Fisiología Microbiana

Resumen

El control homeostático de los lípidos es fundamental para el funcionamiento normal de las membranas celulares de los diferentes tejidos y organelas en la mayoría de los organismos vivientes. Por ejemplo, organismos unicelulares como las bacterias remodelan la composición de los lípidos de membrana en respuesta a cambios ambientales que comprometen su supervivencia. La elucidación de las bases moleculares de estos mecanismos adaptativos es fundamental para la microbiología, incluyendo la microbiología clínica y la microbiología industrial. Nuestro laboratorio investiga los mecanismos moleculares por los cuales las bacterias Gram-positivas controlan la biosíntesis de los lípidos de membrana en respuesta a señales extra- e intracelulares. Las estrategias experimentales intentan dilucidar estos mecanismos utilizando a la bacteria modelo no-patógena Bacillus subtilis. Basado en estos descubrimientos, nuestro laboratorio busca identificar blancos específicos para el tratamiento efectivo de infecciones causadas por bacterias Gram-positivas patógenas para el hombre.

Líneas de Investigación

Biosíntesis y función de moléculas lipofílicas en el nematodo Caenorhabditis elegans

Uno de los más recientes proyectos de nuestro grupo consiste en entender los principios básicos de cómo diferentes moléculas lipídicasestán involucradas en el funcionamiento de membranas eucarióticas y en los procesos de señalización y metabolismode estos organismos. El modelo que utilizamos es el organismo multicelular Caenorhabditis elegans, el cual ha sido intensamente utilizado en las últimas décadas para, entre otras cosas, entender las bases moleculares de enfermedades humanas y el ciclo de vida de parásitos que afectan a animales y humanos. Actualmente,nos encontramos aplicando una variedad de métodos genéticos y bioquímicos para investigar la biogénesis y el metabolismo de varias clases de lípidosbioactivos tales como el ácidolipoico y los endocanabinoides. Con el objetivo de establecer la participación de estas moléculas lipídicas en diferentes procesos celulares del nematodo, intentamos comprender cómo las mismas regulan funciones biológicas esenciales en eucariotas, con la expectativa de que este conocimiento ayude a entender las bases moleculares de patologíashumanas como el cáncer y las enfermedades neurodegenerativas.

Metabolismo de lípidos en bacterias Gram-positivas

Nuestra línea de trabajo está centrada en el estudio del metabolismo de lípidos en procariotas. El organismo que utilizamos es la bacteria Bacillus subtilis debido a que posee un sistema genético sofisticado y es el paradigma de bacterias Gram-positivas. El objetivo central de nuestro programa de investigación es comprender los mecanismos genéticos y bioquímicos que regulan la síntesis de fosfolípidos. Actualmente estamos enfocados en definir las señales regulatorias y las interacciones proteína-proteína que regulan la biosíntesis de ácidos grasos y entender como esta vía metabólica está coordinada con estreses del medio ambiente y con la diferenciación celular. Empleamos técnicas genéticas, de biología molecular, purificación de proteínas y enzimología. Asimismo, hemos descubierto en B. subtilis una nueva ruta biosintética del cofactor esencial ácido lipoico. Esta vía, que requiere de la síntesis de ácidos grasos, está conservada en numerosas bacterias patógenas Gram-positivas. Nuestro proyecto es también relevante para la identificación de nuevos blancos para compuestos antibacterianos y el desarrollo de los mismos. Recientemente, nuestro grupo ha establecido cooperación con otros laboratorios que están realizando estudios estructurales y diseñando inhibidores de la síntesis de lípidos en bacterias Gram-positivas.

