolerance of Wine Yeast by Interspecific Hybridization in the Genus Saccharomyces. Front Microbiol 9, 3232

Garvie EI (1967) Leuconostoc oenos sp. nov. J Gen Microbiol 48, 431–438

Goddard MR, Greig D (2015) Saccharomyces cerevisiae: a nomadic yeast with no niche ? FEMS Yeast Res. 15, 1–6

Gonçalves M, Pontes A, Almeida P, Barbosa R, Serra M et al (2016) Distinct Domestication Trajectories in Top-Fermenting Beer Yeasts and Wine Yeasts, Current Biology 26, 2750-2761

González SS, Barrio E, Gafner J, Querol A (2006) Natural hybrids from Saccharomyces cerevisiae, S. bayanus and S. kudriavzevii in wine fermentations. FEMS Yeast Res 6, 1221–1234

Krieger-Weber S, Heras JM, Suarez C (2020) Lactobacillus plantarum, a New Biological Tool to Control Malolactic Fermentation: A Review and an Outlook. Beverages 6, 23

Leroy F, De Vuyst L. (2004). Lactic acid bacteria as functional starter cultures for the food fermentation industry. Trends Food Sci Technol 15, 67–78

Libkind D, Hittinger CT, Valério E, Gonçalves C, Dover J et al (2011). Microbe domestication and the identification of the wild genetic stock of lager-brewing yeast. Proc Nat Acad Sci, 108(35), 14539-14544

Liu SQ (2002) A review: Malolactic fermentation in wine — Beyond deacidification. J Appl Microbiol 92, 589–601

Lorentzen MPG, Lucas PM (2019) Distribution of Oenococcus oeni Populations in Natural Habitats. Appl Microbiol Biotechnol 103, 2937–2945

Jolly NP, Varela C, Pretorius IS (2014) Not your ordinary yeast: non-Saccharomyce yeasts in wine production uncovered. FEMS Yeast Res, 14, 215–237

Makarova K, Slesarev A, Wolf Y, Sorokin A, Mirkin B et al. (2006) Comparative genomics of the lactic acid bacteria. Proc Natl Acad Sci U S A. 103:15611–15616

Marcobal AM, Sela DA, Wolf YI, Makarova KS, Mills DA (2008) Role of hypermutability in the evolution of the genus Oenococcus. J Bacteriol 190, 564-570

Margalef-Català M, Araque I, Weidmann S, Guzzo J et al. (2016) Protective roles of glutathione addition against wine-related stress in Oenococcus oeni. Food Res Internat 90, 8-15

Marsit S, Mena A, Bigey F, Sauvage F, Couloux A. et al. (2015) Evolutionary advantage conferred by an eukaryote-to-eukaryote gene transfer event in wine yeasts. Mol Biol Evol 32, 1695–1707

Ono J, Greig D, Boynton PJ (2020) Defining and Disrupting Species Boundaries in Saccharomyces. Ann Rev Microbiol 74,477-495

Padilla B, Gil JV, Manzanares P (2016) Past and future of non-Saccharomyces yeasts: from spoilage microorganisms to biotechnological tools for improving wine aroma complexity. Front Microbiol 7, 411

Pérez-Ortı́n JE, Querol A, Puig S, Barrio E (2002) Molecular Characterization of a Chromosomal Rearrangement Involved in the Adaptive Evolution of Yeast Strains. Genome Res 12, 1533-1539

Steensels J, Gallone B, Voordeckers K, Verstrepen KJ (2019) Domestication of industrial microbes. Curr Biol 29 R381 (Review) 

Sipiczki M (2008) Interspecies hybridization and recombination in Saccharomyces wine yeasts. FEMS Yeast Res 8, 996-1007

Steensels J, Snoek T, Meersman E, Picca Nicolino M et al (2014) Improving industrial yeast strains: exploiting natural and artificial diversityFEMS Microbiol Rev 38, 947–995

Yang D, Woese CR (1989) Phylogenetic structure of the ‘‘Leuconostocs’’: an interesting case of a rapidly evolving organism. Syst Appl Microbiol 12, 145–149

Zheng J, Wittouck S, Salvetti E et al (2020) A taxonomic note of the genus Lactobacillus: Description of 23 novel genera, emended description of the genus Lactobacillus Beijerinck 1901, and union of Lactobacillaceae and Leuconostococaceae. Int J Syst Evol Microbiol 004107

Geosmina, Streptomyces i els camells

5 abril 2022

Click here for the English version: Geosmin, Streptomyces and camels

Us preguntareu de què va això. Encara que “Geosmina” sembla un nom maco per posar-li a una nena, no crec que n’hi hagi gaires al món amb aquest nom (Piqueras 2016). Doncs bé, com ara comentaré, la geosmina és un dels principals compostos que fan olor de pluja o terra mullada, que és produït per Streptomyces i altres bacteris, i que sembla que els camells al desert podrien detectar des de llargues distàncies per trobar aigua.

OLOR DE PLUJA: el PETRICOR i la GEOSMINA

De l’olor d’humitat o aroma característica que provoca la pluja en caure als sòls eixuts se’n diu petricor, que en grec és més o menys “líquid de les pedres”. El petricor és una olor com dolça, fresca i agradable, té una complexa composició i en prevalen la geosmina —d’origen microbià— i un conjunt d’olis aromàtics alliberats per moltes plantes. Aquests olis, que retarden la germinació de les llavors, són traspuats per les plantes en períodes de sequera per tal de protegir a les llavors, evitant que germinin (Bear & Thomas 1965). Els olis queden adsorbits al terra, sobretot argilós, i quan comença a ploure, les gotes de pluja colpegen la superfície i alliberen aerosols a l’aire transportant aquests compostos aromàtics, que formen part del perceptible olor de petricor. Un cop plou, l’aigua renta aquests olis del sòl, que deixen d’inhibir la germinació, i tot seguit hi ha una ràpida resposta de llavors germinant. 

A banda d’aquests olis aromàtics vegetals, la geosmina és l’altre constituent principal de l’olor de petricor que percebem quan comença a ploure. Com veurem, és produïda per microbis —sobretot actinobacteris com Streptomyces. Els aerosols provocats per les gotes de pluja en caure contenen milions d’aquests bacteris productors de geosmina, que són transportats per l’aire, disseminant durant una estona l’aroma de pluja recent (Portillo 2020).

Cal esmentar també l’ozó com a relacionat en part amb l’olor de pluja. A vegades aquest O3 de sensació punxent pot ser detectat, sobretot prèviament a la pluja, degut a l’activitat elèctrica de les tempestes (Sen 2016).

La GEOSMINA

El nom ve del grec (geos – osmos): olor de terra. És el dimetil-octahidro-naftalenol (C12H22O), un alcohol bicíclic no aromàtic sense nitrogen (Figura 1). La forma natural és l’isòmer (–). En solució àcida és transformat en argosmina, que té la mateixa estructura però sense el grup -OH, i que no fa olor.

Figura 1. La Geosmina, compost amb aroma de la terra recent mullada.

Els humans, com molts altres animals, podem detectar aquesta molècula a l’aire en molt baixa concentració. El nostre llindar olfactiu de la (–)geosmina és al voltant d’alguns nanograms per litre d’aire, o sigui de parts per trilió (10-12) (Cotton 2009). Aquesta alta sensibilitat olfactiva de molts animals se suposa que està relacionada amb la possibilitat de trobar aigua de pluja per beure, i el fet que la majoria dels humans trobem agradable aquesta olor pot estar relacionat amb què per als nostres avantpassats això anava lligat a la supervivència (Palermo 2013).

Malgrat això, la geosmina també es relaciona amb mala qualitat d’aigua i d’aliments, ja que és un subproducte del metabolisme microbià, com tot seguit veurem, i per tant va lligat al creixement dels microorganismes. Per exemple, pot donar un mal gust, com terròs, al vi, a l’aigua de consum i al peix i marisc (Coca-Ruiz et al 2022). Un altre compost que també contribueix de forma similar a aquests problemes és el 2-metilisoborneol, un altre terpè produït també per Streptomyces i cianobacteris (Juttner & Watson 2007).

ORGANISMES PRODUCTORS DE GEOSMINA

La geosmina és produïda per molt diversos grups de bacteris, sobretot dels fílums ActinobacteriaCyanobacteria i els mixobacteris (del fílum Delta-proteobacteria). Us recordo que podeu veure la relació dels principals fílums bacterians al meu post del 7 abril 2020. La geosmina també pot ser produïda per uns quants eucariotes, incloent fongs, hepàtiques, insectes i alguns plantes (Coca-Ruiz et al 2022).

De tots ells, els principals productors de geosmina són els Streptomyces, dins el fílum Actinobacteria. Aquests, abans també anomenats actinomicets, són bacteris grampositius heteròtrofs, de DNA amb alt G+C, i de formes irregulars o filamentoses. Els Streptomyces —gènere que inclou més de 500 espècies— són aerobis, formen un complex miceli filamentós d’hifes ben desenvolupades, i es dispersen amb conidiòspores, espores aèries a partir d’estructures comparables als fongs però procariotes (Figura 2). Són molt abundants al sòl i la vegetació, i tenen un complex metabolisme secundari, per la qual cosa són molt importants industrialment i en biotecnologia. Són productors de 2/3 dels antibiòtics naturals, tant antibacterians com antifúngics, i també produeixen antiparasitaris, anticancerígens i són emprats com vectors d’expressió heteròloga de proteïnes eucariòtiques.

Figura 2. Esquema de secció d’una colònia de Streptomyces creixent en agar, amb les morfologies característiques dels micelis vegetatiu i aeri, i les cadenes de conidiòspores (imatge treta de Li et al. 2016).

RUTA de BIOSÍNTESI de la GEOSMINA als STREPTOMYCES

Encara que la ruta biosintètica de la geosmina s’ha estudiat a diferents bacteris que la produeixen, incloent cianobacteris i deltaproteobacteris, lògicament els Streptomyces han estat els més estudiats. Fou aïllada per primer cop per Gerber & Lechevalier (1965) en una fermentació de S. griseus i recentment s’ha estudiat sobretot a S. coelicolor (Figura 3), perquè és una espècie model o prototip dels Actinobacteria, la seva genètica es coneix molt bé i el seu cromosoma lineal de 8.7 Mb va ser dels primers amb seqüència completa (Cane & Watt 2003). S. coelicolor és una de les principals espècies on s’han conegut bé els gens de biosíntesi de tots els terpenoides (Cane & Ikeda 2012). Des del punt de vista taxonòmic, S. coelicolor ha estat reclassificada dins l’espècie-grup Streptomyces albidoflavus (Rong et al. 2009).

Figura 3. Colònies de Streptomyces coelicolor, amb un característic pigment blau cel (imatge treta de John Innes Centre 2003).

Malgrat que aquesta ruta biosintètica ha estat molt estudiada durant anys, no ha estat resolta en detall fins fa poc. La geosmina és un metabòlit secundari, o sigui, del metabolisme de síntesi de compostos que no tenen una funció clara en els processos de creixement i manteniment cel·lular. Els metabòlits secundaris, per a l’organisme que els produeix, tenen funcions sobretot com a mediadors de relacions ecològiques, com competència amb altres organismes (ex. antibiòtics, toxines) o de protecció (ex. pigments, alcaloides) o de comunicació amb altres cèl·lules o organismes (ex. feromones). Dins dels possibles metabòlits secundaris, la geosmina és del grup dels terpens, que es deriven de l’isoprè o la seva forma activa pirofosfat d’isopentenil (C5), procedent del mevalonat format a partir de l’acetil-CoA (Figura 4). 

Figura 4. Inici de la ruta de biosíntesi dels terpens, presents a molts procariotes i a la majoria d’eucariotes, sobretot fongs i plantes.

Encara que els terpens són biosintetitzats per moltes plantes, la diversitat i funcions dels d’origen microbià és enorme. Vegeu al respecte la recent excel·lent revisió de Avalos et al. (2022). Com passa amb altres metabòlits secundaris, els terpens microbians tenen funcions bioecològiques de competència i defensa, interaccions amb l’hoste, comunicació i senyalització intercel·lular, i resposta a l’estrès per temperatura o pH.

Per polimerització a partir de la unitat bàsica C5 dels terpens i altres reaccions es formen els monoterpens (C10), sesquiterpens (C15), diterpens (C20), i els C25, C30 i C40, que inclouen molts aromes i fragàncies de les plantes, els esteroides, alcaloides, carotens i altres metabòlits secundaris. La geosmina en concret és el compost més representatiu i interessant de la família dels tri-nor-sesquiterpens, que són sesquiterpens degradats que han perdut C3 dels C15. Com veiem (Figura 5), el sesquiterpè bàsic —difosfat de farnesil (FPP)— és convertit en germacradienol, i aquest alliberant acetona (C3) dóna dimetiloctalina, la qual ja és C12 i precursora de la geosmina (Coca-Ruiz et al. 2022).

Figura 5. Biosíntesi de la geosmina (C12H22O) per Streptomyces i altres bacteris, a partir del difosfat de farnesil (FPP), un sesquiterpè (tret de Sen 2016, Jiang et al. 2007, i Coca-Ruiz et al. 2022).

Sorprenentment, aquesta conversió complexa del FPP a la geosmina a S. coelicolor és catalitzada per un sol enzimbifuncional de 726 aminoàcids, germacradienol/geosmina sintasa, del qual el domini N-terminal converteix i cicla el FPP a germacradienol i el domini C-terminal fa la resta, incloent la geosmina sintasa. Ambdues part són dependents de Mg2+ (Jiang et al. 2007).

El gen (SC9B1.20 = SCO6073) que codifica per a aquest enzim a S. coelicolor (soca A3(2)) fou caracteritzat en primer lloc per Cane & Watt (2003) i Gust et al. (2003). Posteriorment s’han trobats gens homòlegs a molts dels altres bacteris productors de geosmina, ja siguin cianobacteris o delta-proteobacteris o gamma-proteobacteris o altres actinobacteris (Figura 6) (Churro et al. 2020).

També recentment s’ha vist que aquest gen de la geosmina sintasa, així com el de la sintasa del 2-metilisoborneol —l’esmentat altre terpè amb aroma de pluja de Streptomyces— tenen uns factors de transcripció específics d’esporulació que fa que s’expressin només en les colònies de Streptomyces que estan esporulant (Becher et al. 2020), la qual cosa està relacionada amb la seva funció de dispersió del bacteri, com ara veurem.

Figura 6. Esquema del clúster gènic de geosmina amb el gen de geosmina-sintasa (geoA) i altres gens relacionats, amb diversos arranjaments a diversos bacteris dels Cyanobacteria Cyano), Deltaproteobacteria (Delta), Gammaproteobacteria(Gamma) i Actinobacteria (Actino). cnb és el gen de la proteïna lligand de nucleòtids cíclics (tret de Churro et al. 2020).

I PERQUÈ STREPTOMYCES PRODUEIX LA GEOSMINA ?

Com hem vist, els metabòlits secundaris com la geosmina tenen funcions sobretot com a mediadors de relacions ecològiques o amb altres organismes, que d’alguna manera beneficien la supervivència de l’organisme que els produeix. 

En el cas de la geosmina, sembla que el característic olor de terra humida atrau molt diversos organismes, i entre aquests hi ha diversos invertebrats, els quals es menjarien o adsorbirien els bacteris productors de l’olor, i amb això ajudarien a escampar-ne les espores per tal que els bacteris puguin colonitzar altres terrenys.

Entre aquests invertebrats hi ha sobretot els col·lèmbols. Aquests són minúsculs (5 mm) artròpodes àpters hexàpodes, parents dels insectes, molt abundants a tots els hàbitats de tota la Terra on hi hagi humus o matèria orgànica en descomposició. S’ha vist que Folsomia candida —una de les 8000 espècies de col·lèmbols— (Figura 7) és atreta per la geosmina produïda per Streptomyces, i s’alimenta de les colònies de l’actinobacteri. Amb això, el col·lèmbol dissemina les espores bacterianes a través de les femtes i també perquè se li adhereixen a la cutícula. A més, com he comentat abans, la geosmina només es produeix en la fase d’esporulació de Streptomyces (Becher et al. 2020). Per tant, la funció final de la geosmina és la dispersió del bacteri mitjançant els artròpodes del sòl.

Figura 7. El col·lèmbol Folsomia candida és atret per la geosmina (imatge treta de Ryszard, Flickr). 

…..

GEOSMINA i els CAMELLS, i els CANGURS, i altres

Ara bé, aquests artròpodes no són els únics animals atrets per la geosmina. Com he dit al principi, els humans mateixos tenim una alta sensibilitat olfactiva per detectar aquest compost en concentracions molt baixes. És probable que la sensibilitat per aquest compost ja la tenien els primers animals perquè els actinobacteris productors de geosmina són evolutivament previs (Chater 2015). En molts casos, es creu que l’atracció està relacionada amb la possibilitat de trobar aigua per beure. 

Els camells són el cas més impressionant, ja que alguns del desert de Gobi són capaços de trobar aigua a més de 80 quilòmetres de distància (Simons 2003). Els camells són mamífers ungulats remugants, pràcticament tots domèstics, molt resistents i molt adaptats als deserts. Són bàsicament 2 espècies: el dromedari o camell comú d’una gepa (Camelus dromedarius) del nord d’Àfrica i península aràbiga, i el camell bactrià (Camelus bactrianus) de 2 gepes del Gobi a Mongòlia i Xina. Poden aguantar sense aigua viatjant pel desert, i quasi sense menjar, durant 3 dies a l’estiu i més de 7 dies a l’hivern. Amb aquestes condicions poden arribar a perdre un 30% del pes corporal sense deshidratar-se, degut a què emmagatzemen aigua intracel·lular com extracel·lular a diferents parts del cos com la sang i el tracte digestiu i quasi tots els òrgans del cos. No és el cas dels característics geps, que són reserves de teixit adipós (Kakar et al. 2011). 

Figura 8. El camell bactrià Camelus bactrianus del desert de Gobi a Mongòlia (imatge de Afhunta 123RF).

Doncs bé, sembla que el fet que els camells puguin trobar aigua des de llocs tan llunyans és gràcies a les molècules de geosmina que el seu bon olfacte detecta. Als terrenys humits (oasis o similars) haurien crescut Streptomyces i altres microorganismes que en esporular excretarien la geosmina que seria transportada per l’aire. En arribar els camells al lloc amb aigua i beure’n, podrien captar les espores del bacteri, i ajudar a la seva propagació portant-les allà on vagin (Simons 2003). Per tant, la geosmina en aquest cas podria ser un mecanisme de disseminació dels bacteris, de forma semblant a com hem vist amb als col·lèmbols.

Hi ha molts altres casos d’animals que detecten la geosmina com a senyal d’aigua o de pluja, i en molts casos això és d’importància vital. En un estudi fet a Austràlia amb cangurs es va veure que just unes 2 setmanes després d’unes bones pluges el 65% de les femelles observades estaven en zel. Com que els fol·licles ovàrics triguen uns 10 dies en madurar, es va concloure que l’estímul de la maduració va ser l’inici de la pluja. Aquesta afavoriria posteriorment un creixement de la vegetació i per tant de menjar disponible per als cangurs. Per tant, d’alguna manera la geosmina amb la pluja seria el senyal de previsió d’una època adient per tenir descendents (Tyndal-Biscoe 2005).

L’atracció de la geosmina no sempre és positiva: la coneguda mosca del vinagre Drosophila melanogaster també té una alta sensibilitat de detecció de la geosmina però en aquest cas la resposta és negativa, quan la detecta se’n allunya ràpidament. És un mecanisme de quimiorepulsió, amb sensors específics de geosmina a nivell neurocerebral, que fa que la mosca eviti qualsevol font de menjar que tingui aquesta olor. Això és per tal d’evitar aliments contaminats amb microorganismes tòxics, ja siguin actinobacteris o cianobacteris o altres. El principal aliment de Drosophila són els llevats que creixen fermentant fruits, i a la mosca li cal distingir molt bé els llevats sans dels que estan recoberts amb altres microbis (Stensmyr et al. 2012).

La importància de la geosmina en les interaccions bioecològiques arriba fins al punt que no només és produïda per microorganismes sinó que també la sintetitzen algunes plantes. Efectivament, s’han trobat alguns cactus i una planta de l’Amazones que les seves flors alliberen geosmina, que atrau els insectes com a senyal d’aigua, els quals accidentalment pol·linitzen la flor (Simons 2003).

Bé, i per acabar tornem als humans. Malgrat que pot ser una mala senyal trobar la geosmina als vins o a alguns aliments deteriorats, està clar que ens agrada l’olor dels camps recent mullats, perquè no deixa de ser l’olor de trobar aigua i per tant de la supervivència (Howes 2013). Per això els perfumistes l’han inclòs com a component d’algunes de les seves pocions irresistibles, bé en solucions de geosmina del 1%, o destil·lant terra assecada al sol junt amb fusta de sàndal, en un perfum que diuen que recorda “l’olor de les primeres pluges del monsó en un terra ressec” (Chater 2015).

……….

BIBLIOGRAFIA

Avalos M, Garbeva P, Vader L, van Werzel GP, Dickschat JS, Ulanova D (2022) Biosynthesis, evolution and ecology of microbial terpenids. Natural Product Reports, 39, 249-272. 

Bear I, Thomas R (1965) Petrichor and Plant Growth. Nature 207, 1415–1416. 

Becher PG, Verschut V, Bibb, MJ, Bush MJ, Molnár BP, Barane E et al. (2020) Developmentally regulated volatiles geosmin and 2-methylisoborneol attract a soil arthropod to Streptomyces bacteria promoting spore dispersal. Nature Microbiology 5, 821–829.

Cane DE, Ikeda H (2012) Exploration and mining of the bacterial terpenome. Acc Chem Res 45, 3, 463-472. 

Cane DE, Watt RM (2003) Expression and mechanistic analysis of a germacradienol synthase from Streptomyces coelicolor implicated in geosmin biosynthesis. PNAS 100, 4, 1547-1551.

Chater KF (2015) The smell of the soil. Microbiology Today, May 15, 66-69. 

Churro C, Semedo-Aguiar AP, Silva AD, Pereira-Leal JB, Leite RB (2020) A novel cyanobacterial geosmin producer, revising GeoA distribution and dispersion patterns in Bacteria. Sci Rep 10, 8679.

Coca-Ruíz V, Suárez I, Aleu J, Collado IG (2022) Structures, Occurrences and Biosynthesis of 11,12,13-Tri-nor-Sesquiterpenes, an Intriguing Class of Bioactive Metabolites. Plants 11, 769. 

Cotton S (2009) Geosmine, the smell of the countryside. The molecules of the month. Bristol University School, UK.

Gerber NN, Lechevalier HA (1965) Geosmin, an earthy-smelling substance isolated from actinomycetes. Appl. Microbiol 13, 935–938.

Gust B, Challis GL, Fowler K, Kieser T, Chater KF (2003) PCR-targeted Streptomyces gene replacement identifies protein domain needed for biosynthesis of the sesquiterpene soil odor geosmin. PNAS 100, 4, 1541-1546.

Howes L (2013) Magnificent molecules: Geosmin. The Mole, 4, July 2013. 

Jiang J, He X, Cane DE (2007). Biosynthesis of the earthy odorant geosmin by a bifunctional Streptomyces coelicolor enzyme. Nature Chemical Biology, 3(11), 711. 

John Innes Centre (2003) Scientists discover the gene that causes the smell of the eartch and leads camels to water. Biology Online, feb 2003.

