Bacillus anthracis
Especies de bacteria

Bacillus anthracis
Fotomicrografía de Bacillus anthracis ,
teñida con fucsina - azul de metileno (tinción de esporas)
Clasificación científica Editar esta clasificación
Dominio:Bacteria
Filo:Bacillota
Clase:Bacilos
Orden:Bacilas
Familia:Bacilláceas
Género:Bacilo
Especies:
B. antracis
Nombre binomial
Bacillus anthracis
Cohn 1872

Bacillus anthracis es una bacteria grampositiva y con forma de bastónque causa ántrax , una enfermedad mortal para el ganado y, ocasionalmente, para los humanos. Es el único patógeno permanente ( obligado )dentro del género Bacillus . Su infección es un tipo de zoonosis , ya que se transmite de animales a humanos. [1] Fue descubierto por el médico alemán Robert Koch en 1876, y se convirtió en la primera bacteria en demostrar experimentalmente que era un patógeno. El descubrimiento también fue la primera evidencia científica de la teoría de los gérmenes de las enfermedades . [2]

B. anthracis mide alrededor de 3 a 5 μm de largo y 1 a 1,2 μm de ancho. El genoma de referencia consiste en un cromosoma circular de 5.227.419 pb y dos plásmidos de ADN extracromosómico , pXO1 y pXO2, de 181.677 y 94.830 pb respectivamente, [3] que son responsables de la patogenicidad. Forma una capa protectora llamada endospora por la que puede permanecer inactiva durante muchos años y de repente se vuelve infectiva en condiciones ambientales adecuadas. Debido a la resiliencia de la endospora, la bacteria es una de las armas biológicas más populares . La cápsula proteica (ácido poli-D-gamma-glutámico) es clave para la evasión de la respuesta inmune. Se alimenta del hemo de la proteína sanguínea hemoglobina utilizando dos proteínas secretoras sideróforas , IsdX1 e IsdX2.

Árbol filogenético que muestra B. anthracis en el grupo de cepas B. cereus .
Estructura de B. anthracis

La infección por B. anthracis no tratada suele ser mortal. La infección se manifiesta por lesiones inflamatorias, negras y necróticas ( escaras ). Las llagas suelen aparecer en la cara, el cuello, los brazos o las manos. Los síntomas letales incluyen fiebre similar a la gripe, malestar en el pecho, diaforesis (sudoración excesiva) y dolores corporales. La primera vacuna animal contra el ántrax fue desarrollada por el químico francés Louis Pasteur en 1881. En la actualidad existen diferentes vacunas para animales y humanos. La infección se puede tratar con antibióticos comunes como penicilinas , quinolonas y tetraciclinas .

Descripción

CD14 y Mac-1 trabajan juntos para aumentar la internalización de las esporas de B. anthracis por parte de los macrófagos . (a) CD14 y TLR2 trabajan en estrecha proximidad para propagar la señal de activación. Mac-1 comienza en una conformación cerrada que evita que la integrina se una a las esporas, manteniéndolas fuera de la célula. (b) CD14 se une a los residuos de ramnosa en el BclA del exosporio, lo que conduce a la activación de PI3K mediada por TLR2. (c) La activación de PI3K empuja a Mac-1 hacia su conformación abierta para que la espora pueda unirse e internalizarse (información de Oliva et al. 2009)

Las bacterias B. anthracis tienen forma de bastón , de aproximadamente 3 a 5 μm de largo y 1 a 1,2 μm de ancho. [4] Cuando se cultivan en un medio de cultivo , tienden a formar largas cadenas de bacterias. En placas de agar , forman colonias grandes de varios milímetros de diámetro que generalmente son de color blanco o crema. [4] La mayoría de las cepas de B. anthracis producen una cápsula que les da a las colonias una apariencia viscosa similar a un moco. [4]