Bases mecanísticas y estructurales del sensado de temperatura en bacterias

Los termosensores son proteínas integrales de membranas ubicuas que se encuentran en todas las formas de vida. Los mismos cumplen diversos roles fisiológicos, incluyendo el remodelado de la membrana plasmática, quimiotaxis, tacto y dolor, pero se desconocen prácticamente por completo los mecanismos por los que sus dominios transmembrana (TM) detectan y transmiten las señales de temperatura. La histidín-quinasa DesK de Bacillus subtilis es el ejemplo paradigmático de un termosensor diseñado para remodelar la fluidez de la membrana cuando la temperatura desciende a menos de 30°C, proveyendo así un sistema simple y adecuado para investigar el mecanismo de adaptación térmica mediado por los segmentos TM. El objetivo a largo plazo de esta línea de investigación es determinar a nivel molecular cómo los segmentos TM de la proteína de señalización DesK actúan como sensores y cómo transmiten esta información al dominio catalítico citoplasmático. Esto requiere la comprensión de dos procesos interrelacionados: los rearreglos de los segmentos TM que ajustan el estado de señalización de DesK y los eventos asociados a la membrana plasmática que inducen el cambio conformacional de la proteína. Nos proponemos estudiar estos procesos combinando métodos funcionales (estudios bioquímicos e in vivo) con técnicas biofísicas como cristalografía y espectroscopía, entre otras.

Búsqueda de nuevos blancos para el desarrollo de compuestos bioactivos contra bacterias Gram positivas patógenas: síntesis de ácido lipoico y termosensores

La emergencia y diseminación de resistencia a antibióticos entre las bacterias ha intensificado la necesidad del descubrimiento de drogas antibacterianas dirigidas contra blancos no explotados hasta el momento. El objetivo de nuestro grupo de trabajo es entender cómo las bacterias Gram-positivas controlan la síntesis de lípidos en respuesta a las condiciones ambientales y nutricionales en las que se encuentran, y validar los procesos moleculares subyacentes como blancos para el diseño de nuevos antibióticos. Este proyecto propone una estrategia inter y multidisciplinaria, incluyendo técnicas de genética, bioquímica, biofísica, y biología estructural, que permitan: a) caracterizar la vía endógena de lipoilación proteica en Staphylococcus aureus y determinar su influencia sobre la viabilidad y la virulencia de este importante patógeno y b) determinar el rol de los sistemas de dos componentes homólogos a DesK-R de B. subtilis, que regula la expresión de su desaturasa a bajas temperaturas, presentes en bacterias Gram positivas patógenas.

Caracterización funcional de acil-lípido desaturasas de Bacillus sp. Bases moleculares del mecanismo de reacción

Las desaturasas son enzimas que introducen dobles enlaces en forma altamente específica. Tienen relevancia fisiológica ya que controlan las propiedades físicas de la membrana celular, la composición de los ácidos grasos de los lípidos de reserva en semillas de interés económico y además proveen a la célula precursores necesarios para cubrir los requerimientos nutricionales de ácidos grasos poliinsaturados. Dada la importancia de dichas enzimas y la química única de la reacción que catalizan nos proponemos identificar las bases moleculares de la especificidad de sustrato y la regioselectividad (habilidad para reconocer el número de átomos de C del sustrato y localizar la posición de inserción del doble enlace) de las acil-lípido desaturasas de especies del género Bacillus.

