Una plaga agrícola produce una sustancia antiadherente como estrategia de adaptación

Científicos constataron que la Xylella fastidiosa genera partículas nanométricas de un lípido con el objetivo de transitar y propagarse más fácilmente por la planta

Por Elton Alisson

Agência FAPESP – La bacteria Xylella fastidiosa, causante de una serie de enfermedades en cítricos, vides y cafetos, desarrolla diferentes estrategias de adaptación para sobrevivir en el ambiente en que vive.

Con el fin de colonizar el aparato bucal de los insectos vectores y contaminar a las plantas cuando dichos animales se alimentan con la savia de éstas en los cultivos agrícolas, la bacteria se presenta en un estado “pegajoso” o adhesivo. Al ser inoculada en la planta por el insecto vector, su estado se vuelve antiadherente, de manera tal de transitar y propagarse de manera más fácil por el interior de los vasos del xilema (los tejidos) de las plantas.

“La Xylella fastidiosa tiene un estilo de vida doble. Necesita alternar esas dos estrategias de adaptación para sobrevivir”, declaró Aline Maria da Silva, docente del Instituto de Química (IQ) de la Universidad de São Paulo (USP), a Agência FAPESP.

Un estudio realizado por científicos del grupo de Da Silva en el Departamento de Bioquímica del IQ, en colaboración con colegas del Departamento de Plantas y Biología Microbiana de la University of California (UC) en Berkeley, en Estados Unidos, demostró que la Xylella fastidiosa regula la transición de esas estrategias de adaptación mediante la producción de vesículas (ampollas) de lípidos de tamaño nanométrico (milmillonésimas partes de un metro).

El descubrimiento, producto de un proyecto de investigación de posdoctorado supervisado por Da Silva y realizado con el apoyo de la FAPESP, se describió en un artículo publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Dicho paper fue recomendado por Faculty of 1000, un sitio web creado en Estados Unidos que detecta y recomienda artículos considerados importantes en las áreas de Biología y Medicina, seleccionados por un comité integrado por científicos y médicos de distintos países.

“En ese artículo planteamos que la producción de las vesículas de la membrana externa de la Xylella fastidiosa es una especie de ajuste fino que realiza la bacteria para adherirse o no al ambiente que coloniza, dependiendo de las circunstancias”, dijo Da Silva.

El grupo de investigadores de la UC Berkeley ya había detectado recientemente que la Xylella fastidiosa secretaba un tipo de sustancia que bloqueaba la adherencia de la bacteria a las paredes de los vasos del xilema de las plantas. Sin embargo, no se sabía cuál era precisamente esa sustancia.

Mediante una colaboración con Steven Lindow –docente de la universidad estadounidense– que comenzó en 2011, los científicos investigaron juntos la naturaleza de esa sustancia que le confiere a la bacteria una especie de “efecto teflón”.

La principal sospecha recayó sobre las vesículas de membrana externa, toda vez que las bacterias gram negativas, tales como la Xylella fastidiosa, secretan todo el tiempo esas pequeñas burbujas de lípidos de un tamaño que varía entre los 20 y los 100 nanómetros, comentó Da Silva.

“Las funciones de esas vesículas de membrana externa en otras bacterias ya han sido bastante estudiadas”, afirmó. “En el caso de los patógenos humanos, éstas desempeñan la función de cargar proteínas, factores de virulencia y antígenos durante las infecciones. Pero en los fitopatógenos [los organismos causantes de enfermedades en las plantas] como la Xylella fastidiosa, los estudios aún eran muy incipientes.”

A los efectos de intentar llenar esa laguna, los investigadores evaluaron por medio de un conjunto de técnicas de análisis si la Xylella fastidiosa también producía vesículas de membrana externa, el tamaño de esas burbujas con relación a la bacteria y, fundamentalmente, la función de las mismas.

Los resultados de los análisis demostraron que las vesículas de membrana externa le proporcionan efectivamente un efecto antiadherente a la bacteria.

Cuando se encuentra en el aparato bucal de los insectos vectores, la Xylella fastidiosa produce una cantidad de vesículas de membrana externa suficiente únicamente para que pueda desprenderse del animal e infectar a la planta, mientras que éste se alimenta de la savia.

En tanto, al infectar a la planta, la bacteria pasa a producir una mayor cantidad de esas burbujas con el objetivo de invadirla y moverse por los vasos del xilema.

Al colonizar a la planta suficientemente, la bacteria interrumpe la producción de las vesículas de membrana externa, de manera tal de juntarse con otras bacterias similares y formar una biopelícula en el interior de los vasos del xilema de la planta para aumentar su virulencia.

“La bacteria necesita encontrar una forma de propagarse por la planta luego de infectarla. Y las vesículas de membrana externa constituyen una de las armas que utiliza para atacar a la planta”, sostuvo Silva.