Juttner F, Watson S (2007) Biochemical and Ecological Control of Geosmin and 2-Methylisoborneol in Source Waters. Applied and Environmental Microbiology 73, 4395–4406. 

Kakar AR, de Verdier K, Muhammad Y, Khan S, Iqbal A, Khan MS (2011) A unique and fascinating creature ! the camel. Article base.com, feb. 2011.

Li Q, Chen X, Jiang Y, Jiang C (2016) Morphological identification of actinobacteria. Actinobacteria – Basics and Biotechnological Applications, ed. D. Dhanasekaran & Y. Jiang. IntechOpen.

Palermo E (2013) Why does rain smell good ? Live Science, June 21.

Piqueras M (2016) Geosmina i la terra mullada. Blog “La lectora corrent”, 10 agost 2016. 

Portillo G (2020) Geosmina. Meteorologia en xarxa. 28 des 2020. 

Rong X, Guo Y, Huang Y (2009).Proposal to reclassify the Streptomyces albidoflavus clade on the basis of multilocus sequence analysis and DNA–DNA hybridization, and taxonomic elucidation of Streptomyces griseus subsp. solvifaciens. Systematic and Applied Microbiology 32, 5, 314-322.

Sen DJ (2016) Moist earth smelling geosmin as a terpene bicyclic alcohol. World J Pharmaceut Res 5, 8, 1-8.

Simons P (2003) Camels act on a hump. The Guardian 6 Mar 2003. 

Stensmyr MC, Dweck HKM, Farhan A, Ibba I, Strutz A, Mukunda L et al. (2012) A conserved dedicated olfactory circuit for detecting harmful microbes in Drosophila. Cell, 151, 6, 1345-1357.

Tyndale-Biscoe H (2005) Life of Marsupials. Csiro Publishing, Collingwood, Australia

Wolbachia, el bacteri “feminista”, és eficaç contra el dengue i altres virus

15 agost 2021

Click here for the English version: Wolbachia, the feminist bacterium against dengue

QUI ÉS Wolbachia ?

Wolbachia és un gènere de bacteris endosimbionts (intracel·lulars) d’insectes i altres invertebrats que es va descobrir per estar implicat en el fenomen d’incompatibilitat citoplasmàtica, pel qual alguns encreuaments entre insectes infectats amb el bacteri donen distorsions de la ràtio de sexes o provoquen la mort de l’embrió. Encara que no es podien aïllar en medis de cultiu, l’amplificació amb PCR permeté seqüenciar els gens 16S rRNA i identificar-los com membres de l’ordre Rickettsiales dins el fílum alfa-proteobacteris (O’Neill et al. 1992). Tal com comentava en un altre post d’aquest mateix blog sobre els fílums bacterians, tots els bacteris d’aquest ordre, com també Rickettsia –patogen d’humans –, són endosimbionts obligats de cèl·lules eucariotes, i la relació filogenètica suggereix que els mitocondris –també endosimbionts– es van desenvolupar a partir d’aquest grup.

Com veiem (Figura 1, Figura 2), aquests Wolbachia són pleomòrfics, amb forma arrodonida predominant, de mida 0.2 a 4 micròmetres, residents en vacuoles de l’hoste. Són gram-negatius, amb un genoma aproximat de 1 Mb i uns 1000 gens (Taylor et al. 2018). El gènere Wolbachia fou identificat el 1925 per M. Hertig i S.B. Wolbach al mosquit comú Culex pipiens i ja el van descriure com a intracel·lular i que aparentment infectava només les gònades de l’insecte (Hertig & Wolbach 1924).

Figura 1. Micrografia electrònica de bacteris Wolbachia (colorejats en blau) dins una cèl·lula de mosquit (imatge de Scott O’Neill, tret de Wu et al. 2004a)

——————————————————————————————————-

Figura 2. Micrografies electròniques de Wolbachia: A) Al costat d’un mitocondri dins una cèl·lula embrionària de Drosophila (tret de Zhukova et al. 2008); B) Detall d’una cèl·lula de Wolbachia (tret de Wolbadmin 2021). 

Es troben Wolbachia en el 60% de les espècies d’insectes, i també en altres invertebrats, com aràcnids, nematodes, crustacis isòpodes i altres. De fet, és el bacteri paràsit més comú al món animal (LePage & Bordenstein 2013). L’espècie més comuna és W. pipientis, del qual actualment ja es disposa de la seqüència genòmica completa (Wu et al. 2004b). Sempre són endosimbionts, no es troben mai al medi ambient. Les interaccions amb l’hoste sovint són complexes i en algun cas són més mutualistes que paràsits (Taylor et al. 2018). Wolbachia es transmet a la descendència dels insectes sobretot verticalment per les femelles infectades. Algun cop pot ser transmesa horitzontalment, com s’ha vist en les vespes Trichogramma on es poden transmetre per contagi (Schilthuizen & Stouthamer 1997).

Des d’abans dels anys 1980s s’han descrit aquests bacteris com a “factors sexuals feminitzants” citoplasmàtics (Bull 1983) a diversos invertebrats, com insectes i crustacis isòpodes. D’aquests destaquen els treballs amb Armadillidium vulgare, els porquets de Sant Antoni o cochinillas, on Martin et al (1973) ja deien que aquests factors eren microorganismes, i després Rigaud & Juchault (1992) ja insinuaven que devien ser Wolbachia. Els bacteris feien que mascles es convertissin en femelles funcionals, que tenien descendència majoritàriament femenina. Els Wolbachia intracel·lulars alteren la biologia reproductiva de l’hoste animal de diverses maneres, com veurem tot seguit. Per tot això i com veieu al títol, sovint es fa l’acudit que Wolbachia és un bacteri “feminista” (Yong et al. 2016).

Els gens de Wolbachia també poden transmetre´s horitzontalment (TGH), per transducció, gràcies a un bacteriòfag. El fet que pugui haver-hi diverses soques de Wolbachia al mateix hoste permet l’intercanvi de gens entre elles mitjançant el fag (Kent et al. 2011). Aquest seria el primer cas de TGH detectat en un endosimbiont, fins i tot creuant barreres entre espècies, donant lloc a una distribució global en diversos hostes invertebrats. Tot plegat són fenòmens que contribueixen a l’evolució i per tant s’insinua que els Wolbachia són manipuladors de la biologia dels invertebrats (Werren et al 2008).

MÉTODES DE DIFERENCIACIÓ SEXUAL ALS HOSTES CAUSADA PER Wolbachia, INCLOENT LA FEMINITZACIÓ

Aquests bacteris poden infectar molt diversos òrgans, però les infeccions de les gònades són les que tenen més repercussió fenotípica. Als hostes que contenen Wolbachia, els bacteris són presents sempre als òvuls madurs però no a l’esperma. Per tant, només les femelles infectades són les que passen la infecció a la descendència. Wolbachia maximitza la seva propagació alterant significativament la capacitat reproductiva de l’hoste, de 4 maneres possibles:

1- Els mascles infectats moren durant el desenvolupament larvari, amb la qual cosa augmenta la proporció de femelles infectades. S’ha observat en coleòpters i lepidòpters (Hurst et al 1999).

2- Alguns mascles infectats es desenvolupen com femelles, hi ha feminització, com en alguns lepidòpters (Fujii et al 2001).

3- La partenogènesi, o sigui la reproducció de les femelles, infectades en aquest cas, sense mascles. També és una feminització o predomini de les femelles. Cada cop s’estan veien més casos de partenogènesi relacionats amb la presència de Wolbachia, amb la qual cosa fins i tot s’ha suggerit que aquest fenomen sempre seria atribuïble als bacteris (Tortora et al. 2007). 

La partenogènesi dels himenòpters és de les més conegudes. Aquest ordre d’insectes (formigues, abelles, vespes, borinots i els símfits) tenen un sistema de determinació de sexe haplodiploïde. Alguns d’ells produeixen mascles haploides a partir d’ous no fertilitzats (arrenotòquia), una partenogènesi meiòtica. Però, a més en alguns himenòpters socials les reines o els individus obrers produeixen femelles diploides mitjançant telitòquia, una partenogènesi ameiòtica, on l’òvul haploide se segmenta sense fecundar. Òbviament, el control del sexe de la descendència és un factor clau en l’evolució de les estructurals colonials en aquests insectes socials (Pearcy 2004). La partenogènesi no és exclusiva d’himenòpters, ja que en tenen força altres insectes i altres animals (Wrensch & Ebbert 1993).

La partenogènesi causada per Wolbachia a la vespa Trichogramma ha estat força estudiada. El bacteri és al citoplasma dels òvuls de la vespa on indueix la duplicació dels gàmetes, donant lloc a una generació de tot femelles, o sigui és una completa partenogènesi, de tipus telitòquia (Schilthuizen & Stouthamer 1997, Huigens & Stouthamer 2003). 

A més de Wolbachia, aquesta inducció de la partenogènesi també s’ha observat en Cardinium (Jeong & Stouthamer 2004), un altre bacteri gramnegatiu – un bacteroidetes en aquest cas– que parasita altres vespes, del gènere Encarsa (Zchori-Fein et al. 2004). 

4- La incompatibilitat citoplasmàtica (IC CI en anglès)

És la incapacitat dels mascles infectats per Wolbachia de reproduir-se amb femelles no infectades o infectades amb una altra soca del bacteri. A l’esquerra de la Figura 3 veiem que l’esperma no infectat pot fecundar tant òvuls infectats com els no infectats amb Wolbachia, i a la dreta veiem com l’esperma modificat per la infecció amb Wolbachia quan fecunda els òvuls que no contenen el bacteri, s’indueix la IC, i l’embrió mor i no arriba a terme. 

Aquesta IC s’ha relacionat amb deficiències a la primera divisió mitòtica de l’embrió, amb errors a l’obertura de la membrana nuclear paterna, inestabilitat de les histones maternes sobre el DNA patern i replicació alentida d’aquest DNA, a més de defectes als cromosomes paterns (LePage & Bordenstein 2013).

Figura 3. Incompatibilitat citoplasmàtica induïda per Wolbachia. La infecció per Wolbachia (W, porpra) causa una modificació a l’esperma que pot ser revertida pels òvuls de femelles infectades, però que porten a la mort de l’embrió si els òvuls no estan infectats. W–, sense Wolbachia; W+, amb Wolbachia; W modified, esperma modificat amb Wolbachia; CI, Incompatibilitat citoplasmàtica (Imatge de R.M. Brucker, treta de LePage & Bordenstein 2013).

Aquesta incompatibilitat unidireccional implica un clar augment a la descendència de femelles infectades amb Wolbachia, amb la qual cosa és un mecanisme de selecció positiva del bacteri. Tanmateix, aquest mecanisme de CI no influeix sobre el sexe de l’embrió.

Molts d’aquests efectes de diferenciació sexual, i sobretot la feminització i mort dels mascles poden portar a la formació de noves espècies. Per exemple, s’ha observat la pèrdua d’algun dels cromosomes sexuals, i també que les incompatibilitats degudes a la infecció amb diferents soques de Wolbachia poden afavorir la especiació dels hostes sense haver-hi barreres ecològiques o geogràfiques (Charlat 2003).

AVANTATGES DE LA “INFECCIÓ” AMB Wolbachia PER A L’HOSTE

A banda dels possibles efectes evolutius suara comentats, s’ha comprovat que alguns hostes es beneficien de la presència endosimbiòtica de Wolbachia. Per tant, encara que parlem de “infecció” i “paràsits”, la relació és sobretot mutualística. 

Uns dels avantatges és la resistència viral trobada a Drosophila i a diversos mosquits, que quan són infectats amb Wolbachia són molt més resistents a virus RNA (Hedges et al. 2008), com veurem tot seguit. També s’ha observat que els bacteris ajuden a Drosophila en el metabolisme de ferro i algunes vitamines. En el cas dels nematodes com les filàries, sembla que Wolbachia li proporciona al cuc alguns compostos necessaris per a la seva reproducció (Foster et al. 2005).

Wolbachia PER COMBATRE VIRUS HUMANS

Hi ha força virus patògens d’humans que són transmesos per mosquits. Informalment els virus transmesos per artròpodes s’anomenen arbovirus (de arthropode-borne virus). Dels mosquits, Aedes aegypti és el que té més rellevància per ser el vector transmissor d’una sèrie de malalties víriques tropicals problemàtiques actualment, com el dengue, la febre groga, el zika, el chikungunya, el virus del Nil occidental o la mateixa malària. Moltes d’aquestes malalties d’arbovirus estan molt poc controlades i els virus causants són patògens emergents o reemergents que produeixen malalties importants i epidèmies per tot el món (Conway et al. 2014). Les causes són sobretot l’augment de població i de mobilitat, la urbanització i la pèrdua d’àrees forestals. Per exemple, el nombre de casos simptomàtics de dengue s’ha doblat els darrers 10 anys, la meitat dels humans viuen en àrees endèmiques de dengue i s’estima que cada any hi ha un total de 390 milions de noves infeccions i uns 13000 morts més. Aquest escenari quasi pandèmic ha portat a la OMS designar el dengue com una de les 10 principals amenaces de la salut mundial (Gil Ferreira et al. 2020).

Actualment, la majoria d’estratègies de control dels arbovirus es basen en insecticides i en reduir els ambients on prosperen els mosquits vectors, o bé en tractaments simptomàtics no específics de les malalties ja que en la majoria d’aquests casos encara no hi ha vacunes assequibles. Tanmateix, els insecticides no són específics, causen toxicitat ambiental i indueixen la resistència a aquests compostos. Calen estratègies més efectives i sostenibles urgentment (Gil Ferreira et al. 2020), i aquí és on entra Wolbachia.

Com hem vist, característiques de Wolbachia com la incompatibilitat citoplasmàtica la fan útil per promoure derives genètiques a una població d’insectes. El fet que les femelles infectades amb Wolbachia produeixen descendència tant de mascles infectats com dels no-infectats mentre que les femelles no infectades només puguin tenir descendents amb mascles no infectats dona lloc a un avantatge reproductiu per a les infectades que fa augmentar ràpidament la presència de Wolbachia (Hancock et al. 2011).

Molts mosquits, incloses algunes de les principals espècies transmissores de malalties, porten Wolbachia. Per exemple, l’esmentat mosquit comú Culex pipiens i altres, porten soques d’aquest bacteri. Però en canvi, Aedes aegypti i altres espècies considerades importants en la transmissió de patògens humans gairebé no tenen Wolbachia de forma natural (Moreira et al. 2009).

Per això, s’hi va treballar i es va aconseguir amb èxit, la transfecció de Wolbachia als mosquits Aedes mitjançant tècnica de microinjecció al laboratori, tant en el mosquit tigre Ae. albopictus (Xi et al. 2005), com per a Ae. aegypti (McMeniman et al. 2009). 

L’avenç important va esdevenir tot seguit quan es va descobrir que aquests Wolbachia transferits promovien una interferència amb els virus patògens humans transmesos pels mosquits. En efecte, es va demostrar el bloqueig de replicació dels virus del dengue, Zika, febre groga i virus Mayayo (Moreira et al. 2009). Els mecanismes d’aquest bloqueig sembla que són diversos, com una major producció d’espècies reactives d’oxigen (ROS) i la competència pels recursos cel·lulars –com el colesterol– entre Wolbachia i els virus. A més a més, s’ha observat que el bacteri estimula el sistema immune del mosquit impedint les infeccions víriques, amb la qual cosa el nombre de mosquits transmissors als humans és menor (Moreira et al. 2009, Gil Ferreira et al. 2020).

S’han aplicat diverses estratègies d’introducció dels Aedes infectats amb Wolbachia en poblacions on hi ha els virus, i la que està funcionant millor és alliberar un nombre relativament reduït de mosquits portadors de Wolbachia, tant mascles com femelles, a la natura. El nombre d’aquests mosquits va creixent i van passant els bacteris a la població silvestre de mosquits mitjançant el mecanisme d’incompatibilitat citoplasmàtica, i arriben a ser majoria en pocs mesos (Figura 4).

Figura 4. Esquema de com els mosquits infectats amb Wolbachia alliberats en una població natural poden reemplaçar als mosquits silvestres no infectats (Moronta 2016).

Aquesta estratègia té els avantatges d’utilitzar mètodes naturals, no és gaire costosa, és fàcil de portar a terme, i és sostenible, ja que un cop els mosquits infectats són majoria es mantenen sense intervenció humana. Aquesta estratègia està en línia amb l’Agenda 2030 de Desenvolupament Sostenible de l’ONU (Gil Ferreira et al. 2020).

En l’aplicació d’aquesta estratègia amb Wolbachia i els mosquits cal destacar el World Mosquito Program (2021), que s’inicià el 2004 gràcies a la Fundació Bill & Melinda Gates i a la Fundació del NIH dels USA. El 2011 es van començar les primeres proves de camp a Cairns, al Nord d’Austràlia. S’hi van anar introduint tandes d’ous de mosquits amb la col·laboració dels membres de la comunitat, durant 10 setmanes, aconseguint taxes exitoses de mosquits-Wolbachia de més del 90% (World mosquito Program / Our story). Això va anar aparellat amb una quasi pràctica desaparició de la malaltia del dengue (Figura 5, 1a columna esquerra) i la proporció de mosquits-Wolbachia s’ha mantingut estable durant 8 anys (Gil Ferreira et al. 2020). Posteriorment el WMP s’ha anat estenent a Malàisia (Wolbadmin 2021), Indonèsia (Olazo 2021), Vietnam i altres països amb presència de dengue i s’ha comprovat que l’estratègia funciona molt bé (Figura 5).

Figura 5. Reducció del dengue en 1-2 anys en poblacions d’Austràlia (Cairns, Townsville), Indonèsia (Yogyakarta), Vietnam (Vinh-Luong), Brasil (Rio, Niteroi) i Colòmbia (Bello, Medellín) on s’han alliberat mosquits infectats amb Wolbachia, dins el World Mosquito Program (tret de WMP Impact: dades de desembre 2020)

Aquest està essent un dels exemples més exitosos de com un vector, el mosquit, pot ser utilitzat com un aliat per combatre els arbovirus (Gil Ferreira et al. 2020).

D’altra banda, en el cas dels nematodes que contenen Wolbachia com les filàries, que provoquen les filariosis, malalties tropicals humanes i d’altres animals domèstics, la solució està essent el tractament amb antibiòtics com doxiciclina o altres que inhibeixen el bacteri, amb la qual cosa excepcionalment s’empra un antibiòtic per combatre un paràsit invertebrat (Fundación iO 2021, Taylor et al. 2018).

BIBLIOGRAFIA 

Bull JJ (1983) Evolution of Sex Determining Mechanisms. Benjamin/CummingS Publ. Co., Menlo Park, CA, USA.

Charlat S (2003) Evolutionary consequences of Wolbachia infections. Trends in Genetics 19(4):217–23

Conway MJ, Colpitts TM, Fikrig E (2014) Role of the Vector in Arbovirus Transmission. Annual Review of Virology 1:1,71-88

Foster J, Ganatra M, Kamal I, et al. (2005) The Wolbachia Genome of Brugia malayi: Endosymbiont Evolution within a Human Pathogenic Nematode. PLOS Biology 3(4): e121.

Fundación iO (2021, August 12) Enfermedades: WolbachiaFundación iO. Retrieved from https://fundacionio.com/salud-io/enfermedades/wolbachia/

Fujii Y, Kageyama D, Hoshizaki S, Ishikawa H, Sasaki T (2001) Transfection of Wolbachia in Lepidoptera: the feminizer of the adzuki bean borer Ostrinia scapulalis causes male killing in the Mediterranean flour moth Ephestia kuehniella. Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences 268(1469): 855–859.

Gil Ferreira A, Fairlie S, Luciano Moreira LA (2020) Insect vectors endosymbionts as solutions against diseases. Curr Opinion in Insect Sci 40, 56-61. 

Hancock PA, Sinkins SP, Godfray HC (2011) Strategies for introducing Wolbachia to reduce transmission of mosquito-borne diseases. PLOS Negl. Trop. Dis. 5(4): e1024.

Hedges L, Brownlie J, O’Neill S, Johnson, K (2008) Wolbachia and Virus Protection in Insects. Science 322(5902):702

Hertig M, Wolbach SB (1924) Studies on Rickettsia-Like Micro-Organisms in Insects. Journal of Medical Research44(3):329-374.

Huigens ME, Stouthamer R (2003). Parthenogenesis associated with Wolbachia. In: Bourtzis K, Miller TA (eds) Insect Symbiosis. CRC Press: Boca Raton, FL, pp 247–266.

Hurst G, Jiggins FM, Graf von der Schulenburg JH, Bertrand D et al. (1999) Male killing Wolbachia in two species of insects. Proceedings of the Royal Society B 266 (1420): 735-740.

Jeong G, Stouthamer R (2004) Genetics of female functional virginity in the Parthenogenesis-Wolbachia infected parasitoid wasp Telenomus nawai (Hymenoptera: Scelionidae). Heredity 94 (4): 402–407. 

Kent BN, Salichos L, Gibbons JG, et al. (2011) Complete Bacteriophage Transfer in a Bacterial Endosymbiont (Wolbachia) Determined by Targeted Genome Capture. Genome Biology and Evolution 3:209–218

LePage D, Bordenstein SR (2013) Wolbachia: can we save lives with a great pandemic ? Trends in Parasitology 29, 385-393. 

Martin G, Juchault P, Legrand JJ (1973) Mise en evidence d’un micro-organisme intracytoplasmique symbiote de l’oniscoïde Armadillidium vulgare Latr. dont la presence accompagne l’intersexualite ou la feminisation totale des males genetiques de la lignee thelygene. C.R. Acad. Sci. Paris, 276,2312—2316.

McMeniman CJ, Lane RV, Cass BN et al. (2009) Stable introduction of a life-shortening Wolbachia infection into the mosquito Aedes aegyptiScience 323:141-144

Moreira LA, Iturbe-Ormaetxe I, Jeffery Ja, Lu G, Pyke AT, Hedges LM, Rocha BC, Hall-Mendelin S, Day A, Riegler M et al. (2009) A Wolbachia symbiont in Aedes aegypti limits infection with dengue, chikungunya, and plasmodium. Cell139:1268- 1278. 

Moronta F (2021 August 12) La bacteria Wolbachia puede frenar la expansión del Zika. Félix-Moronta-Blog, 06/05/2016. Retrieved from http://felixmoronta.pro/wolbachia-zika/

Olazo A (2021, June 15)Wolbachia, la bacteria que infecta mosquitos y reduce la transmisión del dengue en un 77%. Robotitus. Retrieved from https://www.robotitus.com/wolbachia-la-bacteria-que-infecta-mosquitos-y-reduce-la-transmision-del-dengue-en-un-77

O’Neill SL, Giordano R, Colbert AME, Karr TL, Robertson HM (1992) 16S rRNA phylogenetic analysis of the bacterial endosymbionts associated with cytoplasmic incompatibility. Proc Natl Acad Sci USA 89, 2699-2702. 

Pearcy, M. (2004). Conditional Use of Sex and Parthenogenesis for Worker and Queen Production in Ants. Science 306(5702): 1780–1783.

Rigaud T, Juchault P (1992) Genetic control of the vertical transmission of a cytoplasmic sex factor in Armadillidium vulgare Latr. (Crustacea, Oniscidea). Heredity 68, 47-52

Schilthuizen MO, Stouthamer R (1997) Horizontal transmission of parthenogenesis-inducing microbes in Trichogramma wasps. Proc. R. Soc. Lond. B Biol. Sci., 264, 361-366. 

