La competencia en situaciones de escasez impide que prosperen las bacterias mutantes adaptadas al medio

En un artículo publicado en la revista BMC Biology, investigadores brasileños comparan este fenómeno observable en la especie E. coli con la “tragedia de los comunes”, cuando los intereses individuales prevalecen por sobre los objetivos colectivos. Según los autores, esto enmascara el surgimiento de variantes bacterianas y hace que el índice de mutaciones de la colonia parezca menor

Por Maria Fernanda Ziegler  |  Agência FAPESP – Un estudio a cargo de científicos de la Universidad de São Paulo, en Brasil, demostró que, en situaciones de escasez, la competencia por nutrientes y la falta de cooperación entre las bacterias de la especie Escherichia coli de una misma población impiden que prosperen bacterias mutantes mejor adaptadas al medio, excepto aquellas que se organizan en pequeños agrupamientos. Esto camufla el surgimiento de nuevas variantes bacterianas y hace que el índice de mutaciones parezca más bajo de lo que es realmente.

La frecuencia de especímenes mutantes –que van surgiendo y acumulándose de una generación a otra– es determinante para la evolución de una determinada especie. La comprensión del origen de las mutaciones es también importante para explicar los procesos biológicos. En el caso de las bacterias, esto sirve para entender la potencial divergencia evolutiva de un patógeno en una epidemia o incluso la resistencia de las bacterias a los antibióticos, por ejemplo. 

En el artículo publicado en la revista BMC Biology, los investigadores describen que en colonias de E. coli sucede algo parecido a la tragedia de los comunes. Esta noción se toma como préstamo de la sociología y de la ecología, y suele empleársela para explicar situaciones en que los intereses individuales prevalecen por sobre un objetivo colectivo, lo cual resulta en la destrucción de bienes públicos o de recursos naturales. 

“En momentos de escasez nutricional, las bacterias no interactúan entre ellas para lograr el bien común, es decir, el crecimiento de la colonia. Verificamos entonces que, aun con el surgimiento de algunos ejemplares capaces de utilizar la fuente nutricional disponible, esta falta de cooperación hace que toda la población salga perdiendo. Tan solo algunas pocas bacterias mutantes logran multiplicarse y formar nuevas colonias”, dice Beny Spira, docente del Instituto de Ciencias Biomédicas (ICB) de la USP y autor del artículo. 

Este hallazgo explica una antigua cuestión referente a una categoría de mutación: en la práctica, la frecuencia de mutantes capaces de fragmentar ciertos nutrientes (romperlos en determinadas moléculas que pueden metabolizarse) era siempre mucho menor que la esperable teóricamente. Este trabajo sobre el enmascaramiento de la frecuencia de mutantes es fruto de un estudio apoyado por la FAPESP mediante una ayuda regular, una beca doctoral y otra de iniciación a la investigación científica. 

La tragedia de los comunes

A diferencia de la E. coli silvestre, las bacterias con mutaciones PHO constitutivas sobreexpresan la enzima fosfatasa alcalina. Por eso poseen la capacidad de fragmentar glicerol-2-fosfato (G2P) y liberar glicerol, por lo cual se erigen como una importante fuente de carbono, más aún en situaciones de escasez de nutrientes. 

No obstante, la frecuencia de colonias PHO constitutivas en la placa selectiva de G2P es excepcionalmente baja. “Cuando medimos la frecuencia real de mutantes, constatamos que en una población de 100 mil millones de bacterias hay decenas de miles de bacterias mutantes PHO constitutivas. Sin embargo, tan solo entre 50 y 100 logran multiplicarse y producir nuevas colonias con la mutación de la capacidad de fragmentar G2P”, le explica Spira a Agência FAPESP.

Tal como sostiene el investigador, las bacterias mutantes son capaces de expresar altas cantidades de la enzima fosfatasa alcalina, que queda compartimentada en el periplasma de las células (un área ubicada entre la membrana interna y la membrana externa que rodea al citoplasma de algunas células). De esta forma, cuando se fragmenta el G2P formando glicerol, las bacterias pueden captar este nutriente y arrojarlo al medio externo, donde será captado rápidamente por la gran cantidad de bacterias silvestres (no mutantes) que se encuentran alrededor. 

Sin embargo, el glicerol liberado por las bacterias mutantes no es suficiente como para hacer crecer colonias de bacterias silvestres (por cada mutante existen 20 mil bacterias silvestres alrededor). “Las escasas bacterias mutantes que logran multiplicarse son aquellas que cooperaron entre sí formando conglomerados o clústeres e intercambiando glicerol entre ellas. De lo contrario, el nutriente se vuelve escaso, las bacterias mutantes son inhibidas y la población se extingue”, dice el investigador. 

Spira explica que normalmente se produce una disputa entre las bacterias silvestres y sus variantes mutantes por el glicerol insuficiente. “Debido a la escasez de este nutriente, las bacterias mutantes no se multiplican. Da la impresión de que las mutaciones no se concretaron efectivamente y disminuye drásticamente la frecuencia de bacterias mutantes PHO constitutivas en la población”, comenta.

El investigador remarca que, de este modo, la inhibición de bacterias mutantes PHO constitutivas suministra un ejemplo de un nivel de mutación camuflada por la competencia entre mutantes y sus células ancestrales. “Este ejemplo muestra que los casos similares a una ‘tragedia de los comunes’ pueden ocurrir en otros ambientes y debe tenérselos en cuenta al estimar los índices de mutación”, dice el investigador.

Puede leerse el artículo intitulado Competition for nutritional resources masks the true frequency of bacterial mutants (doi: 10.1186/s12915-020-00913-1), de Henrique Iglesias Neves, Gabriella Trombini Machado, Taíssa Cristina dos Santos Ramos, Hyun Mo Yang, Ezra Yagil y Beny Spira en el siguiente enlace: bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-020-00913-1.