Resistencia de las bacterias a los antibióticos (página 2)

Capítulo 2

Las bacterias y sus características genéticas.

2.1 – Características generales.

Las bacterias constituyen las formas de vida más tempranas que aparecieron en la tierra y se clasifican en una categoría de vida denominada procariontes. Estas ayudaron a formar y cambiar el medio ambiente inicial de la tierra, creando eventualmente el oxígeno atmosférico que permitió el desarrollo de otros formas de vida más complejas. Las bacterias y las arqueas son los únicos procariotes.

Existen cientos de especies de bacterias, pero todas ellas tienen una de las tres formas existentes. Algunas son bastones y se llaman bacilos. Otras tienen la forma de esferas pequeñas y se llaman cocos y otras son helicales y se llaman espirilos. Algunas bacterias existen individualmente, otras se agrupan formando pares, cadenas, tétradas u otras clases de agrupaciones.

Las bacterias son de organización muy sencilla. La célula bacteriana consta:

• Citoplasma, presenta un aspecto viscoso, y en su zona central aparece un nucleoide que contiene la mayor parte del ADN bacteriano, y en algunas bacterias aparecen fragmentos circulares de ADN con información genética, dispersos por el citoplasma: son los plásmidos. Y se encuentran inclusiones de diversa naturaleza química.
• Membrana plasmática presenta mesosomas, donde se encuentran enzimas que intervienen en la síntesis de ATP, y los pigmentos fotosintéticos en el caso de bacterias fotosintéticas.

Pueden presentar flagelos rígidos, implantados en la membrana mediante un corpúsculo basal. Pueden poseer también, fimbrias o pili muy numerosos y cortos, que pueden servir como pelos sexuales para el paso de ADN de una célula a otra. Poseen ARN y ribosomas característicos, para la síntesis de proteínas. Su forma de reproducción como cualquier procarionte es asexual, en la que se replican a sí mismas y se dividen dando dos células hijas idénticas. "Pero además de la reproducción asexual, las bacterias poseen unos mecanismos de reproducción sexual o parasexual, mediante los cuales se intercambian fragmentos de ADN". Estos mecanismos se dividen en tres: transformación, transducción y conjugación. En este trabajo se apuntará a desarrollar el mecanismo de la conjugación, el cual requiere de un elemento principal, el plásmido.

2.2 – Plásmidos R y F.

Los plásmidos son pequeñas moléculas de ADN extracromosómico que aparecen en el citoplasma de las bacterias y que determinan ciertos rasgos, que no son vitales, pero que de alguna manera determinan la capacidad del organismo para adaptarse. Estas moléculas de ADN portan solamente unos pocos genes que en cierto modo están ligados al cromosoma bacteriano, de forma que se replican en números fijos, junto con el cromosoma.

Algunos de estos plásmidos tienen la capacidad de incorporarse al cromosoma de una célula huésped y permanecer allí inalterados por mucho tiempo. Los plásmidos además pueden ser transferidos de una bacteria a otra durante el proceso de conjugación bacteriana. A este mecanismo de conjugación se debe el surgimiento de la resistencia bacteriana a los antibióticos. Las bacterias que no son resistentes a los antibióticos reciben, tras una conjugación bacteriana, un plásmido R, que les confiere la resistencia frente a los antibióticos. Además estas bacterias, al replicarse, podrían transmitir a las generaciones posteriores esos plásmidos, ya que estos tienen la característica de heredarse en forma estable (que significa que se mantienen sin selección al momento de la duplicación).

Algunas células bacterianas individuales también pueden contener varios tipos diferentes de plásmidos, en algunos casos más de 10. La capacidad de dos tipos diferentes de plásmidos para replicarse en la misma célula está controlada por genes del plásmido mismo que controlan su replicación. Una cosa común es que, cuando un plásmido se transfiere a una célula que ya lleva otro plásmido, el segundo plásmido puede no mantenerse y perderse en la siguiente replicación celular. A ello se lo llama incompatibilidad de los plásmidos. Se ha reconocido la existencia de cierto número de plásmidos incompatibles, con los plásmidos de un grupo excluyéndose entre sí, pero siendo capaces de coexistir con los plásmidos de otros grupos. La célula bacteriana puede contener diferentes tipos de plásmidos aunque no están relacionados entre sí porque deben ser compatibles.