Taylor MJ, Bordenstein SR, Slatko B (2018) Microbe Profile: Wolbachia: a sex selector, a viral protector and a target to treat filarial nematodes. Microbiology 164(11):1345–1347

Tortora GJ, Funke BR, Case CL (2007) Microbiology: an introduction. Pearson Benjamin Cummings.

Werren JH, Baldo L, Clark ME (2008) Wolbachia: master manipulators of invertebrate biology. Nature Reviews Microbiology 6, 741-751. 

Wikipedia (2021 August 12). WolbachiaWikimedia Foundation. Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/Wolbachia

Wolbadmin (2021 August 12). What is WolbachiaWolbachia Malaysia. Retrieved from https://www.imr.gov.my/wolbachia/2021/05/25/what-is-wolbachia/

World Mosquito Programm (2021 August 12). The World Mosquito Program’s Wolbachia Method. World Mosquito Program. Retrieved from https://www.worldmosquitoprogram.org

Wrensch DL, Ebbert MA (1993) Evolution and Diversity of Sex Ratio in Insects and Mites. Chapman & Hall: New York and London.

Wu M et al. (2004a) Genome Sequence of the Intracellular Bacterium WolbachiaPLoS Biology 2(3): e76.

Wu M, Sun LV, Vamathevan J, Riegler M, Deboy R et al. (2004b) Phylogenomics of the Reproductive Parasite Wolbachia pipientis wMel: A Streamlined Genome Overrun by Mobile Genetic Elements. PLoS Biology 2(3): e69.

Xi Z, Dean JL, Khoo C, Dobson SL (2005) Generation of a novel Wolbachia infection in Aedes albopictus (Asian tiger mosquito) via embryonic microinjection. Insect Biochem Mol Biol 35:903-910

Yong E (2016) I Contain Multitudes: The microbes within us a grander view of life. Ed. Penguin Random House, New York USA

Zchori-Fein E, Perlman SJ, Kelly SE, Katzir N, Hunter MS (2004). Characterization of a ‘Bacteroidetes’ symbiont inEncarsia wasps (Hymenoptera: Aphelinidae): proposal of ‘Candidatus Cardinium hertigii’. Int J Syst Evol Microbiol 54: 961–968.

Zhukova M, Voronin D, Kiseleva EV (2008) High temperature initiates changes in Wolbachia ultrastructure in ovaries and early embryos of Drosophila melanogasterCell and Tissue Biology 2:546-556.

Origen dels virus i com ells van “inventar” l’ADN

19 octubre 2020

Click here for the English version: Origin of viruses and how they “invented” DNA

Aquestes setmanes o mesos que malvivim tots pendents d’un virus, el SAR-CoV-2 òbviament, m’ha semblat oportú fer una mica de cerca bibliogràfica repassant aquest tema intrigant de l’origen d’aquests organismes tan singulars i tan diferents dels altres sers vius.

Recordem QUÈ SÓN els virus

Els virus són organismes no cel·lulars, o sigui, no són cèl·lules: ni procariotes com els bacteris i arqueus, ni eucariotes com protistes, fongs, plantes i animals. Per tant, els virus no tenen una estructura interna complexa amb molt diversos components com tenen les cèl·lules, i sobretot no tenen tota l’activitat metabòlica que comporta el manteniment i reproducció dels organismes cel·lulars. 

Del punt de vista funcional, els virus són agents infecciosos submicroscòpics, que només es poden reproduir dins de cèl·lules, d’altres organismes hostes és clar. Per tant, són paràsits intracel·lulars, i n’hi ha de tots els organismes cel·lulars possibles, des dels arqueus i bacteris a tots els tipus d’eucariotes. Els virus es troben en qualsevol ecosistema i són les entitats biològiques més abundants a la Terra (Edwards & Rohwer 2005).

Els organismes cel·lulars tenen les característiques pròpies de la definició de sers vius, com tenir un cicle biològic, metabolisme, créixer, adaptar-se al medi, respondre als estímuls, reproduir-se i evolucionar. El concepte de ser viu també ha estat definit com a qualsevol sistema autònom amb capacitats evolutives (Peretó 2005). En principi, els virus no tenen bastants d’aquests trets, motiu pel qual a vegades es qüestiona si es poden anomenar “sers vius”. Tanmateix, sí que poden reproduir-se, a expenses d’altres, i evolucionar, i en estar íntimament relacionats en el seu cicle biològic als organismes cel·lulars, no veig com podrien ser considerats com “sers no vius”. Seria com dir que són organismes no biològics, que evidentment no és cert.

En la seva fase extracel·lular són partícules inerts, els virions, quasi tots de mides entre 20 i 300 nm, més petits que la majoria de bacteris. L’estructura dels virions es limita a una capa protectora de proteïna, la càpsida, i el material genètic dins, o RNA o DNA. La càpsida pot ser helicoïdal, polièdrica o esfèrica, i dóna la morfologia que s’observa al microscopi electrònic. Addicionalment, els virions d’alguns virus (d’animals sobretot) tenen una estructura externa, un embolcall, tipus membrana, amb proteïnes i fosfolípids. Altres virus tenen estructures més complexes, com alguns bacteriòfags (Figura 1).

L’adherència i/o entrada dels virions a la cèl·lula hoste té lloc per diversos mètodes, per tal que el seu material genètic entri dins. Allà la informació d’aquest material genètic s’expressarà, gràcies a la maquinària biosintética de la cèl·lula i farà més còpies del virus, les quals un cop fora la cèl·lula, seran més virions que podran infectar altres cèl·lules.

Figura 1. Alguns dels diferents tipus morfològics de virus (esquerra a dreta): helicoïdals (ex. virus del mosaic del tabac), polièdrics (ex. adenovirus), esfèrics (ex. grip), i complexes com els bacteriòfags.

La classificació dels virus es basa sobretot en el tipus de material genètic dels virus, o sigui el genoma, si és DNA o RNA, si aquest és de cadena senzilla o doble, i de l’estratègia de replicació d’aquest genoma i de biosíntesi del mRNA (Figura 2). Alguns exemples d’aquestes 6 classes de virus són (Madigan et al, 2019):

  • Classe I            bacteriòfags lambda i T4, herpes animal
  • Classe II           bacteriòfag fX174
  • Classe III          rotavirus gastrointestinal
  • Classe IV         poliovirus, coronavirus
  • Classe V          grip, ràbia
  • Classe VI         retrovirus com el HIV

A vegades s’afegeix una classe VII (a la classificació de Baltimore, el descobridor dels retrovirus), que són virus de DNA parcialment de doble cadena i que fan un RNA intermediari per replicar-se. Ex: el de l’hepatitis B.

Figura 2. Els sis tipus de virus segons el seu genoma (DNA o RNA, cadena doble o única) i el sistema de replicació i de generació del mRNA. Per convenció el mRNA és d’orientació (+) (tret de Madigan et al., 2019).

Possibles TEORIES DE L’ORIGEN dels virus

El seu origen sempre ha estat una mica enigmàtic, donades les característiques d’aquests organismes no cel·lulars. Encara que els virus són molt diversos i per tant es pot pensar en diferents punts d’origen independents, la similitud de les seves estructures i una càpsida de proteïna que embolcalla un àcid nucleic suggereixen com a mínim un mecanisme comú per explicar el seu origen.

Les 3 hipòtesis més referenciades per explicar com es van originar els virus són: 

a) Serien formes derivades d’organismes unicel·lulars paràsits d’altres, que evolutivament s’haurien reduït al mínim.

b) Serien fragments de material genètic que haurien escapat al control cel·lular esdevenint paràsits.

c) Serien relíquies de formes precel·lulars, o sigui dels protobionts.

De fet, la hipòtesi a) té com a argument a favor de l’existència de paràsits intracel·lulars com els Mycoplasma (bacteris Tenericutes) o els Microsporidia (fongs eucariòtics), però aquests microorganismes mantenen algunes característiques cel·lulars, com la síntesi de proteïnes, i mai arriben a l’extrem dels virus. A més, no es coneix cap estadi intermedi entre cèl·lules i virus.

La hipòtesi b) té a favor l’existència dels plasmidis i els transposons, que poden ser considerats com a precursors virals i el fet que sovint els virus poden integrar gens cel·lulars. Però és difícil d’explicar com aquests àcids nucleics alliberats haurien incorporat un embolcall proteic. A més, aleshores caldria esperar afinitats evolutives entre els virus i els hostes del mateix domini. Per exemple, bacteriòfags (fags) i bacteris, amb la qual cosa els fags haurien de tenir algunes semblances evolutives amb els bacteris, i en canvi hi ha proteïnes dels fags (com del T4) més semblants a proteïnes eucariotes que als seus homòlegs bacterians (Gadelle et al, 2003). És més, la majoria de proteïnes virals no tenen homòlegs cel·lulars a cap dels 3 dominis (Forterre 2006).

La hipòtesi c) té en contra el fet que tots els virus actuals són paràsits obligats, i requereixen un estadi de desenvolupament intracel·lular per al seu desenvolupament. Tanmateix, com veurem a continuació, és la hipòtesi que cada cop va guanyant més reconeixement.

Dos arguments clars a favor de l’hipòtesi c) i en contra les altres són:

  • Hi ha virus de tots els grups d’organismes cel·lulars, la qual cosa fa que la hipòtesi b) sigui difícil d’explicar.
  • Hi ha virus de DNA i de RNA, la qual cosa fa que la hipòtesi a) sigui inversemblant.

De totes maneres, cal tenir en compte que les crítiques fetes a qualsevol d’aquestes hipòtesis es fan en el context de la biosfera actual, on els virus “moderns” necessiten cèl·lules “modernes” per replicar-se, on les cèl·lules actuals no poden revertir a formes virals, o on el DNA lliure no pot captar proteïnes de les cèl·lules actuals per formar càpsides, etc. Però les coses podrien haver estat molt diferents abans de la formació de les cèl·lules “modernes” d’arqueus, bacteris i eucariotes. En aquest sentit, estem menys constrets per la realitat actual a l’hora de proposar escenaris evolutius nous per a l’origen dels virus (Forterre 2006).

Ràpid repàs de l’ORIGEN DE LA VIDA

Per veure les possibilitats de la hipòtesi c) d’origen dels virus a partir de les formes protocel·lulars, anem a repassar la que avui dia és la més probable hipòtesi de l’origen dels sers vius a la Terra. Podeu veure unes bones revisions de tot això que ara sintetitzaré als llibres de Zubay (2000), de Schopf (2002)i de Ribas de Pouplana (2004), i a l’article de Peretó (2005), entre altres.

La química prebiòtica fou el conjunt de reaccions per les quals s’originaren els components biològics per síntesi abiòtica. Com és conegut, en una primera fase, que els anys 1920-30 ja van postular Oparin (Miller et al., 1997) i Haldane (Tirard 2017), i que els experiments de Urey i Miller el 1953 (Bada & Lazcano, 2003) en van aportar el suport experimental, se suposa que a partir de les molècules bàsiques de l’atmosfera primitiva (aigua, metà, amoni, nitrogen i altres) se sintetitzaren els monòmers orgànics com aminoàcids, monosacàrids i àcids orgànics, amb les fonts d’energia de la Terra primitiva. També s’està evidenciant cada cop més la importància de l’aportació de matèria orgànica procedent de cometes i meteorits (Oró 2001). En una segona fase, les macromolècules biogèniques es podrien haver format per polimerització dels monòmers, segurament sobre un suport inorgànic.

Un cop hi hagueren suficients compostos orgànics prebiòtics (no confondre amb els “prebiòtics”, terme de nutrició per als substrats utilitzats per la microbiota que donen beneficis per a la salut), les fases de protobionts prèvies a les cèl·lules hagueren d’estar relacionats amb les 3 propietats bàsiques dels sers vius: 

  • l’establiment d’estructures embolcall, o sigui membranes
  • la transformació de nutrients i energia, o sigui un mínim metabolisme
  • un mecanisme hereditari, o sigui la capacitat de replicar-se i transferir les característiques als descendents.

Com veiem a l’esquema de la Figura 3, la hipòtesi actual és que aquestes fases foren en aquest ordre, de tal manera que dins unes estructures amb embolcall (vesícules amfifíliques) començaren a generar-se mecanismes de reaccions protobioenergètiques que esdevingueren sistemes autònoms, els quals començaren a adquirir característiques hereditàries basats en el RNA (el món RNA), i que posteriorment el DNA, més estable, acabaria substituint al RNA com a molècula gènica. El paper del RNA és suportat per la varietat de RNAs existents a les cèl·lules i per les característiques catalítiques d’alguns d’aquests, els ribozims, a més de ser molècula gènica (Peretó 2005). 

Figura 3. Esquema de la hipotètica transició de la química prebiòtica a les cèl·lules, sense escala temporal però que podria haver estat al voltant de fa 4000 M anys. Aquestes fases de protobionts inclouen (d’esquerra a dreta) l’origen de sistemes autònoms amb protometabolisme sense material genètic, les primeres protocèl·lules amb pre-RNA i després RNA més proteïnes (el món RNA, amb “ribòcits”), i a continuació la incorporació del DNA, fins arribar al LUCA (últim avantpassat universal comú) amb les característiques biològiques conegudes. B: bacteris; A: arqueus; E: eucariotes (tret de Peretó 2005).

L’origen dels VIRUS: relíquies dels protobionts

Com hem comentat abans, aquesta és la hipòtesi més versemblant actualment.

Reprenent el que ara comentàvem de l’origen de la vida, de fet, en aquest món RNA es podrien distingir com dues fases (Figura 4). La primera començaria quan el RNA com a tal hauria esdevingut el material genètic portador d’informació però com veiem segur que abans (el món “pre-RNA”) hi podria haver hagut protobionts (o protocèl·lules) amb altres molècules “genètiques”, ja siguin àcids nucleics o altres molècules, i aquest primer protobiont amb RNA hauria suposat un coll d’ampolla o punt de trencament, que hauria començat a predominar sobre els anteriors, que s’haurien anat extingint. Com sabem, aquest fenomen és molt usual a l’evolució. En una segona fase del món RNA, haurien aparegut els ribosomes com a màquines de síntesi de proteïnes, que haurien permès una ràpida evolució cap a formes cel·lulars més eficients, enfront de l’ús de pèptids o altres maneres de sintetitzar proteïnes menys eficients (Forterre 2005). Finalment en alguna de les línies de protobionts, el DNA hauria acabat substituint el RNA com a material genètic, essent també un punt de trencament en la línia evolutiva.

Doncs bé, com veiem (Figura 4), alguns dels llinatges podrien sobreviure parasitant els individus exitosos de la següent fase: serien els virus. A cada fase hi hauria un punt crític d’origen (punts de trencament o colls d’ampolla, línies negres) a partir d’un organisme novedós que originaria molts llinatges. Alguns d’aquests, enlloc d’extingir-se, podrien sobreviure com a llinatges vírics (línies blanques) en parasitar els llinatges protocel·lulars exitosos de la següent fase (Forterre 2005).

Figura 4. Hipòtesi de les fases de l’evolució dels protobionts del món RNA: descripció al text (tret de Forterre 2005).

En ambdues fases del món RNA molt diversos organismes (els llinatges representats a la Figura 4) haurien coexistit: preses, predadors, de vida lliure i paràsits. Per tant és probable que protocèl·lules i entitats semblants a virus haguessin coexistit, i d’aquesta manera s’haurien originat els virus RNA (Figura 5). Veiem com a la primera fase coexistirien diferents llinatges de protobionts RNA, amb diversos mecanismes de producció de proteïnes (els petits cercles interns ratllats, Fig. 5A), inclòs l’avantpassat del sistema de ribosomes actual (les 2 subunitats negres). Aquest llinatge (en blau, Fig. 5B) hauria eliminat els seus competidors. Alguns llinatges d’aquesta primera fase (verd i vermell) haurien sobreviscut com paràsits intracel·lulars amb una fase extracel·lular al seu cicle biològic. Finalment aquests paràsits haurien perdut la seva pròpia maquinària de síntesi de proteïnes i esdevingut virus RNA (Fig. 5C). 

A més, actualment hi ha virus RNA de cadena senzilla i de doble cadena i amb diferents maneres de replicar-se (Figura 2), com devia passar en aquest món RNA amb molt diversos llinatges. I més encara, els virus RNA de doble cadena de bacteris i de eucariotes tenen estructures similars i les seves RNA-polimerases-RNA-dependents són homòlogues. Aquest model implica un origen polifilètic per a les diferents superfamílies de virus RNA, i quan els protobionts haurien passat a ser de DNA, el parasitisme d’aquests virus s’hauria mantingut, donant lloc a tots els diversos virus RNA que actualment observem als organismes cel·lulars. Aquest model pot ser acomodat per explicar els virus DNA a partir de llinatges de protobionts DNA (Forterre 2005).

Figura 5. Hipòtesi de l’origen dels virus RNA: descripció al text (tret de Forterre 2005).

El DNA, inventat per alguns virus ?

Se sap que el DNA acabà substituint al RNA com a material genètic al llarg d’aquests primers estadis de l’evolució per dos motius: a) El DNA és més estable que el RNA perquè el 2’O d la ribosa és molt reactiu, podent trencar l’enllaç fosfodièster; i b) La desaminació de la citosina a uracil és una reacció química espontània freqüent que pot ser reparada al DNA però no al RNA, per raons òbvies: l’uracil és propi del RNA.

Als sers vius actuals, els precursors del DNA, els desoxiribonucleòtids (dNTPs) es formen sobretot gràcies a les ribonucleòtid reductases que redueixen la ribosa dels ribonucleòtids (rNTPs) a desoxiribosa. Se sintetitzen a partir dels gràcies a enzims complexos, que degueren aparèixer a la segona fase del món RNA, ja que el DNA no es pogué formar només a partir de RNAs, encara que fossin ribozims.

Però què passa amb la timina del DNA enlloc de l’uracil del RNA ?

El fet que actualment el dTMP es produeix a partir del dUMP i no per reducció del TTP suggereix que el U-DNA podria haver estat un intermediari en la transició de RNA a DNA i per tant hi hauria hagut un “món U-DNA”. Doncs resulta que alguns virus bacterians tenen DNA amb uracil, o sigui U-DNA enlloc de l’usual T-DNA. De fet, als virus actuals podem trobar força diversitat de DNAs, alguns amb U-DNA, molts altres amb T-DNA i alguns altres amb hidroximetilcitosina-DNA (Figura 6), i a més els virus DNA tenen una gran varietat de mecanismes de replicació i d’enzims per passar d’un tipus a l’altre. Seria el que es pot anomenar “virosfera”, que dóna peu a pensar en el seu origen en aquestes etapes de protobionts. Per tant, el DNA tal com el veiem amb timina, podria haver estat un invent d’alguns virus (Forterre 2006).

Figura 6. Esquema de l’evolució dels genomes des del RNA als genomes modificats de DNA. Tots els tipus són presents a la “virosfera” però als organismes cel·lulars només hi es el T-DNA. RNR: ribonucleòtid reductasa; TdS: timidílic sintasa; HmcT: hidroximetilcitosina transferasa. (tret de Forterre 2006). 

Hipòtesi de la transferència del DNA dels virus DNA als organismes cel·lulars

Un virus DNA (Figura 7A, genoma vermell) podria haver infectat una protocèl·lula RNA (genoma blau) i podria haver coevolucionat (Fig. 7B), de tal manera que els gens RNA haurien estat progressivament transferits al DNA d’origen viral per retrotranscripció (Fig. 7C, fletxa blanca) i el genoma viral hauria evolucionat esdevenint un plasmidi DNA dins una protocèl·lula RNA, però finalment (Fig. 7D) el plasmidi DNA predominaria sobre el genoma RNA, per la seva major eficàcia genètica i acabaria essent un precromosoma de DNA. 

Per un mecanisme similar (Figura 7 E-G) es podria explicar la formació de plasmidis DNA en protocèl·lules de DNA. En qualsevol cas, aquestes protocèl·lules resultants serien procariotes. Tenint en compte tot això, la formació de cèl·lules eucariotes, a banda de la coneguda teoria de la simbiosi d’arqueus i bacteris, també es podria hipotetitzar com la formació del nucli, en protocèl·lules RNA, a partir de la captació de virus DNA embolcallats per la formació de membranes intracel·lulars, donant lloc a la membrana nuclear, de forma similar a la formació dels embolcalls dels virus animals (Forterre 2005, idem 2006).

Figura 7. Models hipotètics de la transferència del DNA dels virus a les protocèl·lules RNA (esquerra A-D) per formar cèl·lules DNA, i de la formació de plasmidis (dreta E-G) a partir de virus DNA: descripció al text (tret de Forterre 2005).

Hi ha altres explicacions possibles per explicar l’origen dels virus, amb arguments a favor de les altres hipòtesis comentades al principi, però crec que la que hem vist, on els virus serien formes que provenen dels protobionts, cada cop té més pes. Una altra hipòtesi curiosa és que els virus s’haurien originat a partir de proteïnes autoreplicants com els prions que s’haurien acoblat amb RNA. Vegeu Lupi & Dadalti (2007) per a més informació.

CONCLUSIÓ

Com hem vist, els virus, amb la seva gran diversitat i essent presents a tots els organismes cel·lulars, serien els descendents o romanents o relíquies d’aquestes formes de protobionts dels primers temps de la vida a la Terra. Com en altres sers vius, l’evolució impulsada pel conjunt de factors de variabilitat genètica, i sobretot la selecció natural, hauria donat resultat al que ara veiem. Els virus porten molt més temps evolucionant que nosaltres, són presents en tots els ecosistemes del planeta i són les entitats biològiques més abundants. Per tant podríem dir que en principi deuen ser més espavilats que nosaltres. Haurem de seguir aprenent a conviure amb ells, com aquest 2020 estem veient amb el SARS-CoV-2, i tot plegat malgrat que dubtem de la seva inclusió en la definició de sers vius.

BIBLIOGRAFIA

Bada JL, Lazcano A (2003) Prebiotic soup – Revisiting the Miller experiment. Science 300, 745-746.

Edwards RA & Rohwer F (2005) Viral metagenomics. Nature Rev Microbiol 3, 504-510

Forterre P (2005) The two ages of the RNA world, and the transition to the DNA world: a story of viruses and cells. Biochimie 87, 9–10, 793-803. 

Forterre P (2006) The origin of viruses and their possible roles in major evolutionary transitions. Virus Research 117, 1, 5-16.

Gadelle D, Filée J, Buhler C, Forterre P (2003) Phylogenomics of type II DNA topoisomerases. Bioessays 25, 232-242

Lupi O, Dadalti P, Cruz E, Goodheart C (2007) Did the first virus self-assemble from self-replicating prion proteins and RNA? Medical Hypotheses 69, 4, 724-730.

Madigan MT, Bender KS, Buckley DH, Sattley WM, Stahl DA (2019) Brock biology of microorganisms. Pearson Ed Ltd.

Miller SL, Schopf JW, Lazcano A (1997) Oparin’s “Origin of Life”: sixty years later. J Mol Evol 44, 351-353.

Oró J (2001) Cometary molecules and Life’s origin. In: Chela-Flores J, Owen T, Raulin F (eds) First steps in the origin of life in the universe. Springer, Dordrecht.

Peretó J (2005) Controversies on the origin of life. Internat Microbiol 8, 23-31

Ribas de Pouplana L (2004) The Genetic Code and the Origin of Life. Ed. Kluwer Academic – Landes Bioscience, ISBN 0-306-47843-9. 

Schopf JW (ed.) (2002) Life’s Origin. The beginnings of biological evolution. Univ. California Press, ISBN 0-520-23390-5.