Es una de las pocas bacterias conocidas que sintetiza una cápsula proteica débilmente inmunogénica y antifagocítica (ácido poli-D-gamma-glutámico) que oculta a la bacteria vegetativa del sistema inmunológico del huésped. [5] La mayoría de las bacterias están rodeadas por una cápsula de polisacárido en lugar de ácido poli-gD-glutámico, lo que proporciona una ventaja evolutiva a B. anthracis . Los polisacáridos están asociados con la adhesión de defensinas secretadas por neutrófilos que inactivan y degradan las bacterias. Al no contener esta macromolécula en la cápsula, B. anthracis puede evadir un ataque neutrófilo y continuar propagando la infección. La diferencia en la composición de la cápsula también es significativa porque se ha planteado la hipótesis de que el ácido poli-gD-glutámico crea una carga negativa que protege la fase vegetativa de las bacterias de la fagocitosis por los macrófagos . [6] La cápsula se degrada a una masa molecular menor y se libera de la superficie celular bacteriana para actuar como señuelo para proteger a las bacterias del complemento . [7]

Al igual que Bordetella pertussis , forma una exotoxina adenilato ciclasa dependiente de calmodulina [ se necesita más explicación ] conocida como factor de edema del ántrax , junto con el factor letal del ántrax . Tiene un gran parecido genotípico y fenotípico con Bacillus cereus y Bacillus thuringiensis . Las tres especies comparten dimensiones y morfología celular . Todas forman esporas ovaladas ubicadas centralmente en un esporangio no hinchado . Las endosporas de B. anthracis , en particular, son muy resistentes y sobreviven a temperaturas extremas, entornos con bajos nutrientes y tratamientos químicos severos durante décadas o siglos. [ cita requerida ]

La endospora es una célula deshidratada con paredes gruesas y capas adicionales que se forman dentro de la membrana celular. Puede permanecer inactiva durante muchos años, pero si se encuentra en un entorno favorable, comienza a crecer de nuevo. Inicialmente se desarrolla dentro de la forma de bastón. Las características como la ubicación dentro del bastón, el tamaño y la forma de la endospora y si hace que la pared del bastón se abulte o no son características de especies particulares de Bacillus . Dependiendo de la especie, las endosporas son redondas, ovaladas o, en ocasiones, cilíndricas. Son muy refringentes y contienen ácido dipicolínico . Las secciones de micrografía electrónica muestran que tienen una capa de endospora externa delgada, una corteza de espora gruesa y una membrana de espora interna que rodea el contenido de la endospora. Las endosporas resisten el calor, la desecación y muchos desinfectantes (incluido el etanol al 95%). [8] Debido a estos atributos, las endosporas de B. anthracis son extraordinariamente adecuadas para su uso (en forma de polvo y aerosol) como armas biológicas . Esta militarización se ha logrado en el pasado en al menos cinco programas estatales de armas biológicas (los del Reino Unido , Japón , Estados Unidos , Rusia e Irak ) y se ha intentado en varios otros. [9]

Estructura del genoma

B. anthracis tiene un solo cromosoma, que es una molécula de ADN circular de 5.227.293 pb. [10] También tiene dos plásmidos de ADN bicatenarios extracromosómicos circulares, pXO1 y pXO2. Tanto el plásmido pXO1 como el pXO2 son necesarios para la virulencia completa y representan dos familias de plásmidos distintas. [11]

CaracterísticaCromosomapXO1pXO2
Tamaño (pb)5.227.293181.67794.829
Número de genes5,508217113
Codificación de replicón (%)84.377.176.2
Longitud media del gen (nt)800645639
Contenido de G+C (%)35.432.533.0
operones de ARNr1100
ARNt9500
ARN pequeños320
Genes de fagos6200
Genes transposónicos18156
Marco de lectura interrumpido3757
Genes con función asignada2.7626538
Genes hipotéticos conservados1.2122219
Genes de función desconocida65785
Genes hipotéticos87712251

plásmido pXO1

El plásmido pXO1 (182 kb) contiene los genes que codifican los componentes de la toxina del ántrax : pag (antígeno protector, PA), lef (factor letal, LF) y cya (factor de edema, EF). Estos factores están contenidos dentro de una isla de patogenicidad (PAI) de 44,8 kb . La toxina letal es una combinación de PA con LF y la toxina del edema es una combinación de PA con EF. La PAI también contiene genes que codifican un activador transcripcional AtxA y el represor PagR, los cuales regulan la expresión de los genes de la toxina del ántrax. [11]

plásmido pXO2

pXO2 codifica un operón de cinco genes ( capBCADE ) que sintetiza una cápsula de ácido poli-γ-D-glutámico (poliglutamato). Esta cápsula permite a B. anthracis evadir el sistema inmunológico del huésped al protegerse de la fagocitosis . La expresión del operón de la cápsula es activada por los reguladores transcripcionales AcpA y AcpB, ubicados en la isla de patogenicidad pXO2 (35 kb). La expresión de AcpA y AcpB está bajo el control de AtxA de pXO1. [11]

