Expresión génica basal pulsátil como determinante de la adaptabilidad bacteriana

La regulación activa de la expresión génica, mediada por interacciones complejas entre activadores y represores en los promotores, es un mecanismo fundamental que determina el destino de los organismos.

Un aspecto menos explorado es el papel de la expresión génica basal, que ocurre en ausencia de inducción específica. Una publicación reciente en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), profundiza en cómo fluctuaciones intermitentes en la expresión génica sin estímulos externos, o expresión basal pulsátil, influyen en la aptitud de las bacterias.

El estudio revela que la expresión génica basal pulsátil tiene un impacto significativo en la capacidad de las bacterias para adaptarse a entornos dinámicos, donde la disponibilidad de nutrientes o el estrés, cambian constantemente.

La investigación adoptó un enfoque experimental y computacional, combinando análisis genéticos, mediciones de expresión génica a nivel de célula única y modelos matemáticos. Se utilizó Escherichia coli como microorganismo modelo y un sistema sintético donde un gen reportero, que codifica una proteína fluorescente, estaba bajo el control de un promotor con una expresión basal detectable.

Mediante microscopía de fluorescencia a nivel de célula única, pudieron identificar patrones pulsátiles de la expresión génica de la población, reflejando fluctuaciones en la actividad del promotor.

Exponiendo las bacterias a diferentes condiciones de estrés, como cambios en la disponibilidad de nutrientes, exposición a antibióticos y variaciones de temperatura, se pudo observar la supervivencia de cepas con diferentes niveles de pulsatilidad en la expresión basal. Manipulando los elementos reguladores del promotor para aumentar o disminuir las fluctuaciones pudieron comparar el crecimiento y la supervivencia de cepas con diferentes niveles de pulsatilidad en la expresión basal.

Además, utilizaron modelos computacionales para simular cómo estas dinámicas afectan la competencia entre células dentro de una población y su capacidad para adaptarse a entornos impredecibles.

Los resultados revelaron que las bacterias con una expresión basal pulsátil mostraban una mayor aptitud en entornos variables en comparación con aquellas con una expresión basal más constante.

En condiciones de estrés, las células con expresión génica basal pulsátil activaban genes que las hacían responder más rápidamente a los cambios, como la producción de proteínas de choque térmico o sistemas de detoxificación. En presencia de antibióticos, estas células tenían mayor probabilidad de activar genes de resistencia, lo que les confería una ventaja de supervivencia.

La pulsatilidad en la expresión basal genera heterogeneidad fenotípica dentro de la población bacteriana. Esta diversidad permite que algunas células estén preadaptadas a condiciones futuras, actuando como una estrategia de «apuesta segura» (bet-hedging). En un entorno variable en nutrientes, las células pulsátiles podían alternar entre estados metabólicos, asegurando que al menos una fracción de la población estuviera preparada para aprovechar los recursos cuando estuvieran disponibles.

Desde una perspectiva evolutiva, la expresión basal pulsátil puede ser un rasgo seleccionado en bacterias que habitan entornos impredecibles, manteniendo un nivel de preparación constante sin un costo energético elevado.

Este fenómeno podría influir en la resistencia a antibióticos, un problema de salud pública global. Las fluctuaciones pulsátiles pueden permitir que una subpoblación de bacterias sobreviva a tratamientos antibióticos al activar genes de resistencia de manera estocástica.

A pesar de sus hallazgos, el estudio reconoce limitaciones, al usar condiciones controladas con un sistema sintético, además de que el impacto de la pulsatilidad puede variar entre especies bacterianas y entornos.

Estos hallazgos tienen implicaciones significativas para la biotecnología, la medicina y la ecología microbiana, destacando la necesidad de considerar la heterogeneidad fenotípica en el diseño de estrategias para combatir patógenos y optimizar procesos industriales.