Tirard S (2017) J.B.S. Haldane and the origin of life. J Genetics 96, 735-739.

Zubay G (2000) Origins of life on the Earth and in the Cosmos. Academic Press, ISBN 978-0-12-781910-5.

BACTERIS: 21 fílums principals, amb 147 gèneres importants

Click here for the English version: “BACTERIA, 21 main phyla, with 147 important genera”

7 abril 2020

Si voleu anar directament a l’arbre filogenètic simplificat (Figura 4) que proposo més a baix, cliqueu aquí.  Ídem per a la relació dels 21 fílums.  Ídem per al llistat alfabètic de gèneres.

Propòsit d’aquest article

Més d’un cop alguns alumnes m’han comentat que quan a classe o en fer algun treball bibliogràfic, els apareix un nom d’un gènere microbià que no els és gaire familiar, no tenen clar on trobar quin tipus de microorganisme és i/o quines són les seves característiques bàsiques, a banda de recórrer a la Wikipedia o Viquipèdia. Encara que n’hi ha abundant bibliografia, i per a consultes només d’ubicació filogenètica d’un determinat gènere jo faig anar l’apartat Taxonomy del National Center for Biotechnology Information (NCBI), a mi mateix em passa que sovint trobo a faltar una font d’informació que sigui fàcil i ràpida de consultar, i que no caldria que fos massa exhaustiva.

Aquest és el propòsit d’aquest article del meu blog: fer un resum dels principals fílums bacterians, amb la relació dels gèneres més importants. Aquests són els que semblen més rellevants, sobretot per aspectes beneficiosos, a nivell ambiental o en aliments i altres aplicacions industrials, també alguns pels seus metabolismes característics, i també alguns dels patògens més coneguts.

Per no fer-ho massa exhaustiu, de moment aquí em limito als bacteris, i per tant no es consideren ni arqueus, ni microorganismes eucariotes, ni virus.

Taxonomia i filogènia dels Bacteris

La taxonomia és la ciència d’anomenar, definir i classificar els grups de sers vius en base a les característiques que comparteixen. Aquests grups són els tàxons, que es distribueixen en categories jerarquitzades, que són (variables segons els organismes): Domini, Regne, Fílum (SCB 2009-210), Classe, Ordre, Família, Gènere i Espècie. Com sabeu, el primer sistema taxonòmic fou desenvolupat al segle 18 per Carl von Linné, que establí els fonaments de la nomenclatura binomial (Gènere + espècie).

Després de Linné, la taxonomia es desenvolupà gràcies sobretot a Ernst Haeckel (segle 19) i Robert Whittaker, que va proposar els 5 regnes: els 4 eucariotes (Animals, Plantes, Fongs i Protistes) més el dels Monera, els procariotes, bacteris bàsicament (Whittaker 1969).

Encara que es podrien establir classificacions taxonòmiques només en base a les característiques fenotípiques (morfologia, estructures, metabolismes, etc.), actualment la taxonomia s’elabora veient les relacions de parentesc entre els organismes i la seva història evolutiva, o sigui la filogènia, realitzant arbres filogenètics, que es basen en les semblances genètiques, que expliquen l’evolució dels organismes, tant els actuals com els extingits.

Històricament, abans dels coneixements moleculars, la classificació o taxonomia dels bacteris va presentar moltes dificultats i errors, donades les seves dimensions microscòpiques i la manca de trets morfològics fàcils de distingir, al contrari de plantes i animals. La classificació es basava només en la forma, estructura de la paret cel·lular (Gram) i els metabolismes, però no es podia realitzar un arbre filogenètic.

Això va canviar de la mà de Carl Richard Woese (1987), iniciador de la revolució filogenètica molecular, que va classificar tots els organismes (no només els bacteris), en base a les seqüències del RNA ribosòmic, definint per primer cop els arqueobacteris (ara Archaea o arqueus), i per tant introduint el concepte dels tres dominis (Figura 1).

Fig 1 woese fig4

Figura 1. Arbre filogenètic universal dels 3 dominis (Archaea o Arqueus (SCB 2009), Bacteris i Eucariotes), determinat comparant les seqüències dels rRNA, on les llargades de les línies són proporcionals a les distàncies calculades per alineament dels rRNA (Woese 1987).

Limitant-nos als Bacteris, en base al 16S rRNA Carl Woese n’establí 11 divisions (Figura 2).

Fig 2 woese fig11

Figura 2. Arbre filogenètic dels bacteris determinat comparant les seqüències dels rRNA 16S, on les llargades de les línies són proporcionals a les distàncies calculades per alineament dels 16S i el punt d’origen és una seqüència consens dels arqueus (Woese 1987).

Després de Woese, a nivell de bacteris aquest arbre filogenètic s’ha anat modificant, per una banda incorporant-hi nombrosos grups de bacteris descoberts, sobretot termòfils, quimiolitòtrofs i altres d’ambients extrems. I d’altra banda, el desenvolupament de les tècniques no dependents de cultiu ha permès detectar nombrosos bacteris sense haver d’aïllar-los. Entre aquestes tècniques on es pot analitzar directament el DNA de mostres ambientals, cal senyalar els mètodes de metagenòmica, que amplifiquen i seqüencien fragments dels gens (16S o altres) de tots els bacteris presents i es tracten les dades amb programes bioinformàtics per comparar uns amb altres i deduir les possibles noves espècies.

Coetàniament a Woese, la classificació de tots els sers vius va ser millorada per Thomas Cavalier-Smith, sobretot a nivell dels protistes (Cavalier-Smith 1993). Alguns dels arbres recents més complets de bacteris s’han basat en comparar alguns gens més conservats, com Lang et al (2016), que proposa diferents models de superarbres de 3000 procariotes seqüenciats en base a 24 gens.

En base a tot això, un dels arbres filogenètics més recents és el proposat per Hug et al. (2016), que ha estat elaborat en base a les seqüències publicades, incloses les dades genòmiques de 1000 organismes poc coneguts i no aïllats en cultius. Aquest “arbre de la vida” amb els 3 dominis de bacteris, arqueus i eucariotes revela una predominança de la diversificació bacteriana i subratlla la importància d’organismes dels quals no es tenen representants aïllats (Figura 3). Per a aquest arbre foren utilitzats 30437 genomes d’espècies dels 3 dominis disponibles a les bases de dades del NCBI pel setembre 2015. Actualment (març 2020) ja consten 50159 espècies seqüenciades al NCBI: 1724 arqueus, 26467 bacteris, 4915 eucariotes i 17053 virus.

Fig 3 Hug-et-al-figure-1

Figura 3. Visió actual de l’arbre de la vida, englobant la diversitat total de genomes seqüenciats, amb 92 fílums bacterians, 26 d’arqueus i els 5 supergrups eucariotes (Hug et al. 2016)

En anar comparant les seqüències genètiques de molts bacteris s’ha anat veient la dificultat d’elaboració dels arbres filogenètics evolutius amb branques com sempre els representem, perquè la transferència genètica horitzontal (TGH) és un fenomen habitual als bacteris. Mitjançant els mecanismes de transformació, transducció vírica i conjugació, els bacteris comparteixen molts gens en la seva evolució, i desdibuixen les branques, de tal manera que la representació hauria de ser més semblant a una xarxa. Per tant, cal prendre’s les representacions dels fílums en branques evolutives com una aproximació relativa.

El recurs bibliogràfic més important per a la determinació, identificació i sistemàtica de tots els organismes procariotes, o sigui Bacteris i Arqueus, ha estat sens dubte el Manual Bergey. Iniciat el 1923 per David H. Bergey, lògicament ha tingut successives actualitzacions i ampliacions, mantenint la importància de ser el Manual de referència per a la descripció de totes les característiques dels procariotes. La darrera versió publicada en paper del Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology comprèn 5 volums en 7 llibres (2001-2012). Més recentment s’ha publicat una versió online (Whitman, 2015).

Un altre recurs valuós és la base de dades LPSN (List of Prokaryotic Names with Standing in Nomenclature) (Parte 2014), que recull el llistat online de tots els noms dels procariotes que han estat validats per publicació al International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, sota les regles del Codi Internacional de Nomenclatura de Bacteris. Actualment, a la LPSN hi han llistats 15974 tàxons, distribuïts en 41 fílums bacterians més 5 d’arqueus. A més, la LPSN inclou la classificació actualitzada dels procariotes, la seva nomenclatura, i de les col·leccions de cultiu.

Tanmateix, tant el Bergey com el LPSN són massa exhaustius i poc pràctics per fer una cerca ràpida d’algun gènere bacterià concret, o tenir una visió ràpida global de les relacions filogenètiques entre diversos fílums.

La meva proposta simplificada de l’arbre filogenètic dels Bacteris

En base a l’arbre comentat de Hug et al (2016) (Figura 3), limitant-nos als bacteris, he gosat fer-ne una simplificació, prescindint dels fílums no gaire coneguts o de les nombroses branques sense representants aïllats en cultiu. Amb això, queden els 21 fílums principals que veiem a la Figura 4.

Com veiem a la Figura 4, Terrabacteria i Hydrobacteria són dues categories taxonòmiques superiors que inclouen la gran majoria de fílums bacterians, el 99% de bacteris. Els Terrabacteria haurien evolucionat adquirint adaptacions de resistència a condicions ambientals terrestres com dessecació, radiació UV, alta salinitat, incloent una paret cel·lular característica (grampositius) i altres d’ells haurien desenvolupat la fotosíntesi oxigènica (els cianobacteris). Els Hydrobacteria serien la resta de bacteris, la majoria de gramnegatius, que haurien evolucionat en ambients aquosos o humits, i inclouen els 2 superfílums FCB (FibrobacterChlorobiBacteroides) i PVC (PlanctomycesVerrucomicrobiaChlamydia), i el gran grup de Proteobacteris. Els supertàxons Terrobacteria i Hydrobacteria haurien divergit fa 3000 milions d’anys, quan els Terrabacteria haurien començat a colonitzar els continents.

A la mateixa Figura 4 he senyalat els protomitocondris i protocloroplasts, que van sorgir dels fílums Alfaproteobacteria i Cyanobacteria respectivament, fa uns 1500-2000 milions d’anys.

Fig 4 arbre bacteris

Figura 4. Visió actual simplificada de l’arbre filogenètic dels bacteris amb 21 principals fílums, elaborat en base al conjunt de seqüències del DNA de 16 proteïnes ribosomals (modificada de Hug et al 2016). LUCA: últim avantpassat comú universal (Last Universal Common Ancestor).

RELACIÓ dels 21 FÍLUMS principals dels bacteris: característiques i gèneres més importants

A continuació descric mínimament els 21 fílums (Figura 4), seguint l’arbre filogenètic de dreta a esquerra. Per als tàxons (classes, ordres) més rellevants que comento dins d’algun dels fílums, he seguit les categories tal com estan al NCBI (Taxonomy). He resumit les descripcions en base a les fonts bàsiques d’informació de Microbiologia, com el Brock (Madigan et al. 2017), Lengeler et al. (1999), Tortora et al. (2018), o el Prescott (Willey et al. 2017), i dins dels recursos més habituals d’internet, a més de la Wikipedia, també cal senyalar el MicrobeWiki.

1. Aquificae

Com Aquifex o Hydrogenobacter, és un fílum proper a Thermotogae, i ambdós són els bacteris més propers als arqueus. Són bacils gramnegatius, hipertermòfils, quimiolitòtrofs aerobis, oxiden H2 produint H2O,  i es troben en aigües calentes o volcàniques.

2. Thermotogae

Com Thermotoga, és un fílum proper a Aquificae. Són hipertermòfils, anaerobis fermentatius, bacils gramnegatius, amb un embolcall tipus “toga”, i es troben en aigües calentes i xemeneies hidrotermals.

3. Deinococcus – Thermus

És un fílum de bacteris molt resistents a ambients extrems, per tant extremòfils, que inclou 2 grups dels quals els gèneres més coneguts són els que donen nom al fílum:

Deinococcus són cocs grampositius amb paret gruixuda, amb segona membrana, resistents a raigs gamma i UV, de color rosa pel pigment carotenoide deinoxantina.

Thermus són bacils gramnegatius hipertermòfils, es troben en fonts termals, i també al compostatge. Th. aquaticus fou aïllat per Thomas D. Brock (el del llibre) i H. Freeze, de les aigües termals amb guèisers de Yellowstone, i és molt conegut per la DNA-polimerasa Taq, molt utilitzada a les PCR perquè no es desnaturalitza a 95ºC. Th. thermophilus, també amb DNA-polimerases termostables, és un model per a la manipulació genètica.

4. Cyanobacteria

Els cianobacteris abans eren coneguts com “algues verd-blaves” o cianofícies, perquè són filamentosos i fan fotosíntesi, com les algues i les plantes. Com aquestes, fan fotofosforilació no cíclica, amb 2 fotosistemes i clorofil·la. De fet, són l’origen evolutiu dels proto-cloroplasts, van “inventar” la fotosíntesi oxigènica, són els únics bacteris que la fan actualment, i van generar l’atmosfera tal com la coneixem fa uns 2700 milions d’anys. Els estromatòlits fòssils formats per biopel·lícules de cianobacteris són els indicis més antics de vida a la Terra. Són filaments gramnegatius, amb membranes internes. Alguns fixen N2 en cèl·lules especialitzades (heterocists) més gruixudes que contenen la nitrogenasa. Són a molt diversos hàbitats, tant terrestres com aquàtics, alguns són simbionts de plantes, altres fan cianotoxines, i són els principals causant de blooms en aigües eutròfiques. Alguns són menjar, font de nutrients (Spirulina). Amb metabolisme secundari molt actiu, també són font interessant d’antivirals, antibiòtics i antitumorals. Altres gèneres són: Anabaena, Chroococcus, Nostoc, Oscillatoria, Pleurocapsa Synechococcus.

5. Firmicutes

Són un gran fílum de grampositius, bacils o cocs, quimioheteròtrofs, amb baix contingut de G+C al DNA (la majoria amb <50%). Inclou sobretot 3 grans classes, Bacilli, Clostridia i Negativicutes:

Bacilli amb 2 ordres, Bacillales i Lactobacillales:

Bacillales, que són aerobis o facultatius, amb respiració aeròbica sobretot. Gèneres importants:

Bacillus, bacils formadors d’endòspores, ubics als ambients terrestres, on junt amb Paenibacillus afavoreixen els conreus vegetals (vegeu el meu post sobre l’agromicrobioma). L’esporulat més resistent és B. stearothermophilus, model dels càlculs d’esterilització tèrmica. Cal destacar-ne els patògens B. anthracis (àntrax maligne o carboncle) i B. cereus (intoxicacions alimentàries). Moltes espècies són d’interès industrial: producció d’enzims (com amilasa) o proteases (subtilisina de B. sutilis), antibiòtics peptídics, alguns són probiòtics d’aus (vegeu el meu post sobre Bacillus probiòtics), i B. thuringiensis és molt utilitzat com a bioinsecticida per les seves toxines Cry i els seus gens incorporats en plantes modificades genèticament Bt (cotó, moresc i altres).

Listeria, bacils anaerobis facultatius no formadors d’endòspores, sapròfits però també patògens oportunistes (L. monocytogenes) i resistents al fred, són la primera causa de mort entre les malalties de transmissió alimentària.

Staphylococcus, cocs anaerobis facultatius agrupats en forma de raïm, habituals comensals a la pell i mucoses membranoses. Alguns són patògens degut a la formació de coagulasa.

Lactobacillales: són els bacteris làctics (BL) o de l’àcid làctic. Són bacils o cocs, anaerobis aerotolerants, amb metabolisme fermentatiu, produint sobretot àcid làctic a partir de sucres. No esporulats, són presents en plantes en descomposició (sobretot Lactobacillus) i als productes lactis (sobretot Lactococcus, Lactobacillus i Streptococcus). Són molt importants industrialment, com a agents actius de molts aliments fermentats (derivats de llets, vegetals, carns, peixos, vins i cerveses, etc.), coneguts en conjunt com a productes làctics, on aquests bacteris contribueixen a conservació, per baixada del pH i producció de bacteriocines, i qualitats organolèptiques. Per això són globalment considerats com a GRAS (Generally Recognized as Safe). A més, també tenen un paper rellevant a la microbiota saludable animal i humana, tant al digestiu com a les superfícies mucoses. Per això alguns d’ells són dels probiòtics més usuals, sobretot Lactobacillus. D’altra banda, Oenococcus és el gènere exclusiu dels vins, on du a terme la fermentació malolàctica (aquí teniu un petit resum), una fermentació peculiar lligada a ATPasa. Altres gèneres importants de BL són: Enterococcus (alguns poden ser patògens i altres probiòtics), Leuconostoc, Pediococcus (present a cerveses, vegeu el meu post sobre BL de cerveses), Weissella, Carnobacterium, Aerococcus i Fructobacillus.

Clostridia

Són bacils anaerobis estrictes formadors d’endòspores. Són sapròfits, fermentant sobretot polisacàrids vegetals, i viuen sobretot als sòls. Alguns són patògens oportunistes freqüents al digestiu (Clostridium difficile) o sapròfits de teixits que poden causar gangrena (C. perfringens) i els pitjors produeixen algunes de les toxines més perilloses: C. tetani i C. botulinum. En canvi, són molt abundants a la microbiota intestinal saludable (vegeu el meu post) i per tant possibles probiòtics (Clostridium, Eubacterium, Coprococcus i Ruminococcus, productors dels beneficiosos butirat i propionat), i sobretot Faecalibacterium prausnitzii o Christensenella, associats a baix índex corporal i poc greix.

Encara que de la mateixa classe Clostridia i també anaerobis esporulats, el gènere Heliobacteria són fotoheteròtrofs anoxigènics (amb bacterioclorofil·la g, un fotosistema i fotofosforilació cíclica), no són grampositius i fixen N2.

Negativicutes

Són anaerobis esporulats, propers filogenèticament als Clostridia, però gramnegatius, ja que tenen una membrana externa semblant a la dels proteobacteris (possible transferència genètica horitzontal). Selenomonas té forma de mitja lluna, és mòbil, present al rumen dels remugants. Veillonella és un coc de l’intestí humà, beneficiós perquè fermenta lactosa donant acetat i propionat. Phascolarctobacterium i Megasphaera són bacils pleomòrfics que també produeixen aquests àcids grassos de cadena curta a l’intestí, i per tant, també beneficiosos.

6. Tenericutes

Fílum proper als Firmicutes, però no tenen paret cel·lular. Classe única: Mollicutes. Són molt petits de mida (0,2-0,3 µm), i de genoma (0,6 Mbp), perquè són paràsits intracel·lulars d’animals i plantes, sapròfits i/o patògens. En no tenir paret cel·lular, són resistents a molts antibiòtics. De forma variable, poden viure sense oxigen. Els Mycoplasma són patògens humans que poden causar pneumònia o infeccions de transmissió sexual.

7. Chloroflexi

Com Chloroflexus, també són anomenats bacteris verds no-sofre o clorobacteris, són filamentosos o lliscants, amb membranes internes (clorosomes). Són fotoheteròtrofs anoxigènics (amb bacterioclorofil·la cs, un fotosistema i fotofosforilació cíclica). Són gramnegatius però sense membrana externa. La classe Thermomicrobia inclou els que són termòfils (Thermomicrobium), alguns amb pigment rosa.

8. Actinobacteria

Són un altre gran fílum de grampositius, heteròtrofs, tant aerobis com anaerobis, amb alt contingut de G+C al DNA (la majoria amb >50%), de formes irregulars i alguns filamentosos. Són molt versàtils catabòlicament i ubics a ambients terrestres i aquàtics. Inclou aquests ordres principals:

Actinomycetales, com Actinomyces, són anaerobis facultatius, poden fer endòspores, són filamentosos però alguns bacils. Són uns dels microorganismes econòmicament més importants als sòls, tant agrícoles com forestals. Descomponen la matèria orgànica, juntament amb els fongs, als quals s’assemblen perquè formen micelis filamentosos.

Bifidobacteriales, anaerobis, fermenten carbohidrats, són bacils irregulars, sobretot bífides, ex. Bifidobacterium. Són importants a la microbiota intestinal de mamífers, als humans sobretot als infants, utilitzats com a probiòtics.

Corynebacteriales, aerobis, bacils més o menys irregulars, alguns en forma de porra i altres a vegades fan hifes. Abundants en diferents ambients terrestres, alguns són importants industrialment com a productors d’aminoàcids, com glutàmic i lisina (Corynebacterium glutamicum). Altres són patògens: C. diphtheriae, Mycobacterium tuberculosis (vegeu el meu post), M. leprae, i alguns oportunistes de baixa virulència com Nocardia.

Frankiales, filamentosos, com Frankia, viuen simbiòticament fixant N2 en nòduls a les arrels de molts tipus d’angiospermes.

Micrococcales, amb gèneres com: Micrococcus, cocs presents en aigües i sòls, sapròfits i oportunistes, útils per a biodegradació de contaminants, i alguns en productes càrnics, amb cists molt resistents (vegeu el meu post sobre persistència de microbis); Cellulomonas, bacils del sòl degradadors de cel·lulosa gràcies a glucanases; Arthrobacter (sinònim Siderocapsa) són bacils i cocs aerobis comuns al sòl, alguns per a producció de glutàmic i per a bioremediació, s’han descrit fins i tot alguns degradadors del polímer niló, i el seu DNA és dels més persistents al permafrost, més de 300.000 anys (vegeu el meu post ). Brevibacterium linens és ubic a la pell humana, produeix tioèsters típics de pudor de peus, i a més s’utilitza a formatges (Munster, Limburger, etc).

Propionibacteriales, com Propionibacterium, bacils anaerobis que sintetitzen propiònic a partir de sucres i també d’àcid làctic. També poden utilitzar el fumarat per una fermentació peculiar amb ATPasa. Presents a la microbiota intestinal i la pell d’animals, alguns són els causants de l’acne humana (reclassificats com Cutibacterium acnes) (vegeu també el meu post sobre bacteris de l’acne a la vinya). Altres són importants per a la producció de vitamina B12 i als productes lactis, sobretot formatges com els suïssos amb “ulls” (Emmental i altres).

Streptomycetales, amb l’important gènere Streptomyces, són els Actinobacteria més coneguts, amb més de 500 espècies. Aerobis, formen un complex miceli d’hifes ben desenvolupades i es dispersen amb espores aèries a partir d’estructures comparables als fongs micelials, però procariotes. Abundants al sòl i vegetació en descomposició, produeixen geosmina i 2-metilisoborneol, que donen el característic olor “de terra”, compostos que atrauen invertebrats els quals ajuden als bacteris a dispersar les seves espores. Tenen un complex metabolisme secundari, i per això són molt importants industrialment: antibiòtics antibacterians (estreptomicina, neomicina, tetraciclina, etc.), antifúngics (nistatina), antiparasitaris, anticancerosos i també per a l’expressió heteròloga de proteïnes eucariòtiques.

9. Fibrobacteres

Ja dins els Hydrobacteria (Figura 4), junt amb Chlorobi i Bacteroidetes són el superfílum FCB, abans anomenats com a fílum Sphingobacteria per Cavalier-Smith. Són bacils gramnegatius anaerobis estrictes. Inclouen uns dels principals bacteris cel·lulolítics del rumen dels remugants, com Fibrobacter. Degraden sobretot beta-glucans, produint formiat, acetat i succinat.