El mecanismo de acción

Los científicos detectaron que uno de los mecanismos que utiliza la Xylella fastidiosa para controlar la producción de vesículas de membrana externa y la transición de la fase “pegajosa” a la antiadherente es una molécula llamada DSF.

Esta sustancia DSF le señaliza a la Xylella fastidiosa cuántas bacterias similares a ella se encuentran en el ambiente. Al internarse en un microambiente como el intestino de un insecto vector o el xilema de una planta, la bacteria produce y libera DSF. Con base en la cantidad de la hormona ya existente en el ambiente producida por otras bacterias similares, la Xylella fastidiosa logra estimar la densidad de su población.

Si hay muchas bacterias hasta ese momento aisladas en el medio, éstas colectivamente merman la producción de vesículas de membrana externa y producen moléculas de adherencia, de manera tal de formar una bioplícula para sobrevivir a las inclemencias del ambiente.

De la misma manera, si detectan mediante la liberación de DSF que hay pocos integrantes de su grupo en el ambiente, incrementan la producción de vesículas de membrana externa para explotar mejor el lugar, explicó Silva.

“Constatamos que, cuanto más bacterias haya en un microambiente y cuanto más juntas estén, menor será la producción de vesículas de membrana externa”, dijo la investigadora. “Por otro parte, cuanto más aisladas estén, mayor será la producción de vesículas de membrana externa para poder propagarse más fácilmente”.

Esta constatación se concretó por medio de una cepa de Xylella fastidiosa sin un gen fundamental para producción de DSF –el gen mutante ΔrpfF–, desarrollada por el grupo de investigadores de la UC Berkeley mediante el empleo de técnicas de ingeniería genética.

Los investigadores observaron que esa cepa mutante de la bacteria producía una cantidad de vesículas de membrana externa cinco veces mayor que las bacterias sin la mutación genética.

“Cuanto más vesículas de membrana externa producían las bacterias mutantes, más virulentas eran. Se pegaban menos y se esparcían más por la planta, y más rápido; la planta quedaba entonces más contaminada”, afirmó Da Silva.

Técnicas analíticas innovadoras

El estudio de la producción de vesículas de membrana externa de Xylella fastidiosa se realizó mediante el análisis de la savia de plantas contaminadas por las bacterias silvestres y mutantes.

Para detectar y cuantificar la producción de vesículas, los científicos emplearon el marcador proteico XadA1, que revela la existencia de las mismas en una solución, tal como la savia de la planta, por ejemplo.

Mediante microscopía electrónica de barrido (capaz de producir imágenes de alta resolución de la superficie de una muestra) y de microscopía de fluorescencia, los investigadores visualizaron directamente las vesículas de membrana externa interactuando con superficies y con las bacterias en la savia de las plantas.

Más allá de las técnicas analíticas más convencionales, también se valieron de metodologías hasta entonces inéditas en estudios de esta índole, tales como la Nanoparticle Tracking Analysis (NTA), según comentó Paulo Adriano Zaini, posdoctorando supervisado por Da Silva, quien comparte la primera autoría del artículo con Michael Ionescu, también posdoctorando en la UC en Berkeley.

“Somos uno de los primeros grupos de científicos que empleamos este método de análisis que permite efectuar un rastreo de nanopartículas en una solución”, afirmó.

Hasta ahora, la metodología se utilizaba para estudiar vesículas en células humanas tales como las tumorales, que las producen en gran cantidad para desplazarse más fácilmente, explicó Zaini. En el estudio, los científicos usaron un aparato del A.C. Camargo Cancer Center.

“Es un abordaje sumamente original para el estudio de bacterias. Creemos que influirá a otros grupos de investigación del área”, estimó.

Los investigadores también utilizaron una técnica denominada microfluídica, en la cual Zaini es experto. Ésta permite simular los vasos del xilema de una planta en un laboratorio mediante el uso cánulas de vidrio microscópicas, de un diámetro de 50 micrones.

Mediante esta técnica, los científicos midieron la fuerza con la cual las bacterias son arrancadas de la superficie de las cánulas en ausencia o en presencia de vesículas de membrana externa.

“Logramos demostrar que las bacterias, en ausencia de vesículas de membrana externa en la superficie de las cánulas, logran resistir a una velocidad mucho más alta de flujo de savia y pegarse en el vidrio”, dijo Zaini. “En tanto, en las cánulas recubiertas con las vesículas de membranas, las bacterias se desprendían más rápidamente.”

Puede leerse el artículo intitulado Xylella fastidiosa outer membrane vesicles modulate plant colonization by blocking attachment to surfaces (doi: 10.1073/pnas.1414944111), de Zaini y otros, en la revista PNAS, en la siguiente dirección electrónica: www.pnas.org/content/111/37/E3910.abstract.