Presiones

Las 89 cepas conocidas de B. anthracis incluyen:

  • Cepa Sterne (34F2; también conocida como "cepa Weybridge"), utilizada por Max Sterne en sus vacunas de la década de 1930
  • Cepa Vollum , utilizada anteriormente como arma por los EE. UU., el Reino Unido e Irak; aislada de una vaca en Oxfordshire , Reino Unido, en 1935
    • Vollum M-36, cepa virulenta de investigación británica; transmitida a macacos 36 veces
    • Vollum 1B, utilizado como arma por los EE. UU. y el Reino Unido entre los años 1940 y 1960
    • Vollum-14578, utilizado en ensayos de armas biológicas en el Reino Unido que contaminaron gravemente la isla Gruinard en 1942
    • V770-NP1-R, la cepa avirulenta, no encapsulada utilizada en la vacuna BioThrax
  • Ántrax 836, una cepa altamente virulenta utilizada como arma por la URSS; descubierta en Kirov en 1953
  • Cepa Ames , aislada de una vaca en Texas en 1981; famosa por su uso en los ataques de cartas de AMERITHRAX (2001)
    • Antepasado de Ames
    • Ames Florida
  • H9401, aislado de un paciente humano en Corea; utilizado en vacunas experimentales contra el ántrax [12]

Evolución

La secuenciación del genoma completo ha permitido reconstruir con gran precisión la filogenia de B. anthracis . Un factor que contribuye a la reconstrucción es que B. anthracis es monomórfica, lo que significa que tiene una baja diversidad genética, incluida la ausencia de cualquier transferencia lateral de ADN mensurable desde su derivación como especie. La falta de diversidad se debe a una corta historia evolutiva que ha impedido la saturación mutacional en polimorfismos de un solo nucleótido . [13]

Un tiempo evolutivo corto no significa necesariamente un tiempo cronológico corto. Cuando se replica el ADN, se producen errores que se convierten en mutaciones genéticas. La acumulación de estas mutaciones a lo largo del tiempo conduce a la evolución de una especie. Durante el ciclo de vida de B. anthracis , pasa una cantidad significativa de tiempo en la etapa de reservorio de esporas del suelo, en la que no se produce la replicación del ADN. Estos períodos prolongados de latencia han reducido en gran medida la tasa evolutiva del organismo. [13]

B. anthracis pertenece al grupo B. cereus, que consta de las cepas: B. cereus , B. anthracis , B. thuringiensis , B. mycoides y B. pseudomycoides . Las tres primeras cepas son patógenas u oportunistas para insectos o mamíferos, mientras que las tres últimas no se consideran patógenas. Las cepas de este grupo son genética y fenotípicamente heterogéneas en general, pero algunas de las cepas están más estrechamente relacionadas y filogenéticamente entremezcladas a nivel cromosómico. El grupo B. cereus generalmente exhibe genomas complejos y la mayoría lleva un número variable de plásmidos. [11]

B. cereus es una bacteria que habita en el suelo y que puede colonizar el intestino de los invertebrados como simbionte [14] y es una causa frecuente de intoxicación alimentaria [15] . Produce una toxina emética, enterotoxinas y otros factores de virulencia. [16] Las enterotoxinas y los factores de virulencia están codificados en el cromosoma, mientras que la toxina emética está codificada en un plásmido de 270 kb, pCER270. [11]

B. thuringiensis es un microorganismo patógeno y se caracteriza por la producción de cristales parasporales de toxinas insecticidas Cry y Cyt. [17] Los genes que codifican estas proteínas se encuentran comúnmente en plásmidos que pueden perderse del organismo, haciéndolo indistinguible de B. cereus . [11]