10a. Chlorobi

Del superfílum FCB, es consideren un sol fílum junt amb Bacteroidetes. Són sobretot els bacteris verds del sofre, bacils o cocs gramnegatius, anaerobis estrictes fotoautòtrofs que fan la fotosíntesi anoxigènica, amb bacterioclorofil·les situades en clorosomes i la membrana plasmàtica. Tenen un fotosistema, i utilitzen sulfurs com donador d’electrons. Capten CO2 pel cicle invers del cítric. Poden produir sulfats o acumular S elemental a l’exterior cel·lular. Chlorobium es troben als fons marins i dels llacs, i són abundants per ex. al Mar Negre.

10b. Bacteroidetes

També del superfílum FCB i mateix fílum que Chlorobi, són bacils gramnegatius (amb membrana externa) anaerobis estrictes, no esporulats, exclusius del tracte gastrointestinal d’animals, on són dels bacteris més abundants, sobretot Bacteroides i també Prevotella, i on metabolitzen carbohidrats (polisacàrids sobretot) i altres compostos com les sals biliars, produint àcids grassos de cadena curta, beneficiosos per a l’hoste (vegeu el meu post sobre Bacteroides). Tanmateix, alguns poden ser patògens si passen a òrgans fora del digestiu. Sembla que la ratio Prevotella/Bacteroides en humans és més alta en dietes altes en fibra i menor pes corporal. Flavobacterium és un Bacteroidetes conegut patogen de peixos.

11. Planctomycetes

Del superfílum PVC, són bacteris gramnegatius anaerobis particulars, ex. Planctomyces: ovoides amb un apèndix pseudo-tija acabada en una estructura adherent al substrat, amb invaginacions de la membrana que recorden les estructures cel·lulars eucariotes i paret cel·lular amb quasi gens de glicopèptid. Es reprodueixen per gemmació, generant formes flagel·lades lliures que acaben essent sèssils. Viuen en aigües, tant dolces com marines i salobres. Alguns com Brocardia contenen una estructura membranosa, anammoxosoma, on té lloc l’oxidació anaeròbica d’amoni (Anammox) amb nitrit, produint N2, metabolisme important per al cicle del N.

12a. Verrucomicrobia

També del superfílum PVC, i considerats del mateix fílum amb Chlamydiae, n’hi ha poques espècies descrites. Tenen formes similars a berrugues i són gramnegatius anaeròbics, aïllats del sòl, aigües i de femta humana. Akkermansia, aerotolerant, a la microbiota de l’intestí humà, s’ha relacionat amb menor obesitat i menor incidència de malalties relacionades, gràcies a mantenir la capa mucosa degradant mucina, contribuint a la funció de barrera.

12b. Chlamydiae

També del superfílum PVC i fílum amb Verrucomicrobia, són cocs gramnegatius, obligats intracel·lulars d’eucariotes, molts patògens d’animals i alguns simbionts de protozous. Presenten dues formes (com els virus): l’extracel·lular, particulada o cos elemental, de només 0,3 µm, que per endocitosi genera la forma reticulada intracitoplasmàtica, de 0,5 µm. Les infeccions per Chlamydia són la malaltia bacteriana de transmissió sexual més freqüent.

13. Acidobacteria

Com Acidobacterium, són bacils gramnegatius aerobis o facultatius o anaerobis, heteròtrofs, molts d’ells oligòtrofs, majoria són acidòfils (pH 3-6), i tenen càpsules amb molt d’exopolisacàrid. Encara que són poc aïllats en cultiu, són ubics, especialment als sòls, on arriben a ser el 50% dels bacteris, on molts són simbiòtics a la rizosfera de les plantes. Alguns són bons biodegradadors de compostos aromàtics (Holophaga) i/o captadors de metalls (Geothrix).

14. Nitrospirae

Fílum monofilètic, són gramnegatius aerobis de forma helicoïdal o de coma (vibrió). Difícils d’aïllar, són presents en ecosistemes marins formant biofilms però també en terrenys humits o fangs actius de depuradores, biofiltres i altres. És nitrificant, fent oxidació de nitrits, ex. Nitrospira.

“Proteobacteria”

Com veiem a la Figura 4, el nom de gran part dels fílums restants contenen aquest terme. Constitueixen el grup més gran i metabòlicament més divers de bacteris, i tenen en comú ser gramnegatius amb membrana externa de lipopolisacàrids. Són quasi la meitat dels procariotes seqüenciats, i inclouen tant fotòtrofs com heteròtrofs amb un origen evolutiu comú, que se suposa serien fotòtrofs anoxigènics com els bacteris porpra (ex. Rhodospirillum). Per això i per tenir una relació filogenètica en base al 16S, Woese (1987) els va anomenar “Bacteris Porpra i relacionats” i va establir les primeres subdivisions alfa, beta, gamma i delta. Poc després Stackebrandt et al (1988) van proposar aquest terme Proteobacteria, basat en el déu grec Proteu, per l’analogia amb que aquest que podia adoptar múltiples formes.

15a. Deltaproteobacteria

Considerats fílum comú amb Thermodesulfobacteria, inclouen dos grups:

Els mixobacteris (ordre Myxococcales), aerobis que viuen als sòls, heteròtrofs de matèria orgànica insoluble, que es mouen per lliscament. Tenen genomes molt grans respecte a altres bacteris, de 10 Mbp, algun fins a 16 Mbp. El cicle biològic (Myxococcus per ex.) és complex: les formes vegetatives són bacils lliscants que s’agrupen en cossos fructífers (per quorum sensing de contacte) de diferents formes i colors, i que donen mixòspores esfèriques resistents. Alguns són productors d’antibiòtics i altres com Sorangium, també de fàrmacs antitumorals.

L’altre gran grup són els anaerobis estrictes relacionats amb el sofre. La reducció desassimiladora de sulfats en ambients marins i de depuració d’aigües suposa el 50% de la mineralització de matèria orgànica. Inclou aquests dos ordres:

Desulfovibrionales, els principals bacteris reductors de sulfats: Desulfovibrio, Desulfobacter i altres. Són bacils o bacils corbats flagel·lats que viuen en ambients aquosos, on degraden matèria orgànica, mitjançant la respiració anaeròbia utilitzant sulfat com a acceptor d’electrons. Produeixen SH2, que a més de fer pudor, reacciona amb metalls, els corrou, i produeix per ex. FeS. Són considerats dels microbis més antics a la Terra, i molts importants en el cicle del S.

Desulforomonadales, són els reductors de sofre elemental, també per respiració anaeròbia, però que també poden utilitzar altres compostos inorgànics com nitrat, Fe3+ i altres metalls. També produeixen SH2. Geobacter és un dels principals gèneres, utilitzat per a biodegradació i bioremediació de contaminants, i que s’està estudiant per al disseny de piles microbianes que generin electricitat gràcies a la conductivitat dels biofilms que formen.

15b. Thermodesulfobacteria

Mateix fílum que els Deltaproteobacteria. Són els reductors de sulfats termòfils i hipertermòfils, bacils aïllats de fonts termals, fons marins i xemeneies hidrotermals. El més conegut, Thermodesulfobacterium, té un lípid de membrana (fosfoaminopentanotetrol) que només es troba als arqueus. Geothermobacterium, aïllat a Yellowstone, té una temperatura òptima de 85-90ºC, la més alta dels bacteris, i redueix Fe3+.

16. Oligoflexia

Filogenèticament emparentats amb els Deltaproteobacteria, aquest fílum inclou Bdellovibrio i altres depredadors d’altres gramnegatius. Són bacils corbats (vibrions) petits (prop de 1 µm) aerobis, amb un flagel polar que els permet mobilitats de 100 vegades el seu cos per segon. En el seu cicle biològic, la forma lliure mòbil s’adhereix a un bacteri presa, li penetra, forma un complex esfèric amb l’hoste, utilitza hidrolases per digerir proteïnes i DNA de l’hoste, i hi creix en forma de filament, lisa l’hoste i el filament se separa en 3-6 cèl·lules filles lliures, tot en 4 h.

17. Spirochaetes

Les espiroquetes són bacteris gramnegatius amb membrana externa, de forma característica espiral o helicoïdal, força llargs (de 3 a 200 µm), degut al filament axial, conjunt de flagels, situat a l’espai periplàsmic. Aquest filament es contrau, permetent la mobilitat. Són heteròtrofs anaerobis o facultatius d’ambients aquàtics diversos. Spirochaeta és de vida lliure i no patogen, però altres gèneres ho són, com Leptospira (leptospirosi), Borrelia (malaltia de Lyme per les paparres) o Treponema (sífilis i malalties tropicals).

18. Epsilonproteobacteria

Són gramnegatius heteròtrofs, la majoria microaeròfils, mòbils i de formes corbades, espirals o helicoïdals, i els més coneguts són simbionts o patògens al tracte digestiu d’animals, humans inclosos. Campylobacter és patògen sobretot del bestiar, i d’origen alimentari als humans. Helicobacter és molt freqüent a l’estómac causant úlceres i gastritis. Arcobacter és un patogen emergent que a més de trobar-se al digestiu d’animals, pot ser contaminant de mariscs.

El fílum també inclou força aïllats no patògens aïllats de xemeneies hidrotermals i de les fosses submarines, com Sulfurimonas.

19. Alphaproteobacteria

Gran i molt divers fílum de gramnegatius amb membrana externa a la paret cel·lular. Junt amb betaproteobacteris i gammaproteobacteris constitueixen un clar grup monofilètic, d’origen comú, i serien les Proteobacteria mes típiques (Figura 4). El conjunt dels 3 fílums va ser nomenat com Rhodobacteria per Cavalier-Smith el 1987.

Els alfaproteobacteris inclouen els principals ordres següents:

Rhodobacterales , com Rhodobacter, model d’estudi de la fotosíntesi bacteriana anoxigènica. Són dels anomenats bacteris porpra (pel seu color resultant de les bacterioclorofil·les més els carotens) de no-sofre, per diferenciar-los del porpra de sofre (les Chromatiales dins els gammaproteobacteris). Tenen gran diversitat de metabolismes: fotosíntesi, litotròfia i respiració aeròbia i anaeròbica, i són presents en tots els ambients aquosos.

Rhodospirillales, que inclou també bacteris porpra no-sofre (Rhodospirillum) amb àmplies capacitats metabòliques i forma d’espiral. També ho són els bacteris acètics (Acetobacter, Gluconobacter, GluconacetobacterKomagataeibacter i altres), bacils aerobis ben coneguts pel metabolisme oxidatiu respiratori, oxidant sucres i etanol a àcid acètic, produint els vinagres. També ho és Magnetospirillum, microaeròfil de forma espiral, que conté els magnetosomes, orgànuls amb magnetita (Fe3O4), que els permeten orientar-se amb el camp geomagnètic.

Caulobacterales, com Caulobacter, de forma corbada i oligotròfics d’aigua dolça. Tenen un característic cicle cel·lular amb dues formes diferenciades: una amb peduncle adherit a un substrat, que en dividir-se asimètricament genera una forma lliure flagel·lar que acaba passant a forma pedunculada.

Magnetococcales, amb Magnetococcus, cocs marins amb característiques similars a Magnetospirillum, inclosos els magnetosomes.

Rhizobiales, amb Rhizobium, els ben coneguts fixadors de N2 endosimbionts als nòduls radiculars de les lleguminoses. Del mateix ordre són: Agrobacterium, causant de tumors en plantes per transferència del seu DNA, i per això molt utilitzat en enginyeria genètica (A. tumefaciens); Rhodopseudomonas, un altre bacteri porpra fotosintètic no-sofre d’aigües i sòls; Brucella, cocobacils petits patògens d’humans i altres animals; i Nitrobacter, bacils aerobis quimiolitòtrofs nitrificants, oxidant nitrit a nitrat.

Ricketssiales, són endosimbionts obligats de cèl·lules eucariotes, molts patògens, com Rickettsia, patogen humà pleomòrfic (cocs, bacils, etc.) transmès per artròpodes, i Wolbachia, que infecta moltíssims artròpodes i nematodes. Com he senyalat a la Figura 4, la relació filogenètica suggereix que els mitocondris (endosimbionts) es van desenvolupar a partir d’aquest grup.

Sphingomonadales, com Sphingomonas, bacils aerobis estrictes, amb glicoesfingolípids a membrana externa, enlloc dels lipopolisacàrids dels altres gramnegatius, i amb típiques colònies grogues. Presents a molts diversos ambients, on sobreviuen amb baixes concentracions de nutrients i una versàtil capacitat de biodegradar compostos, inclosos aromàtics i altres tòxics. Per això són usats per a bioremediació, i els seus polímers extracel·lulars (esfingans) són aprofitats a la indústria alimentària. Zymomonas són bacils anaerobis facultatius, amb la característica única entre bacteris de fer fermentació alcohòlica, al pulque mexicà o al vi de palma africà, degradant els sucres a piruvat mitjançant la via Entner-Doudoroff.

20. Betaproteobacteria

Fílum divers, de grups aerobis o facultatius, de formes variades, amb versatilitat metabòlica, tant heteròtrofs com quimiolitòtrofs, i alguns fotòtrofs. Els principals ordres són:

Burkholderiales, la majoria són bacils aerobis mòbils: Burkholderia i Bordetella, patògens d’humans i altres animals; Ralstonia i Achromobacter són corrents als sòls i patògens oportunistes; Alcaligenes també són patògens oportunistes, i alguns produeixen el biopolímer polihidroxibutirat; Oxalobacter excepcionalment és anaeròbic, es troba a la microbiota humana i al rumen dels remugadors, on degrada l’oxàlic, beneficiant a l’hoste, per una fermentació peculiar amb ATPasa; Sphaerotilus natans són filamentosos (fins a 0,5 mm) embeinats heteròtrofs aerobis, presents en aigües contaminades i que impedeixen floculació de fangs actius; Acidovorax, conegut patogen de cultius de cucurbitàcies (carbassa, carbassó, cogombre, síndria, etc.); Ideonella sakaiensis és degradador del plàstic PET (vegeu meu post sobre bacteris que mengen plàstic).

Neisseriales, diplococs aeròbics no mòbils, colonitzen les mucoses de molts animals sense causar danys, i només dos espècies són patògens humans: Neisseria meningitidis i N. gonorrhoeae.

Nitrosomonadales, ordre divers amb uns quants quimiolitòtrofs aerobis bacils, com Nitrosomonas, el més conegut dels nitrificants, que oxida amoni a nitrit, o Thiobacillus, els coneguts bacteris oxidadors de sofre (incolors) i de Fe2+, i Gallionella, bacil helicoïdal i filamentós també oxidador de ferro però microaeròfil. Methylophilus són dels diversos organismes (bacteris i fongs) metilòtrofs, que utilitzen com a substrat compostos C1, com metanol, metà, per tant són beneficiosos al medi ambient. Spirillum són microaeròfils heteròtrofs en forma d’espiral, presents en aigües dolces amb matèria orgànica.

Rhodocyclales, en destaca Zoogloea, bacils aeròbics mòbils que són rellevants als tractaments aerobis d’aigües residuals, on degraden matèria orgànica i ajuden a formar els flocs que sedimenten als fangs actius.

21. Gammaproteobacteria

L’últim gran fílum de Proteobacteria, gramnegatius amb membrana externa a la paret cel·lular, inclou molts grups importants científicament, mèdicament i ambientalment, amb aquests ordres principals:

Xanthomonadales, bacils aerobis, la majoria són fitopatògens com espècies de Xanthomonas que afecten els cultius de cítrics, tomàquets, arròs i altres, i Xylella a la vinya. Alguns són patògens oportunistes dels humans.

Chromatiales, són els bacteris porpra de sofre (Chromatium, Thiocapsa), que fan la fotosíntesi anoxigènica a partir de sulfurs o tiosulfat, produint sofre. Tenen membranes internes amb bacterioclorofil·la i carotens. Són presents a les zones anòxiques de llacs i altres hàbitats aquàtics com les zones intermareals.

Methylococcales, com Methylococcus, són un altre gran grup de metilòtrofs, que utilitzen metà com a font d’energia i de C, i que és oxidat a formaldehid, que s’assimila pel cicle de ribulosa monofosfat, en membranes internes en forma de discs perpendiculars a la paret cel·lular.

Thiotricales, són sobretot quimiolitòtrofs, amb formes de cocs agrupats en filaments, que acumulen grànuls de sofre. Beggiatoa viu en aigües que contenen H2S, i l’oxida a sofre, però també és heteròtrof. Thiomargarita namibiensis, trobat en sediments marins, és el bacteri més gran mai trobat, fins a 0,7 mm de diàmetre, i acumula S al periplasma i nitrat en vacuoles, ja que també és nitrificant.

Legionellales, amb Legionella, bacils pleomòrfics aerobis, coneguts patògens causants de pneumònia (legionel·losi) i altres malalties respiratòries. La majoria d’infeccions estan relacionades amb torres de refrigeració mal mantingudes.

Oceanospirillales són un grup divers metabòlicament però tots prefereixen o els cal un alt contingut en sal, com Halomonas, bacils aerobis mòbils.

Pseudomonodales inclou molts bacils o cocobacils mòbils (flagel·lació polar) heteròtrofs aerobis estrictes i oxidasa positius. Pseudomonas és un dels gèneres bacterians més ubics a molts hàbitats terrestres i aquàtics, amb alguns patògens de plantes i altres oportunistes dels humans, i força malbaratadors d’aliments. Alguns (P. syringae) faciliten la nucleació de cristalls de gel donant lloc a la congelació de teixits vegetals o la condensació de núvols o la formació de neu artificial (vegeu meu post). D’altra banda, la seva gran i diversa capacitat catabòlica aeròbica fa que siguin útils per a depuració d’aigües residuals i bioremediació d’hidrocarburs i altres compostos orgànics complexos. Azotobacter són cocs o de forma oval, mòbils, que formen cists de paret gruixuda i força llim extracel·lular, de vida lliure als sòls, amb un paper rellevant al cicle del N com a fixadors de N2. Acinetobacter són també comuns als sòls, on mineralitzen compostos aromàtics, i alguns són patògens oportunistes sobretot als hospitals. Moraxella són semblants, comensals de mucoses d’animals però també alguns patògens.

Aeromonadales, com Aeromonas, bacils anaerobis facultatius, semblants morfològicament als Enterobacterales, són presents en ambients aquosos, i causa freqüent de gastroenteritis i altres infeccions per ingestió d’aigües o menjar contaminat.

Vibrionales, són vibrions o cocobacils anaerobis facultatius mòbils, presents en medis aquosos, entre els quals hi ha força patògens d’humans, com Vibrio cholerae, i d’altres animals, sobretot peixos. Tanmateix també inclou la majoria de bacteris bioluminiscents: Photobacterium, Aliivibrio i molts Vibrio, d’ambients marins, molts simbiòtics de peixos i altres animals. La llum produïda (490 nm, color cian, blau-verd) ho és per cromòfors lux-flavina lligats a luciferasa, amb oxigen i una cascada de reaccions reductores d’àcids grassos.

Pasteurellales , són bacils o pleomòrfics, sense flagels, anaerobis facultatius i oxidasa positius (a diferència dels Enterobacterales), comensals de superfícies mucoses d’aus i mamífers, alguns patogens. Pasteurella són pleomòrfics i patògens zoonòtics. Molts Haemophilus són patògens humans i H. influenzae fou el primer organisme amb genoma seqüenciat, pel grup de Craig Venter el 1995.

Enterobacterales, inclou la majoria dels gramnegatius amb membrana externa més coneguts, alguns d’ells patògens. Destaquen els anomenats enterobacteris, família Enterobacteriaceae, entre els quals hi ha simbionts i patògens, sobretot a l’intestí dels animals. Són anaerobis facultatius, fan fermentació àcido-mixta i altres metabolismes, no tenen citocrom c oxidasa, i la majoria són bacils o cocobacils mòbils amb flagel·lació peritrica. Hi destaquen Escherichia coli, segurament el bacteri més conegut i organisme model del coneixement bioquímic, genètic i molecular. Alguns E. coli són patògens, altres oportunistes, molts comensals, i alguns fins i tot beneficiosos membres de la microbiota intestinal, utilitzats com a probiòtics. També són Enterobacteriaceae: Salmonella, patogen intracel·lular de molts animals per endotoxines, causant als humans de febres tifoides, infeccions de transmissió alimentària i altres patogènies; Shigella, patogen d’humans i altres primats, també amb endotoxines, és dels principals causants de diarrees; Yersinia pestis, cocobacil patogen ben conegut per les epidèmies; Klebsiella és ubic a molts ambients, comensal habitual de mucoses i intestí d’humans; Enterobacter són coliformes fecals termotolerants (creix a 44,5ºC), patògens oportunistes i alguns són útils en productes lactis; Citrobacter poden utilitzar citrat com a única font de C, també són ubics a molts ambients, i majoria no són patògens

Del mateix ordre Enterobacterales però d’altres famílies són: Erwinia, patogen de plantes; Hafnia, comensal del tracte gastrointestinal humà, usat com a ferment làctic, i possible probiòtic; Proteus, patogen oportunista; i finalment, Thorsellia, present a microbiota intestinal del mosquit Anopheles, que podria utilitzar-se modificat genèticament contra el mosquit i així prevenir transmissió de malària.

LLISTAT alfabètic de 147 GÈNERES bacterians, amb els Fílums corresponents

(enllaç clicant al fílum)

Aquest no és un llistat fix i estàtic: si us plau, si noteu a faltar algun altre gènere que considereu important, m’ho dieu i l’incorporaré.