Los plásmidos que gobiernan su propia transferencia se llaman conjugativos, pero no todos lo son. La transmisibilidad mediante la conjugación está controlada por un conjunto de genes dentro del plásmido que constituye la región Tra (ver figura1). La presencia de una región Tra en un plásmido puede tener una importante consecuencia si el plásmido se integra en el cromosoma. En tal caso, el plásmido puede movilizar la transferencia de ADN cromosómico de una célula a la otra.

Además se encuentran divididos en dos tipos. Los plásmidos R y los plásmidos F.

Los plásmidos R (ver Fig.2) son círculos de ADN de doble filamento, que codifican caracteres como la resistencia a las drogas y otros; pueden transferir genes propios y genes cromosómicos a otras bacterias. Estos son los que confieren la resistencia a los antibióticos. Su modo de acción esta situado en los caracteres que codifica sus genes. Estos caracteres son las proteínas, producto de la traducción de genes, que dan las características propias de cada célula. No es que codifican a conciencia la resistencia sino que por diferencias genéticas, codifican otras proteínas que, por ejemplo, cambian la estructura de la membrana y el antibiótico que atacaba la membrana con la característica genética original ya no lo podría hacer. Esta es la acción que confiere la resistencia, alterar algunos aspectos vitales en forma que el antibiótico dirigido a estos ya no pueda actuar. Además la naturaleza conjugativa del plásmido R tiene importancia en la rápida diseminación de genes de resistencia a fármacos y antibióticos a través de poblaciones de bacterias patógenas. Hay que tener en cuenta que los genes R no van a cambiar siempre la estructura a favor de la bacteria, pues la alteración de rasgos vitales supone un riesgo muy peligroso para la bacteria, que es la muerte de la misma. Aquí es donde se puede aplicar el concepto de selección natural que supone que si el microorganismo tiene una característica genotípica que hace que no se pueda desarrollar en ese medio, terminará por eliminarse quedando aquellas que su plásmido les permite vivir con la resistencia que adquirieron.

Los plásmidos F son similares pero que no codifican genes de resistencia sino que son un factor de fecundación que convierte a la célula que lo posee en donadora, para conjugarse. Este plásmido es muy importante a la hora de hablar de conjugación ya que es el que da las características para saber cuál será el donador y que característica tendrá ese donador. Los mismos están relacionados con la reproducción asexual de las bacterias. Las bacterias que tienen este factor F en su citoplasma se consideran donadoras o F+ y esta condición es trasnferible ya que el factor F puede pasarse en la conjugación convirtiendo a la receptora en donadora. Otro aspecto importante de este plásmidos es que se puede integrar en el cromosoma bacteriano convirtiendo a la cepa en Hfr (alta frecuencia de recombinación) que lo que hace es elevar la frecuencia con la que las bacterias se recombinan. Estos aumentan la frecuencia de recombinantes de 1 a 1000 células o más.

Capítulo 3

Variabilidad de los plásmidos y proceso de conjugación.

3.1 – Características esenciales de los plásmidos F y R.

Ya teniendo en claro que es el factor F, hay que analizar aspectos importantes del mismo a la hora de la conjugación. Cuando el plásmido F está dentro de la bacteria, a esta se la denomina F+ y es la que actuará como donadora o macho. Cuando se finaliza la conjugación la F+ pasa su capacidad de donante a la otra convirtiendo una F- (receptora) en una F+; y la F+ sigue siendo F+, por replicación del plásmido .

Pero, además, el factor F puede integrarse en el cromosoma dando lugar a la cepa Hfr. "La integración del factor F en el cromosoma tendría lugar mediante la interacción de secuencias de inserción homólogas de ambas moléculas, hecho que explicaría la existencia de un número limitado de zonas de integración."