Un análisis filogenómico del clado Cereus combinado con un análisis de identidad de nucleótidos promedio (ANI) reveló que la especie B. anthracis también incluye cepas anotadas como B. cereus y B. thuringiensis. [18]

Pseudogen

PlcR es un regulador transcripcional global que controla la mayoría de los factores de virulencia secretados en B. cereus y B. thuringiensis . Está codificado cromosómicamente y es ubicuo en toda la célula. [19] En B. anthracis , sin embargo, el gen plcR contiene un solo cambio de base en la posición 640, una mutación sin sentido, que crea una proteína disfuncional. Mientras que el 1% del grupo B. cereus lleva un gen plcR inactivado , ninguno de ellos lleva la mutación específica que se encuentra solo en B. anthracis . [20]

El gen plcR es parte de un operón de dos genes con papR . [21] [22] El gen papR codifica una proteína pequeña que se secreta de la célula y luego se reimporta como un heptapéptido procesado que forma un sistema de detección de quórum. [22] [23] La falta de PlcR en B. anthracis es una característica principal que lo diferencia de otros miembros del grupo B. cereus . Mientras que B. cereus y B. thuringiensis dependen del gen plcR para la expresión de sus factores de virulencia, B. anthracis depende de los plásmidos pXO1 y pXO2 para su virulencia. [11] Bacillus cereus biovar anthracis , es decir, B. cereus con los dos plásmidos, también es capaz de causar ántrax.

Aspectos clínicos

Patogenesia

B. anthracis posee una cápsula antifagocítica esencial para una virulencia completa. El organismo también produce tres exotoxinas codificadas por plásmidos: factor de edema, una adenilato ciclasa dependiente de calmodulina que provoca la elevación del AMPc intracelular y es responsable del edema grave que se observa habitualmente en las infecciones por B. anthracis , toxina letal que es responsable de causar necrosis tisular, y antígeno protector, llamado así por su uso en la producción de vacunas protectoras contra el ántrax, que media la entrada celular del factor de edema y la toxina letal. [ cita requerida ]

Manifestaciones de enfermedades humanas

Los síntomas del ántrax dependen del tipo de infección y pueden tardar entre 1 día y más de 2 meses en aparecer. Todos los tipos de ántrax tienen el potencial, si no se tratan, de propagarse por todo el cuerpo y causar una enfermedad grave e incluso la muerte. [24]

Se reconocen cuatro formas de enfermedad del ántrax humano según su puerta de entrada.

  • Cutánea, la forma más común (95 %), causa una lesión inflamatoria localizada, negra y necrótica ( escara ). La mayoría de las veces, la llaga aparecerá en la cara, el cuello, los brazos o las manos. La aparición puede ocurrir entre 1 y 7 días después de la exposición.
  • La inhalación, una forma rara pero altamente letal, se caracteriza por síntomas similares a los de la gripe, malestar en el pecho, diaforesis y dolores corporales. [24] El desarrollo ocurre generalmente una semana después de la exposición, pero puede tardar hasta dos meses.
  • La gastrointestinal, una enfermedad poco frecuente pero también mortal (causa la muerte en el 25 %), es consecuencia de la ingestión de esporas. Los síntomas incluyen: fiebre y escalofríos, hinchazón del cuello, dolor al tragar, ronquera, náuseas y vómitos (especialmente vómitos con sangre), diarrea, enrojecimiento y ojos rojos e hinchazón del abdomen. [24] Los síntomas pueden desarrollarse en un plazo de 1 a 7 días .
  • Inyección, los síntomas son similares a los del ántrax cutáneo, pero el ántrax inyectable puede propagarse por todo el cuerpo más rápido y puede ser más difícil de reconocer y tratar en comparación con el ántrax cutáneo. [24] Los síntomas incluyen fiebre, escalofríos, un grupo de pequeñas protuberancias o ampollas que pueden picar, que aparecen en el lugar donde se inyectó el patógeno. Una llaga indolora con un centro negro que aparece después de las ampollas o protuberancias. Hinchazón alrededor de la llaga. Abscesos profundos debajo de la piel o en el músculo donde se inyectó el patógeno. Este tipo de entrada nunca se ha encontrado en los EE. UU.