Gènere Fílum
Acetobacter 19. Alphaproteobacteria
Achromobacter 20. Betaproteobacteria
Acidobacterium 13. Acidobacteria
Acidovorax 20. Betaproteobacteria
Acinetobacter 21. Gammaproteobacteria
Actinomyces 8. Actinobacteria
Aerococcus 5. Firmicutes
Aeromonas 21. Gammaproteobacteria
Agrobacterium 19. Alphaproteobacteria
Akkermansia 12a. Verrucomicrobia
Alcaligenes 20. Betaproteobacteria
Allivibrio 21. Gammaproteobacteria
Anabaena 4. Cyanobacteria
Aquifex 1. Aquificae
Arcobacter 18. Epsilonproteobacteria
Arthrobacter 8. Actinobacteria
Azotobacter 21. Gammaproteobacteria
Bacillus 5. Firmicutes
Bacteroides 10b. Bacteroidetes
Bdellovibrio 16. Oligoflexia
Beggiatoa 21. Gammaproteobacteria
Bifidobacterium 8. Actinobacteria
Bordetella 20. Betaproteobacteria
Borrelia 17. Spirochaetes
Brevibacterium 8. Actinobacteria
Brevibacterium 8. Actinobacteria
Brocardia 11. Planctomycetes
Brucella 19. Alphaproteobacteria
Burkholderia 20. Betaproteobacteria
Campylobacter 18. Epsilonproteobacteria
Carnobacterium 5. Firmicutes
Caulobacter 19. Alphaproteobacteria
Cellulomonas 8. Actinobacteria
Chlamydia 12b. Chlamydiae
Chlorobium 10a. Chlorobi
Chloroflexus 7. Chloroflexi
Christensenella 5. Firmicutes
Chromatium 21. Gammaproteobacteria
Chroococcus 4. Cyanobacteria
Citrobacter 21. Gammaproteobacteria
Clostridium 5. Firmicutes
Coprococcus 5. Firmicutes
Corynebacterium 8. Actinobacteria
Cutibacterium 8. Actinobacteria
Deinococcus 3. Deinococcus – Thermus
Desulfobacter 15a. Deltaproteobacteria
Desulphovibrio 15a. Deltaproteobacteria
Enterobacter 21. Gammaproteobacteria
Enterococcus 5. Firmicutes
Erwinia 21. Gammaproteobacteria
Escherichia 21. Gammaproteobacteria
Eubacterium 5. Firmicutes
Faecalibacterium 5. Firmicutes
Fibrobacter 9. Fibrobacteres
Flavobacterium 10b. Bacteroidetes
Frankia 8. Actinobacteria
Fructobacillus 5. Firmicutes
Gallionella 20. Betaproteobacteria
Geobacter 15a. Deltaproteobacteria
Geothermobacterium 15b. Thermodesulfobacteria
Geothrix 13. Acidobacteria
Gluconacetobacter 19. Alphaproteobacteria
Gluconobacter 19. Alphaproteobacteria
Haemophilus 21. Gammaproteobacteria
Hafnia 21. Gammaproteobacteria
Halomonas 21. Gammaproteobacteria
Helicobacter 18. Epsilonproteobacteria
Heliobacteria 5. Firmicutes
Holophaga 13. Acidobacteria
Hydrogenobacter 1. Aquificae
Ideonella 20. Betaproteobacteria
Klebsiella 21. Gammaproteobacteria
Komagataeibacter 19. Alphaproteobacteria
Lactobacillus 5. Firmicutes
Lactococcus 5. Firmicutes
Legionella 21. Gammaproteobacteria
Leptospira 17. Spirochaetes
Leuconostoc 5. Firmicutes
Listeria 5. Firmicutes
Magnetococcus 19. Alphaproteobacteria
Magnetospirillum 19. Alphaproteobacteria
Methylococcus 21. Gammaproteobacteria
Methylophilus 20. Betaproteobacteria
Micrococcus 8. Actinobacteria
Moraxella 21. Gammaproteobacteria
Mycobacterium 8. Actinobacteria
Mycoplasma 6. Tenericutes
Myxococcus 15a. Deltaproteobacteria
Neisseria 20. Betaproteobacteria
Nitrosomonas 20. Betaproteobacteria
Nitrobacter 19. Alphaproteobacteria
Nitrospira 14. Nitrospirae
Nocardia 8. Actinobacteria
Nostoc 4. Cyanobacteria
Oenococcus 5. Firmicutes
Oscillatoria 4. Cyanobacteria
Oxalobacter 20. Betaproteobacteria
Paenibacillus 5. Firmicutes
Pasteurella 21. Gammaproteobacteria
Pediococcus 5. Firmicutes
Phascolarctobacterium 5. Firmicutes
Photobacterium 21. Gammaproteobacteria
Planctomyces 11. Planctomycetes
Pleurocapsa 4. Cyanobacteria
Prevotella 10b. Bacteroidetes
Propionibacterium 8. Actinobacteria
Proteus 21. Gammaproteobacteria
Pseudomonas 21. Gammaproteobacteria
Ralstonia 20. Betaproteobacteria
Rhizobium 19. Alphaproteobacteria
Rhodobacter 19. Alphaproteobacteria
Rhodopseudomonas 19. Alphaproteobacteria
Rhodospirillum 19. Alphaproteobacteria
Rickettsia 19. Alphaproteobacteria
Ruminococcus 5. Firmicutes
Salmonella 21. Gammaproteobacteria
Selenomonas 5. Firmicutes
Shigella 21. Gammaproteobacteria
Sorangium 15a. Deltaproteobacteria
Sphaerothilus 20. Betaproteobacteria
Sphingomonas 19. Alphaproteobacteria
Spirillum 20. Betaproteobacteria
Spirochaeta 17. Spirochaetes
Spirulina 4. Cyanobacteria
Staphylococcus 5. Firmicutes
Streptococcus 5. Firmicutes
Streptomyces 8. Actinobacteria
Sulfurimonas 18. Epsilonproteobacteria
Synechococcus 4. Cyanobacteria
Thermodesulfobacterium 15b. Thermodesulfobacteria
Thermomicrobium 7. Chloroflexi
Thermotoga 2. Thermotogae
Thermus 3. Deinococcus – Thermus
Thiobacillus 20. Betaproteobacteria
Thiocapsa 21. Gammaproteobacteria
Thiomargarita 21. Gammaproteobacteria
Thorsellia 21. Gammaproteobacteria
Treponema 17. Spirochaetes
Veillonella 5. Firmicutes
Vibrio 21. Gammaproteobacteria
Weissella 5. Firmicutes
Wolbachia 19. Alphaproteobacteria
Xanthomonas 21. Gammaproteobacteria
Xylella 21. Gammaproteobacteria
Yersinia 21. Gammaproteobacteria
Zoogloea 20. Betaproteobacteria
Zymomonas 19. Alphaproteobacteria

Bibliografia

Bacterial phyla, Wikipedia

Bacterial taxonomy, Wikipedia

Cavalier-Smith T (1993) Kingdom protozoa and its 18 phyla. Microbiol Reviews 57, 953-94

Hug LA et al. (2016) A new view of the tree of life. Nat Microbiol. 1, 16048

Lang JM, Darling AE, Eisen JA (2013) Phylogeny of bacterial and archaeal genomes using conserved genes: Supertrees and supermatrices. PLoS ONE 8(4): e62510

Lengeler JW, Drews G, Schlegel HG (1999) Biology of the Prokaryotes. Blackwell Science.

Madigan M, Bender KS, Buckley DH, Sattley WM, Stahl DA (2017) Brock Biology of Microorganisms, 15th ed. Pearson.

MicrobeWiki: https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/MicrobeWiki

NCBI, National Center for Biotechnology Information: https://www.ncbi.nlm.nih.gov

Parte AC (2014) LPSN – list of prokaryotic names with standing in nomenclature. Nucleic Acids Research 42, D1, D613-D616.

SCB, Societat Catalana de Biologia, IEC (2009-210). Els plurals d’alguns mots acabats en –us o en –um. Què cal saber, n. 210.

SCB, Societat Catalana de Biologia, IEC (2009-216). La denominació dels arqueus. Què cal saber, n. 216.

Stackebrandt E, Murray RGE, Trüper HG (1988) Proteobacteria classis nov., a name for the phylogenetic taxon that includes the “Purple bacteria and their relatives”. Int J Syst Bact 38, 321-325

Tortora GJ, Funke BR, Case CL, Weber D, Bair W. (2018) Microbiology: an Introduction. 13th ed. Pearson.

Whitman WB, ed. (2015) Bergey’s manual of systematics of archaea and bacteria. ISBN 9781118960608.

Whittaker RH (1969) New concepts of Kingdoms of organisms. Science 163, 150-160.

Wiley J, Sherwood L, Woolverton CJ (2017) Prescott’s Microbiology, 10th ed. McGraw Hill Education.

Woese CR (1987). Bacterial evolution. Microbiological Reviews 51(2): 221–71

Bacteris que “mengen” plàstic

27 novembre 2018

Click here for the English version: Plastic-eating bacteria

Oceans de plàstic

Els humans estem destrossant el planeta Terra. A banda del canvi climàtic (que encara hi han ignorants que no s’ho creuen), l’exhauriment dels recursos naturals i l’extinció massiva d’espècies animals i vegetals, un dels efectes més “vistosos” és el cobriment del planeta amb deixalles. Com que el 71% de la superfície és marina, la majoria dels residus que no es degraden acaben al mar, i com sabeu, als oceans ja hi ha grans extensions cobertes de residus surants, sobretot plàstics, anomenades “illes de plàstic” (Figura 1). En el cas de la zona centre nord del Pacífic, on conflueixen diferents corrents marines, la “illa” arriba a fer 1500 km de radi, i amb plàstics fins a 200 m de fondària, i segueix creixent. Podeu llegir-ne més, i sobre les conseqüències ambientals, a l’article Sopa de plàstic del Pacífic de la Wikipedia.

F1 great-pacific-garbage-patch

Figura 1. Petita part de la illa de plàstic del Pacífic nord (Tret de oceanandreserveconservationalliance.com)

 

Els plàstics PET

Encara que hi molts tipus de plàstics, un dels més utilitzats i més abundant a les deixalles i a les “illes de plàstic” és el politereftalat d’etilè (o polietilè terfetalat), conegut com a PETo PETE (Figura 2). És un tipus de polímer termoplàstic, vulgarment plàstic, que pertany als denominats polièsters, i s’obté per síntesi a partir del petroli. És innocu, molt resistent i lleuger i té múltiples aplicacions (Figura 3). Només d’ampolles de PET per a begudes refrescants es calcula que se’n venen al món 1 milió per minut. És un material reciclable (vegeu Pet bottle recycling a Wikipedia) però molt resistent a la biodegradació. A la natura pot durar alguns centenars d’anys.

F2 PET molecular structure

Figura 2. El PET, politereftalat d’etilè.

 

F3 pet uses www.technologystudent.com

Figura 3. Les múltiples aplicacions del PET (Tret de http://www.technologystudent.com).

 

El bacteri Ideonella sakaiensis es “menja” el PET

I. sakaiensis (Figura 4) és un bacteri en forma de bacil, gram-negatiu no esporulat aeròbic heteròtrof, mòbil amb un flagel, i catalasa (+) i oxidasa (+) (Tanasupawat et al 2016). Creix a pHs neutres i és mesòfil, amb òptim a 30-37ºC. Pertany al grup filogenètic dels betaproteobacteris, que inclou entre molts altres als coneguts Neisseria (gonorrea i meningitis) i el nitrificant Nitrosomonas.

F4 Ideonella-sakaiensis falsecolorSEM Yoshida S

Figura 4. Ideonella sakaiensis, imatge al microscopi electrònic de rastreig en fals color (Treta de Yoshida et al 2016).

 

La soca201-F6, la primera de la nova espècie I. sakaiensis, fou aïllada d’un abocador i identificada el 2016 per un grup japonès de l’Institut de Tecnologia de Kyoto que cercaven bacteris que utilitzessin el plàstic com a font de carboni, a partir de mostres de restes d’ampolles de PET (Yoshida et al 2016). Van veure que aquest bacteri s’adhereix a un film de PET de baix grau i el pot degradar, mitjançant dos enzims que van caracteritzar: una PETasa i una MHETasa, que acaben donant com a productes àcid tereftàlic i etilenglicol (Figura 5), que són substàncies ambientals benignes i que el bacteri pot metabolitzar. Una colònia de I. sakaiensis va degradar del tot una ampolla de PET de baix grau en 6 setmanes. Els productes PET d’alt grau requereixen ser escalfats per afeblir-los abans que el bacteri pugui degradar-los. Aquest és el primer bacteri trobat com a degradador de PET, i l’utilitza com a única font de carboni i d’energia. Donat que el PET només existeix des de fa 70 anys, aquest bacteri hauria d’haver evolucionat en aquest breu període fins arribar a poder-lo degradar en poques setmanes, enlloc dels centenars d’anys a la natura (Sampedro 2016).

F5 Yoshida fig 3 right

Figura 5. Ruta metabòlica prevista de la degradació de PET per I. sakaiensis: la PETasa extracel·lular hidrolitza el PET donant monohidroxietil tereftàlic (MHET) i l’àcid tereftàlic (TPA). La MHETasa hidrolitza el MHET a TPA i etilenglicol (EG). El TPA és incorporat mitjançant un transportador de TPA (TPATP) i és catabolitzat a ciclohexadiè i aquest a protocatecuïc (PCA) per la DCDDH. Finalment, l’anell del PCA és tallat per una PCA 3,4 dioxigenasa amb oxigen, com és conegut a la degradació dels compostos fenòlics i altres xenobiòtics. Els n. entre parèntesis són els ORF dels gens corresponents (Tret de Yoshida et al 2016).

 

Només es coneixien prèviament alguns microfongs tropicals (Fusarium solani) degradadors del PET, que també excreten esterases. En aquest cas, aquests Fusarium serien utilitzats per modificar el teixit de polièster, per aconseguir teixits més hidrofílics i més fàcils de treballar (Nimchua et al 2008). Cal recordar l’assemblança estructural dels teixits de PET, roba de fibra sintètica (Figura 3), als de fibra natural com el cotó, ja que aquests contenen cutina, que és un polièster de les parts externes de les plantes. Per tant, els enzims de Fusarium o Ideonella deuen ser relativament semblants als que ja hi eren a la natura molt abans d’inventar-se els plàstics.

 

Recent millora genètica de l’enzim PETasa de Ideonella sakaiensis

Per tal d’entendre millor el funcionament i l’especificitat de la PETasa, recentment un grup d’investigadors nord-americans i britànics han caracteritzat l’estructura de la PETasa (Austin et al 2018), sobretot per cristal·lografia de raigs X d’alta resolució, comparant-la amb una cutinasa homòloga, obtinguda de l’actinobacteri Thermobifida fusca. Les principals diferències entre les dues han estat una major polarització en la superfície de la PETasa (pI 9.6) que en la cutinasa (pI 6.3), i per altra banda, com veiem (Figura 6), una amplada més gran de la fissura del lloc actiu en el cas de la PETasa de I. sakaiensis. Això podria ser per acomodar-hi més fàcilment els polièsters aromàtics com el PET.

F6 austin fig 2 modif

Figura 6. Estructures comparades (esquerra) de la PETasa de I. sakaiensis (dalt) i de la cutinasa de l’actinobacteri Thermobifida fusca (baix), obtingudes per cristal·lografia de raigs X d’alta resolució (0.92 Å). La fissura del lloc actiu està senyalada amb un cercle puntejat vermell. Detalls (dreta) del lloc actiu amb diferents amplades de la fissura a la PETasa de I. sakaiensis (dalt) i de la cutinasa de T. fusca (baix) (Tret de Austin et al 2018).

 

Amb la hipòtesi que l’estructura d’aquest lloc actiu de la PETasa hauria resultat de l’evolució d’una semblant a la cutinasa en un ambient amb PET, Austin et al (2018) van procedir a fer mutacions en el lloc actiu de la PETasa per fer-lo més semblant al de la cutinasa i van obtenir un doble mutant S238F/W159H que teòricament faria més estreta l’entrada del lloc actiu (Figura 6). Però la seva sorpresa va ser majúscula quan van veure que el mutant degradava millor el PET (una millora del 20%), amb una erosió del film de PET (Figura 7 C) encara més gran que la PETasa original (Figura 7 B). Van veure que l’explicació era que els canvis de residus (aminoàcids) del mutant afavorien l’encaix del PET al lloc actiu, malgrat fer-ne la fissura més estreta (Austin et al 2018).

F7 austin fig 3 modif

Figura 7. Imatges de microscòpia electrònica de rastreig d’un retall de PET sense microorganismes (A), amb incubació 96 h de la PETasa de la soca I. sakaiensis 201-F6 (B) i de la PETasa del doble mutant S238F/W159H (C) (Tret de Austin et al 2018).

 

A més, aquests autors han vist que aquesta PETasa degrada també altres polièsters semiaromàtics semblants, com el poletilè-2,5-furandicarboxilat (PEF), i per tant aquest enzim pot ser considerat una poliesterasa aromàtica, però no degrada els alifàtics.

La conclusió del seu treball és que l’enginyeria de proteïnes és factible per millorar el rendiment de la PETasa i que cal seguir aprofundint en el coneixement de les relacions entre estructura i activitat per a la biodegradació dels polièsters sintètics (Austin et al 2018).

 

Altres menja-plàstics ?

La descoberta de I. sakaiensis ha tingut molta importància per la possibilitat d’establir un procés de reciclat ràpid del PET, però no és el primer organisme que s’hagi trobat com a consumidor de plàstics. Per cert, veiem les fórmules dels principals plàstics derivats del petroli a la Figura 8.

F8 Shah 2008 Fig 1

Figura 8. Fórmules dels plàstics derivats del petroli més usuals: polietilè (PE), clorur de polivinil (PVC), polipropilè (PP), poliestirè (PS), politereftalat d’etilè (PET o PETE) i poliuretà (PU) (Tret de Shah et al 2008).

 

Doncs bé, repassant la bibliografia, veiem que s’han descrit força casos de microorganismes degradadors de plàstics (Shah et al 2008), sobretot de polietilè, poliuretà i PVC: diversos PseudomonasRhodococcus i Comamonas entre els bacteris, i alguns Penicillium, Fusarium i Aspergillus entre els fongs.

Entre els degradadors de poliuretà destaquen els fongs (Howard 2002), i sobretot l’endòfit de plantes Pestalotiopsis microspora, que pot consumir poliuretà com a única font de carboni (Russell et al 2011).

D’altra banda, és força coneguda la capacitat dels cucs o larves dels escarabats de la farina, els Tenebrio molitor, per mastegar i degradar l’espuma de poliestirè (Yang et al 2015). Alimentades només amb el PS, aquestes larves el degraden completament en uns temps relativament curts. La degradació del PS, com era d’esperar, la fan els bacteris intestinals de l’animal (Figura 9), com s’ha demostrat en aturar-se la degradació quan s’administra antibiòtic a la larva (Yang et al 2015). Un dels bacteris aïllats que s’ha demostrat degradador del PS és Exiguobacterium, un bacil·lal, però no és l’únic. De fet, en fer estudis de metagenòmica de l’intestí de les larves quan mengen PS, s’ha trobat una gran varietat de bacteris, i que aquests varien en funció del plàstic, ja que també s’ha vist la degradació de polietilè. Alguns dels bacteris amb DNA trobat com a predominant serien els enterobacteris Citrobacter i Kosakonia. Sembla que la microbiota intestinal de Tenebrio es modifica i adapta als diferents plàstics ingerits (Brandon et al 2018).

F9 fig Abs Yang 2015 2

Figura 9. Biodegradació del poliestirè pels bacteris intestinals de Tenebrio, el cuc de la farina (Yang et al 2015).

 

Per acabar, com veiem la biodegradació microbiana de plàstics en principi no biodegradables o recalcitrants no ens hauria d’estranyar, ja que per un costat, hi ha “plàstics” naturals com el polihidroxibutirat o l’àcid polilàctic que són fàcilment degradables (Shah et al 2008), i d’altra banda la capacitat adaptativa dels microorganismes per poder arribar a trencar els enllaços químics més recalcitrants és molt gran. Els microbis evolucionen ràpidament, i adquireixen estratègies millors per poder trencar els plàstics fets pels humans (Patel 2018). Ho hem vist en aquest cas de la degradació del PET, que en menys de 70 anys que fa que existeix, alguns microbis ja han trobat la manera d’aprofitar-lo.

El problema segueix sent que estem generant massa quantitat de residus plàstics en molt poc temps i els microorganismes no han tingut temps encara per poder degradar-los. És evident que haurem d’ajudar als nostres companys microbis, no generant més polímers tan poc degradables, i reciclant-los i degradant-los, entre altres maneres, utilitzant aquests mateixos microbis degradadors.

 

Bibliografia

Austin HP et al (2018) Characterization and engineering of a plastic-degrading aromatic polyesterase. Proc Nat Acad Sci 115, 19, E4350-E4357

Brandon AM et al (2018) Biodegradation of Polyethylene and Plastic Mixtures in Mealworms (Larvae of Tenebrio molitor) and Effects on the Gut Microbiome.Environ Sci Technol 52, 6526-6533

Griggs MB (2017 april 24) These caterpillars chow down on plastic bags. Popular Science. http://www.popsci.com

Howard GT (2002) Biodegradation of polyurethane: a review. Int Biodeterior Biodegrad 42, 213-220

https://en.wikipedia.org/wiki/Great_Pacific_garbage_patch

https://en.wikipedia.org/wiki/PET_bottle_recycling

https://en.wikipedia.org/wiki/Polyethylene_terephthalate

Patel NV (2018 april 17) Scientists stumbled upon a plastic-eating bacterium – then accidentally made it stronger. Popular Science. http://www.popsci.com

Russell JR et al (2011) Biodegradation of polyester polyurethane by endophytic fungi. Appl Environ Microbiol 77, 17, 6076-6084

Sampedro J (2016 marzo 10) Descubierta una bacteria capaz de comerse un plástico muy común. El País

Shah AA et al (2008) Biological degradation of plastics: a comprehensive review. Biotechnol Adv 26, 246-265

Tanasupawat et al (2016) Ideonella sakaiensis sp. nov., isolated from a microbial consortium that degrades poly(ethylene terephtalate). Int J Syst Evol Microbiol 66, 2813-2818

Yang et al (2015) Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating mealworms: Part 2. Role of gut microorganisms. Environ Sci Technol 49, 12087-12093

Yoshida et al (2016) A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science 351,1196–1199

 

 

 

El panda gegant és herbívor però té una microbiota intestinal de carnívor

Click here for the english version: The giant panda is herbivore but has the gut microbiota of a carnivore

26 agost 2015

El panda gegant (Ailuropoda melanoleuca, literalment en grec “peu de gat negre i blanc”) és una de les espècies de mamífers més intrigants evolutivament. Malgrat la seva dieta exclusivament herbívora, filogenèticament és com un ós, ja que és de la família Úrsids, dins l’ordre Carnívors. La seva dieta és 99% de bambú i l’altre 1% és mel, ous, peix, taronges, plàtans, nyams i fulles d’arbusts.

Viu en algunes serralades de la Xina central, principalment a la província de Sichuan, i també a les províncies de Shaanxi i Gansu. Degut a la construcció de granges, desforestació i altres desenvolupaments, el panda ha estat foragitat de les terres baixes on havia viscut. És una espècie en perill d’extinció que necessita protecció. Hi han uns 300 en captivitat i uns 3000 en llibertat. Malgrat que els nombres estan augmentant, segueix en perill d’extinció, sobretot pel seu espai limitat (uns 20.000 km2) i l’hàbitat molt específic (boscos de bambú).

Fig0 panda bamboo

Així doncs, el panda gegant té una dieta quasi exclusiva de diferents espècies de bambú, sobretot de fulles i tiges, molt fibroses, i els brots tendres a la primavera i estiu. És per tant una dieta de poca qualitat digestiva, amb poca proteïna i molta fibra i contingut de lignina. Es passen unes 14 h al dia menjant, i poden arribar a ingerir uns 12 kg de bambú al dia.

La majoria d’herbívors tenen modificacions del tracte digestiu que ajuden a la retenció de l’aliment en procés de digestió, i contenen poblacions microbianes que els permeten utilitzar com a menja exclusiva els materials vegetals rics en polisacàrids complexos, com la cel·lulosa i hemicel·lulosa. Aquestes especialitzacions poden ser la compartimentació de l’estómac, típica dels remugants i altres no remugants (cangurs, hàmster, hipopòtams i alguns primats) o bé l’engrandiment de l’intestí gros, característic dels èquids, alguns rosegadors i els lagomorfs (conills i llebres).

En canvi, i malgrat el seu règim exclusivament herbívor, sorprenentment el panda gegant té un tracte gastrointestinal típic dels carnívors, anatòmicament similar als del gos, el gat o l’ós rentador, amb un estómac simple, té el cec degenerat i el còlon és molt curt. El tracte gastrointestinal dels pandes és unes 4 vegades la mida del cós, com altres carnívors, mentre que als herbívors és unes 10-20 vegades el cós, per tal de digerir eficientment grans quantitats de farratge. Amb això, el temps del trànsit intestinal del panda és molt curt, menys de 12 h. Tot això limita molt la capacitat de possibilitats fermentatives dels materials vegetals (Williams et al. 2013).

Per aquests motius, la digestió del bambú per al panda és molt ineficient, malgrat la seva dependència. Els pandes consumeixen l’equivalent al 6% del seu pes corporal per dia, amb una digestibilitat de la matèria seca del bambú del 20%. D’aquest, un 10% correspon a la poca proteïna que conté el bambú, i la resta és dels polisacàrids, en concret amb uns coeficients de digestió del 27% per a les hemicel·luloses i del 8% per a la cel·lulosa.