Publicaciones Seleccionadas

  • Albanesi D, Reh G, Guerin ME, Schaeffer F, Debarbouille M, et al. (2013) Structural Basis for Feed-Forward Transcriptional Regulation of Membrane Lipid Homeostasis in Staphylococcus aureus. PLoS Pathog 9(1): e1003108. doi:10.1371/journal.ppat.1003108
  • Chazarreta-Cifre, L, Martiarena, L., de Mendoza, D. and Altabe, S. G. (2011) Role of ferredoxin and flavodoxins in Bacillus subtilis fatty acid desaturation. J. Bacteriology 4043-4048.
  • Martin, N., Christensen, Q., Mansilla, M. C., Cronan, J. E. and de Mendoza, D. (2011) A Novel Two-Gene Requirement for the Octanoyltransfer Reaction of Bacillus subtilis Lipoic Acid Biosynthesis. Mol. Microbiol. 80, 335-349.
  • .Cybulski, L. E., Martin, M., Mansilla, M. C., Fernandez, A. and de Mendoza, D. (2010) Membrane Thickness Cue for Cold Sensing in a Bacterium. Curr. Biol. 20, 1539-1544.
  • Martín, N, Lombardía, E., Altabe, S. de Mendoza, D. and Mansilla, M. C. (2009) A Mutant in lipA (yutB), encoding Lipoic Acid Synthase, Provides Insight into the Interplay Between Branched-Chain and Unsaturated Fatty Acids Biosynthesis in Bacillus subtilis. J. Bacteriology 191, 7447-7455
  • Albanesi, D., Martín, M., Trajtenberg, F., Mansilla, M. C., Haouz, M., Alzari, P., de Mendoza, D. and Buschiazzo, A. (2009) Structural plasticity and catalysis regulation of a thermosensor histidine kinase Proc. Natl. Acad. Sci. (USA) 106, 16185-16190.
  • Schujman, G.E., Guerin, M., Buschiazzo, A., Schaeffer, F., Llarull, L. I., Reh, G.,Vila, A.J., Alzari, P. M., and de Mendoza, D. Structural basis of lipid biosynthesis regulation in Gram-positive bacteria (2006) EMBO J. 25, 4074-4083.
  • Albanesi, D., Mansilla, M.C and de Mendoza, D. (2004) The Membrane Fluidity Sensor DesK of Bacillus subtilis Controls the Signal Decay of its Cognate Response Regulator. J. Bacteriol. 186, 2655-2663
  • Schujman, G., Paoletti, L, Grossman, A. and de Mendoza, D. (2003) FapR, a bacterial transcription factor involved in global regulation of membrane lipid biosynthesis. Dev. Cell. 4, 663-672.
  • Diaz, A. R. Mansilla, M. C. Vila, A. J. and de Mendoza, D. (2002) Membrane Topology of the Acyl-Lipid Desaturase from Bacillus subtilis. J. Biol. Chem. 277, 48099-48106.
  • Cybulski, L. E., Albanesi, D., Mansilla, M. C., Altabe, S., Aguilar, P. S. and de Mendoza, D. (2002) Mechanism of membrane fluidity optimization: isothermal control of the Bacillus subtilis acyl-lipid desaturase. Mol. Microbiol. 45, 1379-1388.
  • Aguilar, P., Hernandez-Arriaga, A. M., Cybulski, L., Erazo, A. C. and de Mendoza, D. (2001) Molecular basis of thermosensing: a two component signal transduction thermometer in Bacillus subtilis. EMBO J. 20, 1681-1691.

Colaboradores

  • Dr. Pedro Alzari. Institute Pasteur (Francia).
  • Dr. Alejandro Buschiazzo. Instituto Pasteur de Montevideo (Uruguay).
  • Dr. Alejandro Vila. IBR.

Subsidios

  • Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCyT).
  • Howard Hughes Medical Institute (HHMI).
  • Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET).

Director

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de Mendoza, Diego
Sede CCT
Email: demendoza@ibr-conicet.gov.ar
Tel: +54 341 4237070
Oficina Int: 634
Laboratorio Int: 621

Investigadores

  • Daniela Albanesi
  • Silvia Graciela Altabe
  • María Cecilia Mansilla

Becarios Post-Doctorales

  • Celina Galles

Becarios Doctorales

  • Pilar Fernández
  • Antonela Lavatelli
  • Federico Machinandiarena
  • Gastón Pérez
  • Emilio Saita

Tesinistas

  • Natalí Rasetto

Imágenes

Mecanismo de acción de FapR, un regulador global de la síntesis de lípidos en bacterias Grampositivas, muchas de ellas patógenos importantes para los humanos.

Mecanismo molecular para la regulación de las actividades catalíticas del sensor de temperatura DesK de Bacillus subtilis.

Nematodo C. elegans adulto, con embriones en su interior (Microscopía de Nomarski)

Microscopía confocal de C. elegans con nucleolos marcados con GFP