Prevención y tratamiento

Se han desarrollado varias vacunas contra el ántrax para uso preventivo en ganado y seres humanos. La vacuna adsorbida contra el ántrax (AVA) puede proteger contra el ántrax cutáneo y por inhalación. Sin embargo, esta vacuna solo se utiliza en adultos en riesgo antes de la exposición al ántrax y no ha sido aprobada para su uso después de la exposición. [25] Las infecciones por B. anthracis se pueden tratar con antibióticos β-lactámicos como la penicilina y otros que son activos contra las bacterias grampositivas. [26] El B. anthracis resistente a la penicilina se puede tratar con fluoroquinolonas como la ciprofloxacina o antibióticos de tetraciclina como la doxiciclina . [ cita requerida ]

Investigación de laboratorio

Los componentes del té , como los polifenoles , tienen la capacidad de inhibir considerablemente la actividad tanto de B. anthracis como de su toxina; sin embargo, las esporas no se ven afectadas. La adición de leche al té inhibe completamente su actividad antibacteriana contra el ántrax. [27] La ​​actividad contra B. anthracis en el laboratorio no prueba que beber té afecte el curso de una infección, ya que se desconoce cómo se absorben y distribuyen estos polifenoles dentro del cuerpo. B. anthracis se puede cultivar en agar PLET, un medio selectivo y diferencial diseñado para seleccionar específicamente B. anthracis .

Investigaciones recientes

Los avances en los métodos de genotipificación han permitido mejorar el análisis genético de la variación y el parentesco. Estos métodos incluyen el análisis de repetición en tándem de número variable de locus múltiples ( MLVA ) y los sistemas de tipificación que utilizan polimorfismos de un solo nucleótido canónicos . El cromosoma ancestral de Ames se secuenció en 2003 [10] y contribuye a la identificación de genes implicados en la virulencia de B. anthracis . Recientemente, se aisló el aislado H9401 de B. anthracis de un paciente coreano que sufría de ántrax gastrointestinal. El objetivo de la República de Corea es utilizar esta cepa como cepa de desafío para desarrollar una vacuna recombinante contra el ántrax. [12]

La cepa H9401 aislada en la República de Corea se secuenció utilizando tecnología 454 GS-FLX y se analizó utilizando varias herramientas bioinformáticas para alinear, anotar y comparar H9401 con otras cepas de B. anthracis . El nivel de cobertura de la secuenciación sugiere una relación molecular de pXO1:pXO2:cromosoma de 3:2:1, que es idéntica a las cepas Ames Florida y Ames Ancestor. H9401 tiene una homología de secuencia del 99,679 % con Ames Ancestor con una homología de secuencia de aminoácidos del 99,870 %. H9401 tiene un cromosoma circular (5 218 947 pb con 5480 ORF previstos ), el plásmido pXO1 (181 700 pb con 202 ORF previstos) y el plásmido pXO2 (94 824 pb con 110 ORF previstos). [12] En comparación con el cromosoma del ancestro Ames mencionado anteriormente, el cromosoma H9401 es aproximadamente 8,5 kb más pequeño. Debido a su alta patogenicidad y similitud de secuencia con el ancestro Ames, el cromosoma H9401 se utilizará como referencia para probar la eficacia de las vacunas candidatas contra el ántrax en la República de Corea. [12]

Desde que se secuenció el genoma de B. anthracis, se están buscando formas alternativas de combatir esta enfermedad. Las bacterias han desarrollado varias estrategias para evadir el reconocimiento por parte del sistema inmunológico. El mecanismo predominante para evitar la detección, empleado por todas las bacterias, es el camuflaje molecular. Pequeñas modificaciones en la capa externa que hacen que las bacterias sean prácticamente invisibles a las lisozimas. [28] Se han identificado y caracterizado tres de estas modificaciones. Estas incluyen (1) N-glicosilación del ácido N-acetilmurámico, (2) O-acetilación del ácido N-acetilmurámico y (3) N-desacetilación de la N-acetilglucosamina. La investigación durante los últimos años se ha centrado en inhibir tales modificaciones. [29] Como resultado, se está investigando el mecanismo enzimático de las desacetilasas de polisacáridos, que catalizan la eliminación de un grupo acetilo de la N-acetil-glucosamina y el ácido N-acetil-murámico, componentes de la capa de peptidoglicano. [ cita requerida ]