Sembla com si el panda gegant s’hagués especialitzat en el consum d’una planta amb alt contingut en fibra, sense haver modificat l’aparell digestiu, a base d’una masticació eficient, ingerint-ne grans quantitats, digerint els continguts cel·lulars enlloc de les parets cel·lulars vegetals, i excretant ràpidament els residus no digerits (Dierenfield et al. 1982).

A més a més, tenir una dependència d’un sol tipus de planta com és el bambú pot comportar mancances nutricionals segons els cicles estacionals de la planta. En aquest sentit, recentment (Nie et al. 2015) s’han estudiat les concentracions de calci, fòsfor i nitrogen de les diferents parts del bambú que mengen una població de pandes lliures. Han vist que els pandes dins del seu hàbitat fan una migració estacional en dues zones de diferent alçada al llarg de l’any i que s’alimenten de dues espècies diferents de bambú. Ambdues espècies tenen més calci a les fulles i més fòsfor i nitrogen a les tiges. Com que la variació estacional d’aparició i caiguda de fulles de les 2 espècies és diferent a causa de la diferent alçada, quan els pandes són en una de les zones mengen les fulles d’una de les espècies i les tiges de l’altre, mentre que ho fan al revés quan són a l’altra zona. O sigui, que els pandes sincronitzen les seves migracions estacionals per tal de treure’n el màxim rendiment nutricional d’ambdues especies de bambú.

Un altre inconvenient de la dependència del bambú és la seva floració. És un fenomen natural que passa cada 40-100 anys, i quan el bambú floreix, es mor, reduint la disponibilitat de menjar per als pandes. Pels anys 1970-1980 hi hagués dues floracions a gran escala a l’hàbitat dels pandes, i hi van haver més de 200 morts per aquesta raó. Tanmateix, i donat que segurament els pandes s’han trobat en la seva evolució amb moltes altres floracions massives, quan s’hi troben cerquen altres espècies de bambú o recorren llargues distàncies per cobrir les seves necessitats alimentàries (Wei et al. 2015).

En compensació, i com a adaptació a aquest menjar tant específic, el panda gegant té una sèrie de característiques morfològiques úniques, com unes fortes mandíbules i molars molt poderosos, i sobretot un pseudo-polze, com si tingués 6 dits, que és l’ós sesamoide radial engrandit, fent com un polze oposable, que li serveix per agafar millor les canyes de bambú (Figura 1).

Fig1 panda's thumb

Figura 1. El pseudo-polze del panda gegant. Imatge treta de Herron & Freeman (2014).


I cóm és que el panda va passar a ser herbívor ?

S’ha estimat que el precursor del panda gegant, omnívor com altres úrsids, va començar a menjar bambú com a mínim fa 7 milions d’anys (Ma), i va esdevenir completament dependent del bambú entre 2 i 2,4 Ma. Aquest canvi de dieta probablement va anar lligat a diverses mutacions al seu genoma, donant lloc a defectes del metabolisme de la dopamina en relació a l’apetència per la carn, i sobretot de la pseudogenització del gen Tas1r1 (Figura 2), del receptor del gust d’umami (Jin et al. 2011). L’umami és un dels 5 gustos bàsics, junt amb el dolç, salat, àcid i amarg, i ve a ser com el gust “saborós”, que normalment recorda la carn, i està relacionat amb el L-glutàmic, abundant a la carn. Aquesta mutació que feia prescindir al panda del gust umami afavorí la pèrdua d’apetit del panda per la carn i reforçà el seu estil de vida herbívor. Tanmateix, probablement altres factors addicionals devien estar implicats, ja que el gen Tas1r1 està intacte en herbívors com el cavall i la vaca (Zhao et al. 2010).

Fig2 Zhao F1 large

Figura 2. Arbre filogenètic d’alguns carnívors amb les dates per al panda gegant deduïdes dels fòssils (en blau) i de l’estudi molecular del gen TasTr1 fet per Zhao et al. (2010).


La microbiota intestinal del panda

Com era d’esperar, en fer la seqüenciació del genoma complet del panda gegant (Li et al. 2010) no s’han trobat gens específics responsables de la digestió de la cel·lulosa i hemicel·luloses. Lògicament, la possible digestió d’aquests polisacàrids complexos de les fibres del bambú aniria a càrrec dels microorganismes cel·lulolítics del tracte intestinal. Cal estudiar per tant si hi són al panda.

En estudiar les seqüències del 16S ribosomal de les microbiotes fecals dels diversos mamífers s’observa en general un augment de la diversitat bacteriana en sentit carnívors – omnívors – herbívors (Ley et al. 2008). Aquesta diversitat és menor en els pandes que als herbívors, i com veiem a la Figura 3, els pandes queden agrupats amb els carnívors (cercles vermells) malgrat ser herbívors del punt de vista de dieta.

Fig3 Ley

Figura 3. Anàlisi de components principals (PC) de les comunitats bacterianes fecals de mamífers amb diferents colors segons la dieta predominant (Ley et al. 2008)


La microbiota intestinal de la majoria dels herbívors conté sobretot bacteris anaerobis dels grups de Bacteroides, Clostridials, Fibrobacterals i Espiroquetals, que tenen les capacitats enzimàtiques per degradar els materials fibrosos vegetals i així proveeixen de nutrients als seus hostes. Al contrari, els omnívors i sobretot els carnívors tenen una microbiota predominant d’anaerobis facultatius, com les Enterobacteriaceae, a banda d’alguns Firmicutes, que inclouen Clostridials i alguns Lactobacil als, i Bacteroides.

En quant al panda gegant, els primers estudis fets amb mètodes tradicionals dependents de cultiu i anàlisi dels gens 16S rRNA amplificats (Wii et al. 2007) van identificar les Enterobacteriaceae i Streptococcus com a predominants en la microbiota intestinal. Per tant, aquest estudi suggeria que la microbiota del panda és molt semblant a la dels carnívors, com veiem en l’estudi comentat comparatiu de diversos mamífers (Ley et al. 2008), i per tant amb molt poca capacitat d’utilitzar cel·lulosa o hemicel·lulosa.

Tanmateix, un estudi posterior fet amb tècniques de seqüenciació del 16S (Zhu et al. 2011) a partir de mostres fecals de 15 pandes gegants va arribar a unes conclusions ben diferents i semblava que van trobar per primer cop proves de la digestió de cel·lulosa per la microbiota del panda gegant. En analitzar 5500 seqüències, van trobar 85 tàxons diferents, dels quals el 83% eren Firmicutes (Figura 4), i entre aquests n’hi havia 13 tàxons de Clostridium (7 d’ells exclusius dels pandes), i alguns d’aquests amb capacitat de digestió de cel·lulosa. A més, amb anàlisi metagenòmica d’alguns dels pandes van trobar alguns gens putatius per a enzims per digerir cel·lulosa, beta-glucosidasa i xilan-1,4-beta-xilosidasa per a aquests Clostridium. Tot plegat, van concloure que la microbiota del panda gegant tenia una moderada capacitat de degradació dels materials cel·lulòsics.

Fig4 Zhu 2011-Fig1C

Figura 4. Percentatges de seqüències dels principals grups bacterians trobats a les mostres fecals d’individus de panda gegant salvatges (W1-W7) i en captivitat (C1-C8) segons Zhu et al. (2011). Sota cada individu s’indica el n. de seqüències analitzades.


Però, tot just fa dos mesos s’ha publicat un treball (Xue et al. 2015) que sembla tornar enrere, concloent que la microbiota intestinal del panda gegant és molt semblant a la dels carnívors i poca cosa té d’herbívora. És un treball exhaustiu de seqüenciació massiva d’última generació del 16S rDNA amb mostres fecals de 121 pandes de diferents edats al llarg de tres estacions de l’any. Han obtingut unes 93000 seqüències, corresponents a 781 tàxons diferents.

Han trobat una predominança de Enterobacteriaceae i de Streptococcus (vermell fosc i blau fosc respectivament, Figura 5 A), i molts pocs representants dels probables cel·lulolítics com els Clostridials. A més, aquests no es veuen augmentats quan hi ha més fulles i tiges de bambú disponibles (fase T3). Aquests resultats es corresponen amb el que ja se sabia del baix nombre de gens de cel·lulases i hemicel·lulases, un 2%, fins i tot menor que al microbioma dels humans. Aquesta negligible contribució de la microbiota a la digestió de la cel·lulosa, junt amb el fet comentat que el panda és força ineficient digerint el bambú, contradiu la hipotètica importància de la digestió per part de la microbiota que s’havia suggerit pocs anys abans, com hem vist abans.

A més, en aquest treball s’ha vist molta varietat de composició de microbiota entre individus (Figura 5 B).

Fig5 Xue F1 large

Figura 5. Composició de la microbiota intestinal de 121 pandes gegants, amb (A) els gèneres dominants a totes les mostres i (B) la contribució relativa dels gèneres dominants a cada individu, agrupats per edat i temps de mostreig (Xue et al. 2015).


En aquest treball, quan han fet l’anàlisi comparativa entre la composició de la microbiota intestinal del panda gegant amb la d’altres mamífers de les diferents dietes, han confirmat que el panda s’agrupa altre cop amb els carnívors i queda ben lluny dels herbívors (Figura 6).

Fig6 Xue Fig4

Figura 6. Anàlisi de components principals de les comunitats de les microbiotes de mostres fecals de 121 pandes gegants (formes en blanc), en comparació amb les d’altres herbívors (verd), omnívors (blau) i carnívors (vermell). Les diferents formes corresponen a diferents treballs: els cercles són de Xue et al. (2015), el treball d’on s’ha tret la Figura.


Tot plegat, les característiques peculiars de la microbiota del panda gegant contribueixen al perill d’extinció que pateix. Al contrari que la majoria d’altres espècies de mamífers que han evolucionat les seves microbiotes i anatomies digestives optimitzant-les per a les seves dietes específiques, l’aberrant coevolució del panda, la seva microbiota i la seva dieta particular, és ben bé enigmàtica. Per aclarir-ho i saber com preservar aquest animal amenaçat, caldrà seguir estudiant-ho combinant metagenòmica, metatranscriptòmica, metaproteòmica i meta-metabolòmica per conèixer bé la estructura i el metabolisme de la microbiota intestinal i la seva relació amb les funcions digestives i l’estatus nutritiu del panda gegant (Xue et al. 2015).

Referències

Dierenfield ES, Hintz HF, Robertson JB, Van Soest PJ, Oftedal OT (1982) Utilization of bamboo by the giant panda. J Nutr 112, 636-641

Herron JC, Freeman S (2014) Evolutionary Analysis, 5th ed. Benjamin Cummings

Jin K, Xue C, Wu X, Qian J, Zhu Y et al. (2011) Why Does the Giant Panda Eat Bamboo? A Comparative Analysis of Appetite-Reward-Related Genes among Mammals. PLos One 6, e22602

Ley RE, Hamady M, Lozupone C, Turnbaugh PJ, Ramey RR et al. (2008) Evolution of Mammals and Their Gut Microbes. Science 320, 1647-1651

Li R, Fan W, Tian G, Zhu H, He L et 117 al. (2010) The sequence and de novo assembly of the giant panda genome. Nature 463, 311–317

Nie Y, Zhang Z, Raubenheimer D, Elser JJ, Wei W, Wei F (2015) Obligate herbivory in an ancestrally carnivorous lineage: the giant panda and bamboo from the perspective of nutritional geometry. Functional Ecology 29, 26–34

Rosen M (2015) Pandas’ gut bacteria resemble carnivores. Science News 19/05/2015

Wei G, Lu H, Zhou Z, Xie H, Wang A, Nelson K, Zhao L (2007) The microbial community in the feces of the giant panda (Ailuropoda melanoleuca) as determined by PCR-TGGE profiling and clone library analysis. Microb Ecol 54, 194–202

Wei F, Hu Y, Yan L, Nie Y, Wu Q, Zhang Z (2014) Giant Pandas Are Not an Evolutionary cul-de-sac: Evidence from Multidisciplinary Research. Mol Biol Evol 32, 4-12

Williams CL, Willard S, Kouba A, Sparks D, Holmes W et al. (2013) Dietary shifts affect the gastrointestinal microflora of the giant panda (Ailuropoda melanoleuca). J Anim Physiol Anim Nutr 97, 577-585

Xue Z, Zhang W, Wang L, Hou R, Zhang M et al. (2015) The bamboo-eating giant panda harbors a carnivore-like gut microbiota, with excessive seasonal variations. mBio 6(3), e00022-15

Zhao H, Yang JR, Xu H, Zhang J (2010) Pseudogenization of the Umami Taste Receptor Gene Tas1r1 in the Giant Panda Coincided with its Dietary Switch to Bamboo. Mol Biol Evol 27(12), 2669–2673

Zhu LF, Wu Q, Dai JY, Zhang SN, Wei FW (2011) Evidence of cellulose metabolism by the giant panda gut microbiome. Proc Natl Acad Sci USA 108, 17714–17719.

Els bacteris de l’intestí ens controlen el què mengem

Click here for the english version: Bacteria in the gut are controlling what we eat

8 setembre 2014

Sembla que és així: els microbis del nostre tracte gastrointestinal (TGI) influeixen en la nostra tria de menjar. No és estrany: els microbis, bacteris bàsicament, són presents al TGI en quantitats importants, més de 10 cèl.lules bacterianes per cadascuna de les nostres, un total de 1014 (el cós humà té unes 1013 cèl.lules). Això equival a uns 1-1.5 kg de pes. I aquest bacteris conviuen amb nosaltres des de sempre, ja que tots els mamífers en tenen, amb la qual cosa han anat evolucionant amb els nostres precursors i per tant estan molt ben adaptats al nostre ambient intern. Com que per a ells els nostres cossos són el seu hàbitat, doncs millor si poden controlar el que els arriba a l’intestí. I cóm ho poden fer ? Doncs donant ordres al cervell per menjar tal cosa o tal altra que els vagin bé als microbis.

 

Fig 1 comandament

Figura 1. “Centre de comandament del tracte gastro-intestinal” (muntatge propi, Albert Bordons)

 

Bé, doncs anat seriosament, hi ha alguns treballs previs en aquest sentit, d’una relació entre les preferències per una dieta determinada i la composició microbiana del TGI (Norris et al 2013). De fet, és una interacció bidireccional, una més dels molts aspectes de mutualisme simbiòtic entre nosaltres i la microbiota que ens habita (Dethlefsen et al 2007).

Hi ha moltes proves que la dieta influeix en la microbiota. Un dels exemples més vistosos és que s’ha vist que els nens africans alimentats quasi exclusivament en sorgo tenen més microbis cel.lulolítics que altres nens (De Filippo et al 2010).

El cervell també pot influir indirectament en la microbiota entèrica per canvis en la motilitat, secreció i permeabilitat gastrointestinals, o directament alliberant molècules al lumen del digestiu des de cèl.lules (del sistema immune o neurones) subepitelials (Rhee et al 2009).

El TGI és un ecosistema complex on diferent espècies de bacteris i altres microorganismes han de competir i col.laborar entre ells i amb les cèl.lules de l’hoste. El menjar ingerit per l’hoste (humà o altres mamífers) és un factor important en la selecció contínua d’aquests microbis i la naturalesa d’aquest menjar està sovint determinada per les preferències de l’hoste. Els bacteris que puguin manipular aquestes preferències tindran avantatges sobre els que no ho facin (Norris et al 2013).

Recentment Alcock et al (2014) han recollit en una revisió les evidències en aquest sentit. Els microbis poden manipular la conducta alimentària de l’hoste en benefici propi a través de diverses estratègies possibles. Veiem-ne a continuació alguns exemples relacionats amb l’esquema de la Figura 2.

 

Fig 2 human microbiome behaviour appetite

Figura 2. Com si els microbis fossin titellaires i els humans fóssim les titelles, els microbis poden controlar el que volem menjar mitjançant una sèrie de mecanismes senyalats. Adaptat de Alcock et al 2014.

 

Les persones que tenen “desitjos” de xocolata tenen diferents metabòlits microbians a l’orina que les persones indiferents per a la xocolata, malgrat tenir la mateixa dieta.

La disfòria, o sigui, el malestar en l’humà fins que mengem aliments que milloren el “benestar” microbià, pot ser deguda a l’expressió de gens bacterians de virulència i la percepció de dolor per l’hoste. Això és perquè la producció de toxines sovint és desencadenada per una baixa concentració de nutrients limitants del creixement. La detecció de sucres i altres nutrients regula la virulència i el creixement de diversos microbis. Aquests lesionen directament l’epiteli intestinal quan alguns nutrients són absents. D’acord amb aquesta hipòtesi, s’ha demostrat que proteïnes de virulència bacteriana activen els receptors de dolor. S’ha vist que el dejuni en ratolins augmenta la percepció del dolor per un mecanisme del nervi vagal.

Els microbis també poden alterar les preferències alimentàries dels hostes canviant l’expressió dels receptors del gust a l’hoste. En efecte, per exemple s’ha vist que ratolins lliures de microbis prefereixen més els dolços i tenen un major nombre de receptors del dolç a la llengua i a l’intestí que els ratolins amb una microbiota normal.

La conducta alimentària de l’hoste també pot ser manipulada pels microbis mitjançant el sistema nerviós, pel nervi vague, que conecta les 100 milions de neurones del sistema nerviós entèric des de l’intestí a la base del cervell via medul.la. Els nervis entèrics tenen receptors que reaccionen amb la presència de determinats bacteris i dels metabòlits bacterians, com els àcids grassos de cadena curta. El nervi vague regula la conducta alimentària i el pes corporal. S’ha vist que l’activitat del nervi vague de rates estimulades amb norepinefrina fa que malgrat estar saciades segueixin menjant. Això suggereix que els microbis del TGI produeixen neurotransmissors que poden contribuir a la sobrealimentació.

Els neurotransmissors produïts pels microbis són anàlegs de les hormones dels mamífers relacionades amb l’estat d’ànim i el comportament. Més del 50% de la dopamina i la majoria de serotonina del cos tenen un origen intestinal. Molts habitants transitoris i persistents de l’intestí, incloent E. coli, diversos Bacillus, Proteus i Staphylococcus secreten dopamina. A la Taula 1 veiem un resum dels diversos neurotransmissors produïts per microbis del TGI. Al mateix temps, s’ha vist que enzims de l’hoste com l’amino-oxidasa poden degradar neurotransmissors produïts pels microorganismes, la qual cosa demostra les interaccions evolutives entre microbis i hostes.

 

Taula 1. Diversitat de neurotransmissors aïllats de diverses espècies microbianes (Roschchina 2010)

Neurotransmissor Gènere
GABA (àcid gamma-amino-butíric) Lactobacillus, Bifidobacterium
Norepinefrina Escherichia, Bacillus, Saccharomyces
Serotonina Candida, Streptococcus, Escherichia, Enterococcus
Dopamina Bacillus, Serratia
Acetilcolina Lactobacillus

 

 

 

 

 

 

 

Alguns bacteris indueixen a què els seus hostes els proveeixin els seus nutrients preferits. Per exemple, Bacteroides thetaiotaomicron es troba al mucus intestinal, on s’alimenta dels oligosacàrids secretats per les cèl.lules caliciformes de l’intestí, i aquest bacteri indueix el seu hoste mamífer a augmentar la secreció d’aquests oligosacàrids. Al contrari, Faecalibacterium prausnitzii, un no degradador de mucus, que es troba associat amb B. thetaiotaomicron, inhibeix la producció de mucus. Per tant, ens trobem en un ecosistema amb múltiples agents que interaccionen entre sí i amb l’hoste.

Com que la microbiota és fàcilment manipulable pels prebiòtics, probiòtics, antibiòtics, trasplantaments fecals, i canvis en la dieta, el control i l’alteració de la nostra microbiota ofereix un mètode viable als problemes altrament insolubles de l’obesitat i la mala alimentació.

 

Bibliografia

Alcock J, Maley CC, Aktipis CA (2014) Is eating behavior manipulated by the gastrointestinal microbiota? Evolutionary pressures and potential mechanisms. BioEssays 36, DOI: 10.1002/bies.201400071

De Filippo C, Cavalieri D, Di Paola M, Ramazzotti M, et al (2010) Impact of diet in shaping gut microbiota revealed by a comparative study in children from Europe and rural Africa. Proc Natl Acad Sci USA 107:14691–6

Dethlefsen L, McFall-Ngai M, Relman DA (2007) An ecological and evolutionary perspective on human-microbe mutualism and disease. Nature 449:811-818

Lyte M (2011) Probiotics function mechanistically as delivery for neuroactive compounds: Microbial endocrinology in teh design and use of probiotics. BioEssays 33:574-581

Norris V, Molina F, Gewirtz AT (2013) Hypothesis: bacteria control host appetites. J Bacteriol 195:411–416

Rhee SH, Pothoulakis C, Mayer EA (2009) Principles and clinical implications of the brain–gut–enteric microbiota axis. Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology 6:306-314

Roschchina VV (2010) Evolutionary considerations of neurotransmitters in microbial, plant, and animal cells. In Lyte M, Freestone PPE, eds; Microbial Endocrinology: Interkingdom Signaling in Infectious Disease and Health. New York: Springer. pp. 17–52

 

 

Sorprenent: bacteris de l’acne humana a la vinya !!

Click here for the english version: Surprising: bacteria of human acne passed to the vineyard !! 

3 juny 2014

Realment sorprenent, però això sembla: uns investigadors italians i austríacs han publicat un treball (Campisano et al. 2014) on demostren que bacteris de l’espècie Propionibacterium acnes, relacionada amb l’acne humana, es troben com a endòfits obligats als teixits de l’escorça de Vitis vinifera, la vinya.

Alguns bacteris patògens dels humans, com Salmonella, són capaços de colonitzar teixits vegetals però de forma oportunista i temporalment (Tyler & Triplett 2008). De fet, hi ha un benefici mutu temporal entre plantes i bacteris, de manera que alguns d’aquests enterobacteris no patògens per a les plantes hi viuen endofíticament i poden ser beneficioses per a elles. Aquests patògens per als humans, en el seu cicle biològic utilitzen les plantes com a hostes alternatius per sobreviure al medi ambient, passant-hi mitjançant aigües de regadiu contaminades. Per tant, alguns bacteris sovint són hostes endòfits temporals de les plantes.

Però d’altra banda, són relativament rars els casos de bacteris que canviïn d’hoste i acabin adaptant-se al nou hoste, essent finalment endòfits fixos. Aquesta transferència horitzontal passa sobretot entre hostes propers evolutivament, com bacteris simbiòtics d’insectes àfids que s’ha demostrat que han passat a altres espècies d’àfids (Russell & Moran 2005). També s’ha suggerit la transferència horitzontal en bacteris làctics beneficiosos del tracte intestinal de vertebrats com Lactobacillus reuteri, del qual es troben soques semblants en diverses espècies de mamífers i aus.

Doncs bé, anant més enllà, en el treball de Campisano et al. objecte d’aquest comentari, es conclou que un tipus d’aquests bacteris relacionats amb l’acne humana haurien passat a la vinya, o sigui, els bacteris haurien fet una transferència horitzontal interregne, des d’animals mamífers a plantes.

