El sistema inmunitario bacteriano moldea los microbiomas

Las defensas inmunitarias bacterianas no solo protegen contra virus y plásmidos invasores, sino que también determinan quién vive, quién evoluciona y cómo se organizan comunidades enteras de microorganismos. Este hallazgo, presentado por un grupo internacional de investigadores, amplía nuestra comprensión del papel ecológico de los sistemas inmunitarios bacterianos en los microbiomas.

Estos sistemas actúan contra elementos genéticos móviles (EGM), como fagos y plásmidos. El nuevo análisis propone que la dinámica entre los EGM y los sistemas de defensa define la composición y las funciones de las comunidades bacterianas en diferentes ecosistemas.

Las defensas dan forma al ecosistema.

Las bacterias coexisten en comunidades complejas, esenciales para procesos como el ciclo del carbono, la fijación del nitrógeno y la descomposición de la materia orgánica. En estos entornos, los OGM promueven el intercambio genético y una rápida adaptación. Sin embargo, muchos de estos elementos son parásitos y su propagación supone riesgos. Para contenerlos, las bacterias han desarrollado decenas de mecanismos de defensa, como CRISPR-Cas y sistemas de modificación de la restricción (RM).

Estudios recientes han catalogado más de 150 familias distintas de sistemas inmunitarios bacterianos. En promedio, cada genoma bacteriano contiene de cinco a seis de estos sistemas. Esta diversidad permite una resistencia multicapa y actúa como un filtro selectivo para los MGE que circulan en la comunidad.

Interacción compleja con MGE

El sistema inmunitario no actúa de forma aislada. La presencia de ciertos sistemas inmunitarios puede reducir la diversidad de MGE, pero también puede favorecer la persistencia de elementos beneficiosos, como los plásmidos que confieren resistencia a los antibióticos.

Algunos MGE han desarrollado estrategias para inhibir las defensas bacterianas. Los plásmidos, por ejemplo, suelen portar genes antiinmunes capaces de inactivar los mecanismos de defensa en cuanto penetran en la célula.

Además, el entorno influye en el funcionamiento de estas interacciones. La temperatura, la presencia de antibióticos y la estructura espacial de la comunidad alteran la eficacia del sistema inmunitario y la capacidad de propagación de las GEM.

Barreras a la transferencia de genes

Las defensas bacterianas también regulan la transferencia horizontal de genes (HGT). Sistemas como CRISPR-Cas y RM limitan la entrada de ADN extraño, actuando como barreras genéticas. En algunos casos, como en Pectobacterium atrosepticum, los sistemas CRISPR permiten la entrada selectiva de genes útiles a la vez que bloquean fagos dañinos.

Esto crea una partición en el flujo genético dentro de las comunidades, lo que influye directamente en la velocidad y el alcance de la evolución microbiana.

Presión selectiva en el contexto comunitario

La composición de la comunidad microbiana afecta la selección de defensas. En entornos con biodiversidad, como el suelo o el intestino, existe una mayor prevalencia de sistemas inmunitarios. Esta diversidad expande la llamada "inmunidad distribuida", en la que diferentes cepas comparten defensas mediante transferencia horizontal.

El modelo de "paninmunidad" sugiere que la inmunidad de una comunidad no reside en una sola célula, sino en todo el pangenoma, accesible mediante TGH. Este fenómeno se ha observado en Vibrio cholerae, donde los fagos inducen el intercambio de genes de defensa entre bacterias.

Por otro lado, mantener estas defensas conlleva costos, como la autoinmunidad. Estos costos varían según el entorno y la composición de la comunidad. En algunos contextos, las bacterias pierden sus sistemas de defensa para mantener la adaptación, como ocurre en entornos con uso intensivo de antibióticos.

Más allá de la protección: los MGE como agentes activos

En un giro conceptual, el estudio muestra que los MGE también poseen sus propios sistemas de defensa. Esto transforma los elementos genéticos móviles en agentes capaces de proteger sus intereses bloqueando a sus competidores. Algunos plásmidos y fagos, por ejemplo, codifican defensas contra otros MGE, lo que altera profundamente la dinámica de la infección, la competencia y la supervivencia.

Los científicos destacan la importancia de los modelos experimentales con múltiples especies y múltiples MGE. Estos sistemas sintéticos nos permitirán comprender cómo las defensas y los MGE influyen en el funcionamiento colectivo de las comunidades microbianas, con aplicaciones en la agricultura, la salud humana y la biotecnología.

Más información en doi.org/10.1371/journal.pbio.3003489