Junto con Jeffrey I. Gordon, los también científicos estadounidenses E. Peter Greenberg y Bonnie L. Bassler fueron galardonados con el Premio Princesa de Asturias de Investigación Científica y Técnica 2023. El jurado valoró la contribución de estos tres investigadores acerca del «papel imprescindible de las comunidades de microorganismos en la vida sobre la Tierra, incluyendo la de los seres humanos».
En el caso de Greenberg (Nueva York, 1948) y Bassler (Chicago, 1962), los miembros del jurado destacaron, además, que ambos «han desvelado mecanismos inéditos de comunicación entre bacterias, que emiten señales químicas que modulan su comportamiento colectivo» y que sus descubrimientos permiten «aplicaciones terapéuticas innovadoras y la búsqueda de nuevos tratamientos efectivos contra bacterias resistentes a antibióticos».
Comunicación entre bacterias
En base a estudios previos llevados a cabo por otros investigadores, Greenberg y Bassler contribuyeron a esclarecer los mecanismos que utilizan las bacterias para comunicarse entre ellas, adoptando un comportamiento social. La comunicación permite poner en marcha determinados procesos cuyo éxito depende de la cooperación de un elevado número de bacterias, esto es, de la existencia de cuórum. Entre estos procesos destacan, entre otros, la bioluminiscencia, la formación de biopelículas y determinadas enfermedades infecciosas que solo tienen lugar cuando la densidad bacteriana es elevada.
La bioluminiscencia consiste en la emisión de luz por los seres vivos. El estudio de este proceso, abordado tanto por Greenberg como por Bassler de manera independiente, fue decisivo a la hora de elucidar el lenguaje de las bacterias, o sea los mecanismos que utilizan para comunicarse entre sí. La comunicación se basa en la producción, detección y respuesta en grupo a determinadas moléculas extracelulares denominadas autoinductores. Estas moléculas actúan como señales químicas para coordinar el comportamiento colectivo en respuesta a la densidad bacteriana.
El grupo de Greenberg, utilizando como modelo la bacteria bioluminiscente Vibrio fischeri (actualmente renombrada como Aliivibrio fischeri), aportó información valiosísima sobre la actuación del autoinductor, que ya había sido descubierto con anterioridad, y de la proteína reguladora activada por él para poner en marcha la respuesta. Además, en un artículo seminal, publicado en el año 1994, acuñó el término “quorum sensing” (en español percepción de cuórum), para describir la autoinducción de la bioluminiscencia. Posteriormente, la investigación del Dr. Greenberg sobre percepción de cuórum se centró en Pseudomonas aeruginosa, una bacteria patógena oportunista que causa infecciones tanto agudas como persistentes, asociadas estas últimas a la formación de biopelículas. Las infecciones por P. aeruginosa son la principal causa de muerte en pacientes con fibrosis quística, enfermedad hereditaria asociada al espesamiento de las secreciones mucosas.
Las biopelículas son estructuras organizadas, constituidas por numerosas bacterias que se encuentran englobadas en una matriz extracelular y adheridas a soportes muy variados. De esta manera las bacterias adquieren una elevada resistencia frente a distintos factores ambientales y agentes perjudiciales, como los antibióticos. El grupo de Greenberg demostró por primera vez la relación entre la percepción de cuórum y la formación de biopelículas.
Sus estudios condujeron al descubrimiento de tres sistemas de percepción de cuórum en P. aeruginosa y la presencia de biopelículas de esta bacteria en el pulmón de los pacientes con fibrosis quístíca, adheridas a la espesa secreción respiratoria. Las biopelículas se pueden establecer también sobre dispositivos médicos, como sondas, catéteres, válvulas cardíacas, prótesis de cadera, etc., causando infecciones que ponen en riesgo la vida del paciente y conllevan un elevado coste para los sistemas de salud.
Por su parte, Bassler investigó la producción de luz por Vibrio harveyi, otra bacteria bioluminiscente. Demostró que, al igual que A. fischeri, utiliza un autoinductor para comunicarse con otros miembros de su misma especie, profundizando en el estudio de los mecanismos moleculares que permiten la percepción de cuórum. Vibrio harveyi es un importante patógeno de peces e invertebrados, que causa graves pérdidas económicas en acuicultura.
Los estudios de Bassler pusieron de manifiesto que no solo la bioluminiscencia, sino también la virulencia de esta bacteria, depende de la existencia de cuórum. De la misma manera, los estudios de Bassler establecieron la relación entre la percepción de cuórum y la virulencia de V. cholerae, el agente causal del cólera que ocasionó en el pasado y aún sigue causando importantes pandemias.
De acuerdo con la Organización Mundial de la Salud, «desde mediados de 2021, el mundo se enfrenta a un agudo repunte de la séptima pandemia de cólera, caracterizado por el número, la magnitud y la concurrencia de múltiples brotes, la propagación a zonas que llevaban decenios libres de cólera y unas tasas de mortalidad alarmantemente altas.» De ahí la importancia de profundizar en el estudio de la virulencia de V. cholerae.
No obstante, quizá el descubrimiento más sorprendente realizado por Bassler fue la demostración de que la comunicación basada en la percepción de cuórum no solo ocurre entre bacterias pertenecientes a la misma especie, sino también entre bacterias de diferentes especies. Así, cada bacteria utiliza un idioma propio que solo entienden los miembros de su misma especie, pero existe además un lenguaje universal que permite la comunicación entre especies, coordinando el comportamiento colectivo a nivel de comunidad. Sería «el esperanto de las lenguas bacterianas», según palabras de la propia Bassler.
Aplicaciones terapéuticas
Como se indicó anteriormente, la comunicación bacteriana basada en la percepción de cuórum resulta crucial para numerosas enfermedades infecciosas. Por ello, los estudios realizados por Greenberg y Bassler abren la puerta al desarrollo de nuevos agentes terapéuticos. Esto es especialmente importante en la lucha contra las bacterias resistentes a los antibióticos convencionales. Estas bacterias, cuyo número ha aumentado considerablemente en las últimas décadas, constituyen uno de los mayores retos a los que se enfrenta la medicina actual.
Un ejemplo de bacteria que destaca por su elevada resistencia a los antibióticos es P. aeruginosa, agravándose aún más el problema cuando se encuentra en forma de biopelícula. En la actualidad, una de las líneas de investigación de Bassler es la búsqueda de nuevos tratamientos basados en la interferencia con la percepción de cuórum por parte de esta bacteria.
Destacar, finalmente que, en reconocimiento a sus aportaciones sobre la comunicación entre bacterias, el papel que desempeña en las infecciones y las perspectivas que abren en la lucha frente a las bacterias resistentes, tanto Greenberg como Bassler han recibido otros muchos galardones, además del Premio Princesa de Asturias 2023.
M. Rosario Rodicio. Profesora Emérita Honorífica de la Universidad de Oviedo (Catedrática de Microbiología, jubilada). Miembro Electo de la Academia Asturiana de Ciencia e Ingeniería (AACI)