Interacciones con el anfitrión

Al igual que la mayoría de las bacterias patógenas, B. anthracis debe adquirir hierro para crecer y proliferar en su entorno huésped. Las fuentes de hierro más fácilmente disponibles para las bacterias patógenas son los grupos hemo utilizados por el huésped en el transporte de oxígeno. Para extraer el hemo de la hemoglobina y la mioglobina del huésped , B. anthracis utiliza dos proteínas sideróforas secretoras , IsdX1 e IsdX2. Estas proteínas pueden separar el hemo de la hemoglobina, lo que permite que las proteínas de superficie de B. anthracis lo transporten al interior de la célula. [30]

B. anthracis debe evadir el sistema inmunológico para establecer una infección exitosa. Las esporas de B. anthracis son fagocitadas inmediatamente por macrófagos y células dendríticas una vez que ingresan al huésped. Las células dendríticas pueden controlar la infección a través de una eliminación intracelular efectiva, pero los macrófagos pueden transportar las bacterias directamente dentro del huésped atravesando una capa delgada de células epiteliales o endoteliales para llegar al sistema circulatorio. [31] Normalmente, en el proceso de fagocitosis, el patógeno es digerido al ser internalizado por el macrófago. Sin embargo, en lugar de degradarse, las esporas de ántrax secuestran la función del macrófago para evadir el reconocimiento por parte del sistema inmunológico del huésped. La fagocitosis de las esporas de B. anthracis comienza cuando los receptores transmembrana en la membrana extracelular del fagocito interactúan con una molécula en la superficie de la espora. La CD14, una proteína extracelular incrustada en la membrana del huésped, se une a los residuos de ramnosa de BclA, una glucoproteína del exosporium de B. anthracis , que promueve la activación de adentro hacia afuera de la integrina Mac-1, mejorando la internalización de las esporas por los macrófagos. Esta cascada da como resultado la activación celular fagocítica y la inducción de una respuesta inflamatoria. [32]

Muestreo

La presencia de B. anthracis se puede determinar a través de muestras tomadas en superficies no porosas.

  • Cómo tomar muestras con esponja de celulosa en superficies no porosas
  • Cómo tomar muestras con un hisopo de macroespuma en superficies no porosas

Antecedentes históricos

Estructura cristalina de la proteína CapD de B. anthracis

El médico francés Casimir Davaine (1812-1882) demostró que los síntomas del ántrax iban acompañados invariablemente del microbio B. anthracis . [33] El médico alemán Aloys Pollender (1799-1879) es reconocido por el descubrimiento. B. anthracis fue la primera bacteria que se demostró de manera concluyente que causaba enfermedad, por Robert Koch en 1876. [34] El nombre de la especie anthracis proviene del griego anthrax (ἄνθραξ), que significa "carbón" y se refiere a la forma más común de la enfermedad, el ántrax cutáneo , en el que se forman grandes lesiones cutáneas negras . A lo largo del siglo XIX, el ántrax fue una infección que implicó varios desarrollos médicos muy importantes. La primera vacuna que contenía organismos vivos fue la vacuna veterinaria contra el ántrax de Louis Pasteur. [35]

Referencias

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Lectura adicional

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  • Kusar, D.; Paté, M.; Hubad, B.; Avbersek, J.; Logar, K.; Lapanje, A.; Zrimec, A.; Ocepek, M. (2012). "Detección de Bacillus anthracis en el aire, suelo y tejidos animales". Acta Veterinaria . 62 (1): 77–89. doi : 10.2298/AVB1201077K .
Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Bacillus anthracis .
  • Genomas de Bacillus anthracis e información relacionada en PATRIC, un centro de recursos bioinformáticos financiado por el NIAID
  • Recurso Pathema-Bacillus
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