Fisiología Microbiana

Resumen

Nuestro laboratorio estudia cómo las propiedades físicas y la acción regulatoria de los lípidos impactan en la biología celular y la fisiología de bacterias y animales. Los organismos estudiados son la bacteria Bacillus subtilis y el nematodo C. elegans, debido la sofisticación de su manipulación genética y a su bien estudiada composición lipídica. Las implicancias de nuestro tema de trabajo se extienden desde el entendimiento del rol de los lípidos en la biogénesis de membrana y crecimiento de bacterias hasta la elucidación de vías regulatorias involucradas en enfermedades neurodegenerativas y obesidad en animales.

Líneas de Investigación

Uso de C. elegans para estudiar alteraciones del metabolismo lipídico

El gusano de suelo C. elegans es ampliamente utilizado en la investigación biomédica porque, a pesar de ser muy simple y pequeño (mide sólo 1 mm), tiene la mayoría de estructuras de los animales más complejos y comparte con nosotros gran parte de las vías metabólicas. Estos aspectos de la biología de o revierten junto con la conservación de la ruta biosintética de lípidos, convierten a C. elegans en un modelo atractivo para estudiar el rol de los lípidos en enfermedades neurodegenerativas. Nuestro grupo busca identificar el mecanismo molecular por el cual los endocannabinoides, que son lípidos mensajeros que regulan numerosas funciones biológicas en mamíferos, previenen o revierten el secuestro de colesterol en el sistema endolisosomal, un proceso implicado en la patología de las enfermedades de Alzheimer y Niemann Pick tipo C (NPC), y determinar si los fitocannabinoides producen efectos equivalentes. Asimismo, en un esfuerzo colaborativo entre nuestro grupo y el grupo del Dr. Andres Binolfi estudiamos el rol del estrés oxidativo y el metabolismo de ácidos grasos insaturados y colesterol en la agregación celular de proteínas amiloides y otros procesos patológicos. Para responder a nuestras preguntas utilizamos genética, bioquímica y metodologías de RMN in vitro e in vivo combinadas con herramientas de microscopía y metabolómica. Con esta iniciativa buscamos obtener una visión integral y con resolución atómica sobre el rol de los lipidos en patologías celulares.

Búsqueda de nuevos blancos para el desarrollo de compuestos bioactivos contra bacterias Gram positivas y parásitos

La emergencia y diseminación de resistencia a antimicrobianos entre las bacterias y la carencia de drogas efectivas y de baja toxicidad para combatir tripanosomátidos ha intensificado la necesidad del descubrimiento de compuestos dirigidos contra blancos no explotados hasta el momento. Uno de los objetivos de nuestro grupo de trabajo es entender cómo los microorganismos 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 antimicrobianos. Este proyecto propone una estrategia inter y multidisciplinaria, incluyendo técnicas de genética, bioquímica, biología estructural y química combinatoria, que permitan: a) identificar y ensayar el efecto de compuestos bioactivos que bloqueen la lipoilación de proteínas en Staphylococcus aureus y tripanosomátidos, de estructuras y mecanismos de acción distintos a los utilizados actualmente y, b) determinar el rol de los sistemas de dos componentes homólogos a DesKR de B. subtilis, que regula la expresión de su desaturasa a bajas temperaturas, presentes en bacterias Gram positivas patógenas.

Homeostasis de la envoltura celular en Bacterias Gram-positivas

Un aspecto clave de la biogénesis y supervivencia celular es el mecanismo por el cual las células regulan de manera exquisita la biosíntesis de sus componentes macromoleculares. En el caso de las bacterias, esto implica producir una cantidad adecuada y balanceada de macromoléculas y de estructuras celulares esenciales, como la membrana plasmática y el peptidoglicano (PG). Tanto la membrana plasmática como el PG constituyen la envoltura celular por lo que ambas estructuras deben sintetizarse en forma coordinada para permitir el crecimiento bacteriano. A pesar de su relevancia, las bases moleculares de esta coordinación son aún un misterio. A su vez, la membrana plasmática, esencial en la célula como barrera y como matriz de actividades biológicas, se ve expuesta frecuentemente a perturbaciones causadas por la dieta o factores ambientales, como la temperatura. En base a esto, el objetivo general de este proyecto es investigar cómo las bacterias Gram-positivas coordinan la síntesis de los lípidos de la membrana plasmática con la biosíntesis de PG, durante el crecimiento celular y a su vez mantienen el estado físico adecuado de la bicapa lipídica. Seguiremos una estrategia multidisciplinaria, utilizando técnicas de última generación de microscopía de fluorescencia, biología estructural, bioquímica, genética y fisiología. Es de esperar que los descubrimientos que surjan de este proyecto posibiliten la identificación de blancos potenciales para el desarrollo de nuevos antibióticos.

Rol de la síntesis de ácidos grasos insaturados en la adaptación al frío, producción de factores de virulencia y patogénesis de Bacillus cereus

El grupo Bacillus cereus comprende bacterias de importancia económica y de diferentes grados de patogenicidad. Son bacterias Gram positivas con extraordinaria diversidad ecológica que se adaptan a distintas condiciones de estrés pudiendo crecer entre 4° y 50°C. A bajas temperaturas, las bacterias experimentan modificaciones en su fisiología celular, siendo la más importante la disminución de la fluidez de membrana. En bacterias el contenido de ácidos grasos insaturados (AGI), en los lípidos de membrana juega un papel esencial en el aumento de la fluidez y funcionamiento de las membranas biológicas a bajas temperaturas. Los AGI son sintetizados por enzimas denominadas desaturasas, que introducen dobles enlaces en las cadenas de acilo de los ácidos grasos (AG) en los lípidos de membrana por lo que juegan un papel importante durante el proceso de adaptación. Estudios bioinformáticos realizados con los genomas de B. cereus mostraron un número variable de putativas desaturasas de membrana y Acil-ACP-desaturasas (solubles) en un mismo organismo, siendo ésta la primera vez que se reporta la presencia de Acil-ACP-desaturasas en Bacillus. En este proyecto nos proponemos establecer el rol de estas desaturasas en la adaptación a bajas temperaturas y en la producción y excreción de factores de virulencia, elementos decisivos en el establecimiento de la patogénesis.

Publicaciones Seleccionadas

  • Unsaturated fatty acids profiling in live C. elegans using real-time NMR spectroscopy. bioRxiv.  Hernandez-Cravero, B., Prez, G., Lombardo, V. Binolfi, A. and de Mendoza, D. (2022) https://doi.org/10.1101/2021.04.02.438181.
  • Defining Caenorhabditis elegans as a model system to investigate lipoic acid metabolism.  J. Biol. Chem. Lavatelli, A., de Mendoza, D. and Mansilla, M.C. (2020) (Seleccionado como trabajo del año en el área metabolismo por el comité editorial de JBC).
  • Revisiting the coupling of fatty acid to phospholipid synthesis in bacteria with FapR regulation. Mol Microbiol. Machinandiarena F, Nakamatsu L,Schujman GE, de Mendoza D, Albanesi D . (2020). https://doi: 10.1111/mmi.14574.
  • Identification of novel thermosensors in Gram-positive pathogens. Front. Mol. Biosci. Fernández P, Díaz AR, Ré MF, Porrini L, de Mendoza D, Albanesi D, Mansilla MC* (2020). https://doi.org/10.3389/fmolb.2020.592747.
  •  Unravelling the lipoyl-relay of exogenous lipoate utilization in Bacillus subtilis. Mol Microbiol. Rasetto N, Lavatelli A, Martin N. Mansilla MC* (2019) https://doi.org/10.1111/mmi.14271. ISSN: 0950-382X.
  •  Transmembrane prolines mediate signal sensing and decoding in Bacillus subtilis DesK histidine kinase. mBio.  Fernández P, Porrini L, Albanesi D, Abriata L, Dal Peraro M, de Mendoza D, Mansilla MC. (2019). https://doi: 10.1128/mBio.02564-19.
  • Structural determinant of functionality in acyl lipid desaturases. Diego Emiliano Sastre1, Saita, Emilio, Antonio Uttaro1, Diego de Mendoza1and Silvia Altabe1*. J Lipid Res. 2018 Oct;59(10):1871-1879. doi: 10.1194/jlr.M085258. Epub 2018 Aug 7.
  • Endocannabinoids in Caenorhabditis elegans are essential for the mobilization of cholesterol from internal reserves. Sci. Reports.  Galles, C., Prez, G. Penkov, S. Boland, S. Porta, E. Altabe, S., Labadie, G., Schmidt, U., Knölker, H.J., Kurzchalia, T. and de Mendoza, D (2018) doi: 10.1038/s41598-018-24925-8.
  • Structural insights into bacterial resistance to cerulenin. Trajtenberg F; Altabe S; Larrieux N, Ficarra A; Buschiazzo A; De Mendoza D; Schujman GE. Primer autor compartido. FEBS J.  (2014) Mar 19. doi: 10.1111/febs.12785.
  • Exploring the biosynthesis of unsaturated fatty acids in Bacillus cereus ATCC 14579 and functional characterization of novel acyl-lipid desaturases. Chazarreta Cifré L, Alemany M, de Mendoza D, Altabe S. Appl Environ Microbiol. (2013) 79 (20):6271-9. ISSN :0099-2240.