 

Propionibacterium acnes tipus Zappae

L’acne, com sabeu, és una afecció humana consistent en un excès de secreció de les glàndules pilosebàcies de la pell causada per canvis hormonals, sobretot als adolescents. Les glàndules s’acaben inflamant, obstruint-se els porus i apareixent erupcions cutànies. El microorganisme associat a aquestes infeccions és el bacteri oportunista comensal P. acnes, bacil grampositiu anaeròbic aerotolerant, que s’alimenta dels àcids grassos del sèu produït per les glàndules.

fig1 Akne-jugend

Jove amb acne (Wikimedia, públic)

fig2

Propionibacterium acnes al microscopi electrònic de rastreig (esquerra) i tenyit amb cristall violeta (dreta). Tret de Abate ME (2013) Student Pulse 5, 9, 1-4.

 

Curiosament, altres espècies del mateix gènere Propionibacterium molt conegudes en biotecnologia microbiana industrial són les utilitzades per a la producció d’àcid propiònic, vitamina B12, i els formatges suïssos tipus Emmental o Gruyère.

Campisano et al. han fet un estudi de l’endomicrobioma de la vinya mitjançant la tècnica de seqüenciació (Roche 454) amplificant la regió hipervariable V5-V9 dels rDNA 16S bacterians presents als teixits vegetals de la planta. En 54 de les 60 plantes analitzades, entre un 0,5% i un 5% de les seqüències trobades corresponen a bacteris de l’espècie Propionibacterium acnes. Això ho han confirmat per observacions d’hibridació fluorescent in situ (FISH) amb fluorcroms i sondes específiques de P. acnes.

fig 3 FISH P acnes escorça vinya

Localització de P. acnes (taques blavoses fluorescents) a l’escorça d’una tija de vinya mitjançant microscòpia FISH amb sondes específiques d’aquest bacteri (Campisano et al 2004).

 

Els autors d’aquest treball proposen per a aquest bacteri trobat el nom de P. acnes Zappae, recordant l’excèntric músic i compositor Frak Zappa, per subratllar l’inesperat i gens convencional hàbitat d’aquest tipus de P. acnes.

 

fig 4 Frank Zappa

Frank Zappa (1940-1993), l’excèntric i satíric cantant, guitarrista i compositor. Foto: Frank Zappa reviews.

 

 

I cóm va passar aquest bacteri d’origen humà a la vinya ?

Per resoldre aquest enigma, Campisano et al. han agafat les seqüències 16S rDNA i d’altres gens (recA i tly), dels P. acnes Zappae que han trobat i les han comparat amb les dels P. acnes d’origen humà de les bases de dades. Comparant les filogènies i els clusters que es dedueixen, han arribat a concloure que P. a. Zappae s’ha diversificat evolutivament dels altres molt recentment. Estudiant-ne en detall les seqüències del gen recA de P. a. Zappae, i tenint en compte la seva taxa de mutació probable i el seu temps de generació (unes 5 h), dedueixen que la diversificació respecte als altres P. acnes es va produir fa uns 6000-7000 anys.

Aquesta data coincideix amb la domesticació coneguda de la vinya pels humans, que es creu que va tenir lloc fa uns 7000 anys a la regió meridional del Caucas, entre el mar Negre i el Caspi, entre les actuals Turquia, Georgia, Armenia i Iran (Berkowitz 1996). La vinya té l’origen en una subespècie silvestre de Vitis que va sobreviure l’Era glacial i va ser domesticada. De la planta originària en sortiren tres subespècies, i una d’elles, Vitis vinifera pontica,a la zona esmentada i més al sud a Mesopotàmia s’acabaria escampant per Europa gràcies alsfenicis.

Per tant, la conclusió és que P. a. Zappae es va originar a partir del P. acnes humà fa uns 7000 anys, pel contacte de les mans humanes amb els raïms i altres parts de la vinya en veremar-la i traginar-la. Tal com diuen els autors, aquest cas seria la primera evidència de transferència horitzontal interregne, des dels humans a les plantes, d’un bacteri simbiont obligat. A més, això fa més remarcable l’extrema adaptabilitat dels bacteris i que llur capacitat d’explotar nous hàbitats pot tenir impactes imprevistos en l’evolució de la relació hoste-simbiont o fins i tot hoste-patogen.

fig 5 m_so_america_hands_close

 Veremant a mà a Xile (Fine Wine and Good Spirits)

 

 

Bibliografia

Berkowitz M (1996) World’s earliest wine. Archaeology 49, 5, sept/oct.

Campisano Aet al. (2014) Interkingdom transfer of the acne-causing agent, Propionibacterium acnes, from human to grapevine. Mol Biol Evol 31, 1059-1065.

Gruber K (4 march 2014) How grapevines got acne bacteria. Nature News 4 march 2014.

Russell JA, NA Moran (2005) Horizontal transfer of bacterial symbionts: heritability and fitness effects in a novel aphid host. Appl Environ Microbiol 71, 7987-7994.

Tyler HL, EW Triplett (2008) Plants as a habitat for beneficial and/or human pathogenic bacteria. Ann Rev Phytopathol 46, 53-73.

Wikipedia, per descomptat: Propionibacterium acnes, Vitis, …

Walter J, RA Britton, S Roos (2011) PNAS 108, 4645-4652.

Síntesi d’aminoàcids als impactes dels cometes i altres coses de l’origen de la vida

Click here for the english version:  Synthesis of amino acids by impacts of comets, and other things related with life’s origin

14 febrer 2014

Fa uns dies vaig veure el titular següent al “Recercat” (el Butlletí electrònic de la recerca a Catalunya): “Científics descobreixen com es formen les molècules bàsiques de la vida”.    Vaja titular !!!   Em va sorprendre molt, lògicament, i com que aquest tema de l’origen de la vida sempre m’ha apassionat, vaig anar ràpidament a llegir-ho amb calma, i buscar l’article original.

Doncs un cop vist en detall, està clar que el titular és molt, però molt exagerat, com era de suposar a primera vista. Abans de comentar el perquè és exagerat, vull esmentar un altre detall d’aquest titular que crec que no calia:  perquè dir lo de científics ? qui pot estar treballant en l’estudi de la formació de les molècules bàsiques de la vida a banda de científics ?  Els polítics potser ?  o els economistes o els bisbes potser ?  Es evident que han de ser científics, i per tant no calia dir-ho. El titular seria suficient dient “S’ha descobert com es formen ….”. O si de cas, es podria dir d’on són els científics: “Científics anglesos, o americans, o japonesos, o d’on siguin, … descobreixen …”

Bé, anant al descobriment en concret, i tal com el mateix Recercat resumeix, uns investigadors britànics i nordamericans (Martins et al. 2013) han publicat  a Nature Geoscience el seu treball de laboratori, on han simulat l’impacte de cometes sobre la superfície d’un planeta, tot disparant un projectil amb una pistola d’aire comprimit a velocitats de 7 km/s (25000 km/h). Han vist que a causa de l’impacte i amb la calor generada, se sintetitzen aminoàcids a partir d’aigua, CO2 i amoni. Això és el que en diuen “síntesi de xoc”. Entre els aminoàcids detectats, han trobat glicina, D-alanina, L-alanina, aminoisobutíric, isovalina, norvalina i altres compostos precursors d’aminoàcids, tant els isòmers D com els L. Les quantitats detectades foren entre nanograms i algun microgram.

Aquest procès de síntesi mostra que, amb un mecanisme senzill, com és l’impacte dels cometes sobre la superfície rocosa d’un planeta, es pot passar de molècules inorgàniques bàsiques a molècules orgàniques més complexes, com són els aminoàcids, que són els monòmers de les proteïnes, constituents bàsics de tots els sers vius. I per tant, aquesta síntesi de xoc podria haver estat un pas en l’aparició de la vida terrestre.

Ara bé, que potser aquest treball és el primer en demostrar la possible formació de molècules bàsiques de la vida ? Doncs rotundament NO !!  Aquest treball té el seu valor però no es mereix aquest titular tan exagerat.

Per això, anem a repassar breument el que ja se sap, ja que fa més de 50 anys que molt diversos investigadors han treballat en aquest tema i han anat descobrint aspectes que reforcen les hipòtesis científiques de l’abiogènesi. Aquesta, també coneguda com biopoiesi, és el procés natural pel qual els sers vius es van originar a la Terra a partir de molècules senzilles fa uns 3.700 milions d’anys.

Biopoiesi, el procés d’aparició dels sers vius a la Terra

Aquest procès de biopoiesi implicà sens dubte diferents etapes:

1) La formació o aparició de les molècules orgàniques bàsiques dels sers vius, que són els monòmers com els aminoàcids, monosacàrids, àcids grassos i bases nitrogenades.

2) A partir dels monòmers anteriors, la formació de macromolècules biogèniques, o sigui polisacàrids, polipèptids, lipoides etc, per polimerització, segurament sobre suports inorgànics, com argiles o minerals de ferro.

3) I la formació dels primers protobionts, precursors de totes les cèl.lules, a partir de les macromolècules. Aquesta etapa clau, la més difícil de demostrar, probablement va anar lligada a l’adquisició en paral.lel de les 3 propietats bàsiques dels sers vius: una estructura embolcall (membrana) de consistència lipídica, unes reaccions transformadores de nutrients i energia (metabolisme rudimentari) i una capacitat de transferir les característiques a la descendència (mecanisme hereditari) amb alguna molècula portadora d’informació, probablement el RNA.

Deixem de moment les etapes 2 i 3, per reflexionar-hi potser més endavant en un altre post, i centrem-nos en l’etapa 1, relacionada amb l’article que comentava. Aquesta formació o aparició de compostos orgànics a la Terra primitiva pot haver estat per tres mecanismes: a) producció in situ; b) aportacions de l’exterior: i c) síntesi a causa d’impactes.

Aquestes tres categories de mecanismes ja eren plantejades com l’inventari possible dels orígens de la vida el 1992 en un article de Nature d’en Christopher Chyba i en Carl Sagan, el conegut pioner de l’exobiologia i divulgador científic, molt popular per l’extraordinària sèrie de TV Cosmos, autor de la frase “Som pols d’estrelles”, i que casualment fou el primer marit de Lynn Margulis, la que va difondre la teoria endosimbiòtica de l’origen bacterià de mitocondris i cloroplasts.

Síntesi endògena de compostos orgànics a la Terra primitiva

Doncs com deia, ja fa força anys que s’han anat demostrant les possibilitats de la formació de molècules orgàniques in situ, o sigui síntesi endògena sense aportacions externes, a la Terra primitiva. La hipòtesi de Oparin de què les condicions anaeròbiques reductores de l’atmosfera primitiva, junt amb l’energia solar, haurien afavorit la síntesi de molècules orgàniques formant la “sopa prebiòtica”, fou demostrada com a possible pels coneguts experiments de Miller i Urey:

El 1952 l’estudiant de doctorat Stanley Miller amb el seu professor Harold Urey introduiren una barreja d’aigua, hidrogen, metà i amoni en un recipient cíclic, on s’hi aplicaven espurnes elèctriques. Una setmana després, en analitzar els components, trobaren que un 15% del carboni procedent del metà ara era en forma de compostos orgànics diversos, inclosos 5 aminoàcids, tant D- com L-.

1 aqa_chem_miller-urey

Esquema dels experiments de Miller i Urey. Tret de GCSE-Bitesize (BBC).

Recentment (Parker et al 2011) s’han tornat a analitzar els vials dels extractes originals dels experiments de Miller i Urey amb les tècniques analítiques i equipaments actuals i s’han descobert molts més compostos que els detectats originalment els anys 1950, en concret s’han trobat 23 aminoàcids.

La síntesi d’aquestes molècules orgàniques a la Terra primitiva probablement fou facilitada per fonts d’energia d’activitat atmosfèrica com les descàrregues elèctriques que s’utilitzaven als experiments de Miller i Urey, però també n’hi hagué d’altres possibles, com la mateixa radiació solar, amb més radiació UV que l’actual (no hi havia capa d’ozò, formada posteriorment a partir de l’oxigen), més activitat volcànica i més radioactivitat en una Terra més jove, i més impactes de meteòrits o cometes, cosa que lliga amb el treball comentat de Martins et al. (2013).

Una altra aportació important en la recerca de la síntesi orgànica prebiòtica fou la demostració feta pel lleidatà Joan Oró treballant a la NASA (Oró 1961) de què l’adenina pot ser sintetitzada calentant solucions de cianur amònic. De manera similar, recentment s’ha demostrat la síntesi de pirimidines (citosina i uracil), adenina i triazines (unes altres bases nitrogenades) a partir d’urea mitjançant cicles de congelació-descongelació i amb descàrregues elèctriques (Menor-Salván et al. 2007).

2 adenina Oró

Tal com va demostrar en Joan Oró, amb 5 molècules de cianhídric es pot sintetitzar adenina, molècula clau per a la vida, ja que forma part dels àcids nucleics i del ATP.

Aportació de molècules orgàniques mitjançant objectes extraterrestres

Ara bé, a més de la síntesi de compostos orgànics in situ a la Terra primitiva, aquests també podrien haver vingut de fora. L’aportació de molècules orgàniques mitjançant objectes extraterrestres, cometes o meteòrits o altres, cada cop es fa més evident científicament. Els estudis més recents suggereixen que l’anomenat bombardeig massiu que va tenir lloc fa 3,5 milers de milions d’anys va aportar una quantitat de compostos orgànics comparable a la produïda in situ.

3 Lluvia-de-meteoritos

Simulació de pluja de meteòrits. Tret de AZ-Revista de Educación y Cultura

S’ha demostrat que els compostos orgànics són relativament comuns a l’espai extraterrestre, sobretot al sistema solar extern on els compostos volàtils no són evsporats pel calor solar. Molts cometes tenen una capa externa d’un material amb apariència de quitrà, que conté compostos orgànics formats per reaccions provocades per les radiacions, sobretot la UV. A banda que feia temps que se n’havien detectat per espectrografia de telescopi, fa pocs anys es va identificar per primer cop in situ l’aminoàcid glicina al cometa Wild-2 en mostres preses per la sonda Stardust de la NASA (Dolmetsch 2006).

El meteòrit Murchison, d’uns 100 kg, va caure a Austràlia el 1969 i es va disgregar en diversos fragments que han estat ben estudiats. Aquest meteòrit és del tipus condrites carbonàcies, que són rics en carboni, i efectivament, conté aminoàcids, tant comuns (glicina, alanina i glutàmic) com dels més inusuals (isovalina, pseudoleucina), amb concentracions de fins a 60 ppm (Kvenvolden et al. 1970). També conté hidrocarburs alifàtics i aromàtics, alcohols i altres compostos orgànics com fullerens i àcids carboxílics.

4 Murchison_crop

Un fragment del meteòrit Murchison, caigut a Austràlia el 1969, del tipus condrites carbonàcies, que conté aminoàcids i altres compostos orgànics. Imatge de wikipedia.

Recentment s’ha vist que la proporció d’isòtops 12C/13C de l’uracil i altres compostos orgànics del Murchison indica un origen no terrestre (Martins et al. 2008). De fet, a més del Murchison, les anàlisis fetes amb força més meteòrits demostren que els compostos orgànics es poden formar a l’espai exterior.

Els estudis de models fets amb ordinador suggereixen que els compostos orgànics prebiogènics es poden haver format al disc protoplanetari de pols que envoltava el Sol abans de la formació de la Terra, i que el mateix procés pot succeir al voltant d’altres estrelles (Moskowitz 2012).

És més, en estudis dels espectres d’emissions d’infraroig (Kwok & Zhang 2011) de la pols còsmica s’ha arribat a la conclusió que a les estrelles tipus supernova es produeixen molècules orgàniques complexes, i que aquestes són expulsades a l’espai interestel.lar per efecte de l’explosió de l’estrella. Sorprenentment, aquesta pols orgànica és similar als compostos trobats als meteòrits. Com que els meteòrits són els romanents del sistema solar primitiu, es pot suggerir que compostos orgànics que ara trobem als meteòrits s’haguessin format en estrelles llunyanes.

5 espectre 111026143721-large

Espectre d’infrarroig de compostos orgànics, superposat a una imatge de la nebulosa Orion on s’han trobat aquests compostos orgànics complexos (amb les fórmules). Imatge treta de NASA (C.R. O’Dell and S.K. Wong, Rice University).

Els darrers anys, s’ha fet un gran avanç en la detecció de molècules orgàniques a l’espai galàctic gràcies als radio-telescopis com el Green Bank (de 100 m de diàmetre) a West Virginia, USA, o el ALMA (Atacama Large Millimeter Array, a 5000 m d’alçada al desert d’Atacama, nord de Xile) que són 66 antenes de 12 m diàmetre conectades entre sí amb fibra òptica. Aquests radio-telescopis o interferòmetres astronòmics capten longituds d’ona al voltant del mm.

Amb aquests telescopis, com comentava en Pere Brunet fa un mes al seu post “Som pols d’estrelles?” (del blog Fractal de Ara-Ciència), s’han detectat al voltant d’altres estrelles compostos com propenal, ciclo-propenona, acetamida, i glicol-aldehid (CHO-CH2OH). Aquest darrer és força significatiu, ja que és el sucre més senzill possible i és necessari per a la formació de RNA, i l’han detectat amb l’ALMA al voltant d’una estrella jove binària tipus solar (IRAS 16293-2422), a 400 anys-llum de la Terra, relativament a prop, dins la Via Làctia (Jørgensen et al. 2012).

Síntesi de compostos orgànics per causa dels impactes

Finalment, ens queda aquest tercer mecanisme, relacionat amb l’article objecte inicial d’aquest post (Martins et al. 2013).  Doncs bé,  com hem dit abans, aquesta possibilitat ja fou revisada per Chyba & Sagan (1992), perquè ja s’havien efectuat experiments en aquest sentit fa força anys. En Sagan mateix amb altres autors (Bar-Nun et al. 1970) ja havien demostrat que en aplicar un xoc tèrmic, simulant impactes de cometes i micrometeòrits, a una barreja de gasos similars a l’atmosfera primitiva, hi apareixien aminoàcids.

Tanmateix, quan es pensa en impactes de cossos extraterrestres el primer que es pensa és justament el contrari, que són antagonistes de la vida a la Terra, ja que recordem els impactes que han causat cataclismes i extincions, com l’asteroide de fa 65 milions d’anys al cràter de Chicxulub al Yucatán, o a una escala molt menor, el meteòrit de 2013 a Chelyabinsk, Rússia, amb l’aparença de boles de foc. Doncs bé, encara que aquestes col.lisions poden causar efectes negatius sobre els sers vius a on cauen, al mateix temps l’energia alliberada pel xoc pot ser una font de reaccions que generen compostos orgànics prebiogènics, com demostra el treball de Martins et al. (2013).

Al mateix temps, s’ha demostrat que els compostos biològics que fossin presents al meteòrit poden “sobreviure” als impactes. En efecte, s’ha vist que aquests compostos poden quedar capturats en els porus de material carbonaci dins el material fos per la temperatura i pressió de l’impacte, en concret en anàlisis fetes amb material del cràter Darwin a Tasmània, d’un meteòrit  que hi va impactar fa 800.000 anys (Howard et al. 2013).

A més de Martins et al., altres treballs també han simulat els efectes dels impactes. Furukawa et al. (2009) van simular l’impacte d’un meteòrit tipus condrita en un oceà primitiu. Van utilitzar una pistola propulsora per crear un impacte d’alta velocitat en una barreja de carboni, ferro, níquel, aigua i nitrogen, i tot seguit van recuperar diverses molècules orgàniques, incloent àcids grassos, amines i un aminoàcid.

Així doncs, aquests experiments suggereixen que els impactes freqüents de cossos extraterrestres a la Terra primitiva devien resultar en una bona contribució a la formació de molt diversos compostos orgànics, i com ja he comentat, afegint-se a l’aportació dels que ja hi venien prèviament sintetitzats a l’espai exterior, i a la síntesi in situ a la mateixa Terra.

Bibliografia

Bar-Nun A, Bar-Nun N, Bauer SH, Sagan C. 1970. Shock synthesis of amino acids in simulated primitive environments. Science 168, 470-472.

Chyba C, Sagan C. 1992. Endogenous production, exogenous delivery and impact-shock synthesis of organic molecules: an inventory for the origins of life. Nature 355, 125–32

Dolmetsch C. 2006. NASA Spacecraft Returns With Comet Samples After 2.9 Bln Miles. Bloomberg.com. 2006-01-15

Editorial. 2013. The upside of impacts. Nature Geoscience 6, 987.

Furukawa Y, Sekine T, Oba M, Kakegawa T, Nakazawa H. 2009. Biomolecule formation by oceanic impacts on early Earth. Nature Geoscience 2, 62–66

Generalitat de Catalunya. 2014. “Científics descobreixen com es formen les molècules bàsiques de la vida”. Recercat 94, gener 2014.

Howard KT et 12 al. 2013. Biomass preservation in impact melt ejecta. Nature Geoscience 6, 1018-1023.

Jørgensen JK, Favre C, Bisschop SE, Bourke TL, van Dishoeck EF, Schmalzl M. 2012. Detection of the simplest sugar, glycolaldehyde, in a solar-type protostar with ALMA. Astrophysical Journal Letters 757, L4, 1-13.

Kvenvolden KA, Lawless J, Pering K, Peterson E, Flores J, Ponnamperuma C, Kaplan IR, Moore C. 1970. Evidence for extraterrestrial amino-acids and hydrocarbons in the Murchison meteorite. Nature 228, 923–926

Kwok S, Zhang Y. 2011. Mixed aromatic–aliphatic organic nanoparticles as carriers of unidentified infrared emission features. Nature, DOI:10.1038/nature10542

Martins Z, Botta O, Fogel ML, Sephton MA, Glavin DP, Watson JS, Dworkin JP, Schwartz AW, Ehrenfreund P. 2008. Extraterrestrial nucleobases in the Murchison meteorite. Earth and Planetary Science Letters 270, 130–136

Martins Z, MC Price, N Goldman, MA Sephton, MJ Burchell. 2013. Shock synthesis of amino acids from impacting cometary and icy planet surface analogues. Nature Geoscience 6, 1045-1049.

Moskowitz C. 2012. Life’s Building Blocks May Have Formed in Dust Around Young Sun. Space.com

Menor-Salván C, Ruiz-Bermejo DM, Guzmán MI, Osuna-Esteban S, Veintemillas-Verdaguer S. 2007. Synthesis of pyrimidines and triazines in ice: implications for the prebiotic chemistry of nucleobases. Chemistry 15, 4411–8.

Oparin A. 1952. The origin of life. New York: Dover.

Oró J. 1961. Mechanism of synthesis of adenine from hydrogen cyanide under possible primitive Earth conditions. Nature 191, 1193–4.

Parker ET, Cleaves HJ, Dworkin JP et al. 2011. Primordial synthesis of amines and amino acids in a 1958 Miller H2S-rich spark discharge experiment. PNAS 108, 5526–31.

Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Abiogenesis  (Molt bona revisió de l’origen de la vida i les diverses hipòtesis)

Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Murchison_meteorite

Lluís Rabell

Activista, polític, company

Blog Cátedra de Historia y Patrimonio Naval

“Quien domina el mar, domina todas las cosas” (Temístocles)

No sé ni cómo te atreves

Fotografía y esas pequeñas cosas de cada día

Life Secrets

For my students

Horitzons llunyans

Mirades distants

#4wine

Los vinos son pequeñas historias dentro de una botella y nosotras queremos contarte las nuestras

Vi·moments·persones

Un maridatge a tres bandes

SciLogs: Artificial, naturalmente

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

microBIO

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

RealClimate

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

Quèquicom

Coses interessants de ciències de la vida i de la natura, i altres no tan "Bios"

Dionís de viatge a Ítaca

Experiències enoturístiques

A %d bloguers els agrada això: