Simbiontes enigmáticos: Las bacterias que acompañan a los alacranes

Tonalli García-Santibáñez, Mónica Rosenblueth, Esperanza Martínez-Romero

Los microbios se encuentran en todos lados, incluso dentro de los órganos de los animales. Una de las formas para averiguar qué tipo de microbios son y sus efectos, es estudiando su material genético en su totalidad, es decir, estudiar su genoma. En el Centro de Ciencias Genómicas de la UNAM hacemos genómica de muy variados microbios y organismos.

Los alacranes, unos de los artrópodos más conocidos en el mundo, resultan fascinantes no sólo por su veneno [1], que utilizan para atacar a sus presas sino también por ser muy antiguos ya que se estima que han sobrevivido alrededor de 450 millones de años con pocas modificaciones morfológicas. Se les ha considerado fósiles vivientes y se cuentan entre los primeros animales en colonizar la tierra [2]. Supusimos que los alacranes pudieran ser portadores de simbiontes ancestrales y eso nos motivó a estudiar sus bacterias. Por otro lado, la posibilidad de que las bacterias de la glándula del veneno pudieran contribuir a los efectos tóxicos del mismo fue una de las razones para estudiarlas.

Las bacterias presentes en los insectos pueden desempeñar un papel importante en su éxito evolutivo [3]. Sin embargo, los alacranes no son insectos, son artrópodos emparentados con arañas. Como hay poco trabajo de bacterias simbiontes en estos, se usan los simbiontes de insectos como referencia. Algunas de las bacterias que se han estudiado en insectos pueden proporcionar vitaminas y aminoácidos esenciales que los insectos no producen y no encuentran en su dieta. Se ha observado que entre más antiguas son estas relaciones simbióticas, mayor es la dependencia entre hospederos y simbiontes, e incluso en algunos casos son hereditarias, ya que las bacterias se transfieren a los ovarios y las nuevas generaciones de insectos nacen con ellas. Además, algunas bacterias han perdido la capacidad de crecer fuera del insecto en cultivos de laboratorio, lo que ha llevado a considerar que están en proceso de convertirse en organelos de las células del insecto [4].

Bacterias en los intestinos de alacranes

En humanos, las bacterias intestinales desempeñan un papel fundamental en el desarrollo y la salud; con base en esta premisa, emprendimos el estudio de las bacterias intestinales de dos especies de alacranes de Morelos, el alacrán morelense “barranqueño” (Vaejovis smithi, Vaejovidae) (Fig. 1) y el alacrán de Morelos o alacrán del Balsas (Centruroides limpidus, Buthidae). En los alacranes colectados en Cuernavaca, examinamos los genes de las bacterias presentes en sus intestinos, sin llevar a cabo cultivos bacterianos [5]. Encontramos una amplia diversidad de bacterias en los intestinos, que se redujo de manera considerable en los alacranes que no habían consumido alimento durante algún tiempo. Solo unas bacterias persistieron, las cuales encontramos posteriormente en un estudio más amplio que incluyó a otras especies de alacrán de México que pertenecen a las mismas familias que V. smithi y C. limpidus. Identificamos una de estas bacterias como SMC (Scorpion Mycoplasma Clade), la cual se encontró en alacranes de las familias Buthidae y Vaejovidae, mientras que la otra, que nombramos SG1 (Scorpion Group 1) se encontró únicamente en alacranes de la familia Vaejovidae [6]. En otros reportes, se ha señalado la presencia de la bacteria Wolbachia en muchos insectos y también en algunos alacranes [7]. Sin embargo, V. smithi no tiene esta bacteria en particular.

SG1 de la glándula de veneno

La bacteria SG1 también se encuentra en las glándulas de veneno, localizadas en el órgano con el que el alacrán inyecta el veneno, llamado telson (Fig. 2), y la hemos estudiado principalmente con enfoques genómicos y de microscopía. A la fecha, hemos detectado con otro procedimiento a SG1 en más de 40 individuos distintos del alacrán V. smithi. Dentro de la glándula de veneno, SG1 se encuentra en vesículas dentro de las células del epitelio secretor de la glándula de veneno (Fig. 2) y como lo encontramos también en embriones, suponemos que se puede transferir de madres a hijos, lo que aseguraría la persistencia de estos simbiontes en alacranes de esta especie.

El tamaño del genoma de la bacteria SG1 encontrada en el alacrán resultó ser pequeño, aproximadamente de 600 mil bases, en comparación con el de Escherichia coli, que es de alrededor de 4.5 millones de pares de bases y el de Mycoplasma pneumoniae con 816 mil bases (Fig. 3). En bacterias, mil bases es el tamaño promedio de un gene. Esto sugiere que la bacteria SG1, con cerca de 600 genes, tiene una capacidad metabólica reducida y tal vez una gran dependencia hacia el alacrán. Uno de los principales desafíos ha sido determinar la naturaleza de SG1, ya que no tiene una clasificación clara y no se había reportado antes. Debido a que no existe registro de bacterias cercanas, es una novedad taxonómica y la hemos llamado un simbionte enigmático, ya que contiene una alta proporción de genes de función desconocida. En el inicio del proyecto, SG1 parecía estar relacionada con Spiroplasma, una bacteria encontrada en algunos insectos, usando los genes marcadores 16S rRNA y rpoB. Sin embargo, después de obtener su genoma y utilizar otros genes marcadores, se obtuvo una mejor clasificación taxonómica, ubicándola en el “clado” de los micoplasmas y mostrando similitudes cercanas con un simbionte presente en un caracol de agua dulce. Este caracol ha generado un gran interés, ya que es portador de un parásito patógeno para los humanos, llamado Schistosoma. No obstante, aún se sabe poco de la función del micoplasma en el caracol [9].

