Los mejores insectos: cómo E. coli evoluciona en un simbionte de chinche apestosa

ARRIBA: Crías de chinche apestoso (Plautia stali) adquieren bacterias simbióticas de sus cáscaras de huevo MINORU MORIYAMA

Los insectos son una clase de animales increíblemente exitosa: han conquistado todos los continentes y se han extendido por prácticamente todos los ecosistemas terrestres. Pero no lo hicieron solos. Muchas especies de insectos deben al menos parte de su éxito a las bacterias simbióticas productoras de nutrientes, que les permiten sobrevivir con dietas que serían imposibles para otros animales o sin la ayuda de las bacterias.

Mientras que Las asociaciones entre insectos y bacterias se han estudiado durante décadas, y cómo se forman sigue siendo un misterio. Ahora, en un estudio publicado el 4 de agosto en Nature Microbiology, los investigadores dirigieron la evolución bacteriana en el laboratorio para forjar una nueva asociación insecto-bacteria, brindando información sobre cómo estas simbiosis pueden evolucionar en la naturaleza.

Este estudio es muy novedoso y emocionante porque muestra la sorprendente facilidad con la que los microbios pueden evolucionar para convertirse en simbiontes, dice Alison Ravenscraft, investigadora del microbioma de insectos de la Universidad de Texas en Arlington, quien no participó en este estudio. >El científico por correo electrónico.

En este estudio, los investigadores del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada de Japón (AIST) utilizaron la chinche apestosa (Plautia stali) como modelo. Esta especie tiene criptas especializadas en su intestino donde alberga una bacteria asociada (Pantoea sp.) que es crucial para la supervivencia de los insectos. Si bien los investigadores no están 100 por ciento seguros de qué es lo que hace que la bacteria sea tan esencial para P. stali, coautor del estudio e investigador de evolución simbiótica del AIST, Takema Fukatsu, le dice a The Scientist que otras especies de chinches apestosas dependen de bacterias simbióticas para producir vitaminas B y aminoácidos esenciales, por lo que es probable que P . stali la bacteria simbiótica realiza una función similar.

Cuando los investigadores reemplazaron las chinches Pantoea con una cepa hipermutante de E. coli, solo del cinco al diez por ciento de las chinches sobrevivieron hasta la edad adulta, y las que sobrevivieron fueron atrofiadas y de color marrón, un marcado contraste con el verde vibrante de una chinche apestosa sana.

La chinche apestosa adulta (Plautia stali)MINORU MORIYAMA

En 19 grupos de chinches con la hipermutante E. coli, los científicos tomaron los insectos más saludables de cada generación (determinados por el crecimiento o por el color más saludable) y pasaron sus bacterias a la siguiente, repitiendo el proceso durante 12 generaciones. Con el tiempo, la E. coli en dos de los grupos de chinches parecía volverse beneficiosa para las chinches apestosas: las chinches inoculadas con estas cepas habían mejorado la coloración y, en general, tenían más probabilidades de sobrevivir hasta la edad adulta en comparación con las generaciones anteriores.

Al analizar los genomas de estas dos cepas antes y después de que se volvieron beneficiosas, los científicos determinaron que ambas cepas tenían mutaciones que interrumpían la vía de represión de catabolitos de carbono (CCR). La vía CCR ayuda a las bacterias a sobrevivir cuando la glucosa (su fuente de carbono preferida) escasea al permitirles consumir otras fuentes de carbono para obtener energía, e implica la regulación al alza o a la baja de cientos de otros genes.

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Este estudio es muy novedoso y emocionante porque muestra la sorprendente facilidad con la que los microbios pueden evolucionar para convertirse en simbiontes.

Alison Ravenscraft, Universidad de Texas en Arlington 

Los investigadores aún no están seguros exactamente por qué estas mutaciones son beneficiosas para E. coli, pero una hipótesis es que pueden facilitar el ajuste de las bacterias al entorno de las criptas intestinales.

Dentro de las criptas de las chinches, es posible que las bacterias no tengan acceso a suficiente glucosa, dice Fukatsu. Normalmente, E. coli podría intentar activar la vía CCR, pero dentro de la chinche apestosa no hay otras fuentes de carbono para explotar.

Por lo tanto, dice Fukatsu, la bacteria puede cambiar repetidamente su metabolismo en vano, lo que debe ser un alto costo metabólico para las bacterias. La eliminación de dicho costo metabólico al inactivar la vía CCR es una posible fuente de beneficios para las bacterias y, en última instancia, también para el huésped.

Fukatsu dice que evitar este costo metabólico puede resultar en una producción bacteriana más eficiente de nutrientes esenciales al huésped, o simplemente puede permitir que más bacterias sobrevivan dentro del huésped, lo que en última instancia resulta en mayores cantidades de los nutrientes requeridos por la chinche apestosa.

Mientras que E. coli hacia un insecto mutualista parecía estar mediado por la vía CCR en este estudio, Fukatsu cree que una mutación CCR es solo una de las muchas vías que conducen al mutualismo. Él dice que los experimentos actualmente en curso en el laboratorio han creado muchas cepas de E. coli cuyos efectos beneficiosos sobre las chinches no parecen estar relacionados con la vía CCR.

Hay tantos genes que contribuyen al establecimiento y mantenimiento de la simbiosis en el sistema, que él dice. Ahora estamos buscando estos otros genes de simbiosis. . . . Elucidar todas las vías nos dará una comprensión más completa y completa de los mecanismos de la simbiosis.

Este es un campo de estudio muy importante, dice Ravenscraft. Nos estamos dando cuenta de que gran parte de la biología de los animales y las plantas depende de los socios microbianos. . . . Estudiar cómo evolucionan los mutualismos nos ayudará a comprender cómo las bacterias brindan funciones cruciales tanto para nosotros como para los animales y plantas de los que dependemos.