El factor F tiene 4 regiones: de trasferencia; de integración; de replicación; y de resistencia a bacteriófagos de cepas F-. Pero se apuntará a dos de ellas.

En la región de transferencia se encuentran los genes responsables de la transferencia, poseyendo estos una agrupación como un operón. Este operón Tra es la región de transferencia y el responsable de la formación de cepas Hfr mediante un proceso de recombinación propio de la bacteria y presenta un tiempo de transmisión de 6 minutos.

Muchas cepas F+ son capaces de originar una gran variedad de líneas Hfr. Así una cepa F+ produce una línea de cepas Hfr aproximadamente en 1 x 10-5 por célula y por generación. Las cepas Hfr pueden volver a su estado F+ con una frecuencia característicamente similar a la de su formación. Cuando se conjugan una cepa Hfr y una F-, la F- adquiere un factor F completo (volviéndose donador Hfr), sólo en aquellos raros casos en los que se transfiere el cromosoma completo. De no ser así, la donadora Hfr seguirá siéndolo por conservación de su plásmido y la receptora seguirá siendo F- pero con alguna secuencia más de genes distintos a los que tenía antes de la conjugación, ya que con la porción de cromosoma obtenido se produjo una recombinación interna entre cromosoma original y huésped.

El factor F tiene un mecanismo de replicación independiente del cromosoma bacteriano. Cuando el factor F está integrado en el cromosoma, su mecanismo se ve supeditado por el del propio cromosoma. Pero cuando no está integrado es capaz de replicarse en forma muy similar a la forma que tiene cuando sí está integrado.

El plásmido R tiene una característica muy particular, que tiene que ver con la posesión de elementos genéticos transponibles, o sea que se movilizan por cuenta propia, y son los transposones. Estos transposones son segmentos de ADN de doble hélice, que no se autoduplican. Son extremadamente móviles, se transfieren y ayudan a transferir genes plasmídicos y cromosómicos. Pueden producir variaciones genéticas sin que sea necesaria la replicación de extensos segmentos de ADN. Gran parte de los genes R están ubicados en los transposones y tienen las propiedades de estos, como por ejemplo la diseminación rápida dentro de una célula así que los transposones bacterianos son claramente los responsables de la transcripción de genes R de una célula a la otra.

3.2 – Conjugación bacteriana.

La conjugación es el proceso por el cual las bacterias diseminan material genético que en este caso son los plásmidos que portan genes (ver Fig. 3). Las bacterias pueden transferir plásmidos, que son círculos de ADN, de formas distintas según su tipo. En las bacterias gram-negativas, una célula donadora produce estructuras protuberantes que son los pili, que establecen contacto con una célula receptora. Después del contacto, el pilos se retrae, consiguiendo así que las bacterias donadora y receptora queden estrechamente unidas. Suele ocurrir que muchas bacterias donadoras despliegan sus pili al mismo tiempo y son varias las bacterias de este tipo que pueden converger a la vez en una misma receptora. Como consecuencia de ello, se producen agregaciones de bacterias. A continuación se forma un poro entre las células. Por dicho poro pasa a la bacteria receptora una de las cadenas del ADN plasmídico, regenerándose después una molécula de cadena doble a partir de cada una de las cadenas simples. Cuando concluye la transferencia, las bacterias se separan. En las bacterias gram-positivas la conjugación es similar, pero para atraerse las bacterias no utilizan pili sino señales químicas.

Los plásmidos son estructuras independientes del cromosoma bacteriano. Este, mucho mayor, contiene los genes necesarios para la reproducción bacteriana. También los cromosomas se pueden intercambiar mediante conjugación, aunque sólo en circunstancias excepcionales.

Si bien las bacterias utilizan la conjugación para transferir información genética en muchos ambientes distintos, si un plásmido está alterado genéticamente es peligroso para la bacteria, si la característica genética que este le da no es favorable para su desarrollo. Entonces el plásmido frenaría la tasa de crecimiento de las bacterias y acabaría eliminando a las bacterias pues no representa ninguna ventaja para ellas.

Otra característica es que cuando se transfiere un plásmido a una célula receptora, normalmente recibe la capacidad de donante. Cuando es de cromosoma la probabilidad de recibir la capacidad de donante es más baja, y el tiempo máximo que lleva este tipo de transferencia es de 100 minutos.

Aunque la conjugación fue el primer mecanismo de transferencia génica entre bacterias estudiado a fondo en la naturaleza, no fue el primero que se identificó. Los estudios de transferencia génica entre bacterias comenzaron en 1928, cuando Frederick Griffith, microbiólogo británico, observó que ciertas bacterias neumocócicas no virulentas se volvían virulentas cuando, mezcladas con otros neumococos virulentos muertos, se inyectaban en ratones. Griffith concluyó que las bacterias no virulentas se volvían virulentas y mataban a los ratones porque adquirían un agente transformante procedente de las bacterias virulentas muertas. Ahora sabemos que ese agente transformante es el ADN, que se liberaba al medio cuando las bacterias muertas se rompían. Este es el proceso de transformación.

Capítulo 4

Los antibióticos y las bacterias.

Los antibióticos son sustancias químicas producidas por ciertos microorganismos que inhiben o matan el crecimiento de otros. Son producto de la actividad bacteriana y se producen en gran escala.

Se han descubierto un gran número de antibióticos pero menos del 1% son útiles y han tenido un positivo impacto sobre el tratamiento de enfermedades infecciosas. A continuación se verán algunos aspectos de la acción antibiótica.

4.1 – ¿Cómo actúan los antibióticos sobre las bacterias?

La sensibilidad de los microorganismos a los antibióticos varía según el tipo. Las bacterias Gram positivas son generalmente más sensibles que las Gram negativas. Cuando un antibiótico actúa eficazmente sobre ambas se dice que es de amplio espectro, si actúa sólo sobre determinadas bacterias se dice que es de corto espectro. Este último puede ser muy útil para el control de microorganismos que no responden a otros antibióticos.

Los antibióticos, según su estructura química y su modo de acción, actúan en diversos puntos de la bacteria. Las dianas más importantes son la pared celular, la membrana citoplasmática y los procesos biosintéticos de las síntesis de proteínas. Algunos agentes quimioterapéuticos, como las sulfas, son análogos de factores de crecimiento, funcionan porque mimetizan importantes factores de crecimiento que son necesarios para el metabolismo de la célula.(ver Fig. 5)

4.2 – Efecto del plásmido R sobre los antibióticos

La acción que ejerce el plásmido R sobre los antibióticos es sencilla. El plásmido R lo que hace es transcribir sus genes que dan algunas características proteínicas a la bacteria. Esta características pueden ir desde detalles como cambios en algún aa (amino ácido) hasta variación de algunas proteínas de la membrana plasmática, así que en realidad no codifican cosas sin importancia. Si un antibiótico está dirigido a alguno de esos lugares específicos actuará sobre el sitio siempre que pueda. Pero un plásmido puede provocar varias cosas que eviten la efectividad sobre el blanco:

• Modificación del blanco bioquímico del antibiótico, es decir, sobre la estructura sobre la cual ejerce su efecto. Un ejemplo de blanco puede ser los ribosomas.
• Limitación de la acumulación del antibiótico en la célula por disminución de la permeabilidad o por aumento de su transporte al exterior.
• Inactivación del antibiótico por cambios en su estructura química, acetilación, fosforilación, hidrólisis del núcleo activo, etc.
• Sustitución de enzimas codificadas por genes cromosómicos por otras incapaces de unirse al antibiótico y por lo tanto insensibles a su efecto.

Así la droga no podrá ejercer su acción. Estas características no nacieron de la noche a la mañana, sino que son producto de un proceso que lleva siglos y que hoy se acelera cada vez más.(ver tabla )

Tabla- Algunos mecanismos bioquímicos de resistencia a los antibióticos

4.3 – Efecto del uso indiscriminado de los antibióticos.

El uso de los antibióticos ha alcanzado un grado importante. El descubrimiento y el uso clínico de los mismos ha ido paralelo a la aparición de bacterias resistentes a su acción. "En general, niveles elevados de antibióticos dan niveles elevados de cepas resistentes."

Las encuestas han mostrado que los antibióticos se utilizan con una frecuencia mucho mayor de la necesaria. Estudios en Japón señalan que en menos de 10 años las poblaciones naturales de bacterias han evolucionado de resistencias muy bajas (menos del 1%), frecuencias relativamente altas (50 – 80%). Como resultado, casi todos los microorganismos patógenos han desarrollado resistencia a algunos antibióticos que desde 1950 se usan ampliamente. Actualmente para el tratamiento con agentes quimioterapéuticos, se recomiendan nuevas modalidades, simplemente para evitar la rápida aparición de genes R. "Parece ser que los organismos son seleccionados por la presencia del antibiótico en el medio ambiente"

Existen muchos ejemplos de antibióticos que han perdido su efectividad. La penicilina y las sulfas, que fueron los primeros agentes quimioterapéuticos de amplio espectro, no tienen gran uso actualmente, porque muchos patógenos han adquirido un grado de resistencia frente a ellos.

Otro uso innecesario es, por ejemplo, el uso de antibióticos en la agricultura como estimuladores del crecimiento en piensos para animales, como profilácticos para evitar la aparición de enfermedades. Cuando el medio se sobrecarga de antibióticos, se puede dar un rápido desarrollo de la resistencia. Si se redujera el uso de antibióticos al mínimo indispensable, también se podría reducir la tendencia a diseminar y seleccionar las cepas bacterianas resistentes. Además si bien hay una prevalencia de los plásmidos R en bacterias patógenas y estos factores podrían ser capaces de seguir transfiriendo resistencia a los antibióticos, sería en menor medida porque disminuiría la presión selectiva.

Conclusión

El objetivo de este trabajo era el de relacionar la conjugación bacteriana de plásmidos de resistencia con, la existencia de factores F y el uso indiscriminado de antibióticos. Y más puntualmente se quería comprobar que las cepas Hfr con plásmidos R, son las que tienen más oportunidad de sobrevivir al proceso de selección natural que ejercen los antibióticos en las bacterias. Al intentar establecer la relación entre el plásmido R y el F+ integrado o no en el cromosoma, se encontró en el libro Principios de genética de Jonh Gardner, que en realidad, que la cepa sea donadora (F+) o receptora (F-), no influye bajo ningún aspecto a la conjugación de los plásmidos R.

Aún así, el valor de los plásmidos R existe. La posesión o no de los plásmidos poco a poco se vuelve un factor más influyente en la supervivencia de las bacterias. Esto se debe al uso indiscriminado que se hace de los antibióticos; este uso abusivo genera un aumento de la presión selectiva, pero no el exterminio total de las mismas, ya que las que cuentan con la resistencia podrán sobrevivir y reproducirse, dejando una descendencia con las mismas características genéticas, pero las que no morirán.

Pero también está la amplia posibilidad de la transferencia a través de la conjugación, que da como resultado dos cepas resistentes, si el plásmido de la donadora era conjugativo, y 1 cepa resistente si el plásmido no lo era. Pero como los genes R se encuentran sobre elementos genéticos muy móviles, que son los transposones, parte de esos genes se pueden diseminar por el resto de la bacteria haciendo que a pesar de la pérdida de su plásmido conserve ciertos genes para resistir en alguna forma.

Se puede concluir, entonces, que a pesar de no hallar relación entre los plásmidos F y los plásmidos R, la existencia de los plásmidos R es un factor influyente sobre la supervivencia de la bacteria dentro de su espacio de vida, cuando la misma es expuesta a antibióticos naturales o a antibióticos producidos por el hombre, siendo las poseedoras de los plásmidos R, o de sus genes, las que tendrán más posibilidades de vivir al proceso de selección natural y al aumento de presión selectiva por el uso indiscriminado de antibióticos.

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Duarte Erica Ayelén

PROFESOR GUÍA: GAVINI PHILIP.

COLEGIO NACIONAL SAN ISIDRO.

GRAL. PACHECO, AÑO 2004.

Argentina