SG1 relacionado con micoplasmas

La relación entre SG1 y el género bacteriano Mycoplasma, aunque lejana, nos pareció atractiva porque Mycoplasma está muy bien estudiado. El genoma de una de las especies de este género fue uno de los primeros en secuenciarse, demostrando ser pequeño y se ha utilizado para establecer el tamaño mínimo del genoma que una bacteria podría tener [10]. Se generó el genoma sintético de una especie de este género y, por otro lado, se han realizado mutaciones para identificar los genes esenciales. Además, se conocen numerosas especies de micoplasmas patógenos de distintos animales. En el caso de los salmones, los micoplasmas podrían ser benéficos y no patógenos [11]. De igual manera suponemos que SG1 no es patógeno en los alacranes y podría conferirles beneficios.

Al igual que otros micoplasmas, SG1 carece de pared celular y del ciclo de Krebs. En los estudios genómicos usamos el código genético de Mycoplasma como referencia. Al analizarlo, encontramos la presencia de un gen relacionado con la biosíntesis de la vitamina B2 (riboflavina) en el genoma de SG1, lo que sugiere la posibilidad de que esta bacteria pueda producir esta vitamina. Los efectos benéficos de la riboflavina en insectos están bien documentados, ya que es necesaria para su desarrollo y ningún animal puede sintetizarla por sí mismo.

Las posibles funciones de algunos de los genes encontrados en el genoma de SG1 nos llevaron a suponer que la bacteria podría utilizar glicerol y poliaminas del alacrán. Además, SG1 posee un gen que pudiera conferirle la capacidad de entrar a las células.

Perspectivas

El estudio de las bacterias que acompañan a los alacranes nos ha dado una visión amplia sobre las simbiosis bacterianas. En el Instituto de Biotecnología (IBt), se han encontrado aplicaciones biotecnológicas de los compuestos de los venenos del alacrán, los cuales pudieran usarse como insecticidas o antibióticos. ¿Podrían algunos de estos ser producidos por las bacterias que acompañan a los alacranes? Recientemente, se encontró una posible aplicación biotecnológica para Mycoplasma, que de manera intracelular en pulmones puede combatir infecciones por Pseudomonas. Es posible que los alacranes hayan encontrado una solución similar y usan micoplasmas como defensa contra patógenos, lo cual abre una línea de investigación interesante para explorar. Es importante destacar que, al igual que otros invertebrados, los alacranes carecen de inmunidad mediada por anticuerpos (inmunidad adquirida), por lo que la presencia de simbiontes que confiriesen protección contra patógenos podría ser de gran utilidad.

Referencias

1. Possani Postay LD (2023). Un interés dedicado al conocimiento y las tecnologías para la salud a partir de venenos de alacranes. Biotecnología en Movimiento IBt UNAM. https://biotecmov.ibt.unam.mx/numeros/32/1.html
2. Wendruff AJ, Babcock LE, Wirkner CS, Kluessendorf J, Mikulic DG (2020). A Silurian ancestral scorpion with fossilised internal anatomy illustrating a pathway to arachnid terrestrialisation. Scientific Reports 10(1): 1-6. DOI: 10.1038/s41598-020-77333-2
3. Degli Esposti M, Martinez Romero E (2017). The functional microbiome of arthropods. PLoS One 12(5): e0176573. DOI: 10.1371/journal.pone.0176573
4. Husnik, F., & Keeling, P. J. (2019). The fate of obligate endosymbionts: reduction, integration, or extinction. Current Opinion in Genetics & Development 58: 1-8. DOI: 10.1016/j.gde.2019.07.014
5. Bolaños LM, M Rosenblueth, S Castillo-Ramírez, G Figuier-Huttin, E Martínez-Romero (2016). Species-specific diversity of novel bacterial lineages and differential abundance of predicted pathways for toxic compound degradation in scorpion gut microbiota. Environmental Microbiology 18(5): 1364-1378. DOI: 10.1111/1462-2920.12939
6. Bolaños LM, M Rosenblueth, A Manrique de Lara, A Migueles-Lozano, C Gil-Aguillón, V Mateo-Estrada, F González-Serrano, CE Santibáñez-López, T García-Santibáñez, E Martínez-Romero (2019). Cophylogenetic analysis suggests cospeciation between the scorpion Mycoplasma clade symbionts and their hosts. PLoS One 14(1): e0209588. DOI: 10.1371/journal.pone.0209588
7. Baldo, L., Prendini, L., Corthals, A., & Werren, J. H. (2007). Wolbachia are present in southern african scorpions and cluster with supergroup F. Current Microbiology 55(5): 367–373. DOI: 10.1007/s00284-007-9009-4
8. García-Santibáñez T, M Rosenblueth, LM Bolaños, J Martínez-Romero, E Martínez-Romero (2022). The divergent genome of Scorpion Group 1 (SG1) intracellular bacterium from the venom glands of Vaejovis smithi (Scorpiones: Vaejovidae). Systematic and Applied Microbiology 45(6): 126358. DOI: 10.1016/j.syapm.2022.126358
9. Adema CM, et al. (2017). Whole genome analysis of a schistosomiasis-transmitting freshwater snail. Nature Communications 8: 15451. DOI: 10.1038/ncomms15451
10. Fraser CM, et al. (1995). The minimal gene complement of Mycoplasma genitalium. Science 270(5235): 397–403. DOI: 10.1126/science.270.5235.397
11. Rasmussen, J. A., Kiilerich, P., Madhun, A. S., Waagbø, R., Lock, E. R., Madsen, L., Gilbert, M. T. P., Kristiansen, K., & Limborg, M. T. (2023). Co-diversification of an intestinal Mycoplasma and its salmonid host. The ISME Journal, 17(5), 682–692. DOI: 10.1038/s41396-023-01379-z