Descubre a Escherichia coli, la bacteria con dos caras

Al escuchar el nombre de Escherichia coli, a muchos les dará un escalofrío porque es una bacteria con muy mala fama. Cada poco tiempo, las noticias se hacen eco de brotes producidos por el consumo de alimentos contaminados por esta bacteria. Sin embargo, su cara buena supera con creces su mal nombre y actualmente sus aplicaciones parecen no tener límite.

A pesar de que normalmente se habla de ella por sus cepas patógenas, Escherichia coli (E. coli para los amigos) suele ser muy maja. Se encuentra en el intestino humano y, en general, de animales de sangre caliente. Esta bacteria forma parte de la microbiota de más del 90 % de los humanos y un gramo de heces puede contener hasta mil millones de sus células. Es de las primeras bacterias en colonizar el intestino de los recién nacidos. Si no estuviera ahí, la vida sería bastante difícil, a pesar de representar solo el 1 % de la microbiota. Como el resto de bacterias del intestino, E. coli ayuda a digerir la comida y protege frente a infecciones estimulando el sistema inmunitario. Sin embargo, su papel más importante es la síntesis de distintas vitaminas como la K y algunas del grupo B que se absorben en el intestino.

Además, E. coli ayuda a que otras bacterias de la microbiota puedan colonizar el intestino eficazmente. Uno de sus superpoderes es que puede vivir tanto en ausencia como en presencia de oxígeno; es decir, es aerobia facultativa. Por lo general, a las bacterias del intestino no les gusta el oxígeno y E. coli lo consume haciendo que el lugar sea más favorable para el resto de compañeras.

Características probióticas

Las virtudes de esta bacteria son tales, que incluso existe una cepa llamada Nissle 1917 con características probióticas. Esta E. coli se aisló en un soldado alemán que era especialmente resistente a sufrir la disentería causada por la virulenta bacteria Shigella, que tan frecuentemente actuaba por aquel entonces. La E. coli Nissle 1917 se ha caracterizado y es totalmente segura ya que no tiene ningún factor de virulencia. Esta cepa es muy efectiva para poner en alerta al sistema inmunitario, ayudando así en la defensa frente a bacterias patógenas. Además, los estudios realizados parecen indicar que suplementar la dieta con esta bacteria puede ayudar a la remisión de la colitis ulcerosa.

La presencia habitual de E. coli en las heces de humanos y animales la ha convertido en un útil indicador de contaminación fecal en agua y alimentos. A pesar de que suele estar en el intestino, puede sobrevivir durante largos periodos en el ambiente, donde se puede detectar específicamente utilizando medios de cultivo. Si está presente en agua o alimentos es un claro indicador de que se ha producido contaminación con materia fecal.

Una fábrica en miniatura

Escherichia coli es uno de los organismos modelo más estudiados de la historia. El gran conocimiento y dominio de su biología adquirido en las últimas décadas ha llevado a su amplia utilización con fines biotecnológicos. Este pequeño organismo es una gran herramienta para los científicos por su fácil manejo en el laboratorio y su rápido desarrollo. En condiciones favorables se divide cada veinte minutos y crece de manera exponencial, así que al final del día puede haber más de cuatro mil trillones de células con las que trabajar que son clones de la célula progenitora. E. coli «come» casi cualquier cosa y no necesita suplementos nutricionales complejos, así que es una verdadera joya para realizar estudios científicos.

La secuencia completa del genoma de E. coli se conoce desde 1997, lo que facilita mucho su manipulación genética. Esta bacteria es muy «promiscua», ya que puede intercambiar su material genético con otras cepas de su especie e incluso con otras especies. Es la reina de la transferencia genética y en ella se han descrito los mecanismos más frecuentes por los que esta se produce. La mayor parte de las veces esta transferencia ocurre a causa de virus que infectan a las bacterias, conocidos como bacteriófagos o fagos. En ocasiones, cuando van a infectar a una nueva célula arrastran parte del material genético de su hospedadora y se lo transfieren. Estos nuevos genes pueden integrarse en el cromosoma de la bacteria, lo que hace que adquiera nuevas características. Además, E. coli puede transferir parte de sus genes a otra compañera mediante un contacto directo entre ambas, lo que se conoce como conjugación. Y por si fuera poco, en el laboratorio, se puede conseguir que capte ADN que está libre por ahí e incorporarlo como si nada.

Estas propiedades de E. coli hacen que su genoma se pueda manipular fácilmente en el laboratorio. La ingeniería genética ha logrado transformar la bacteria en una minifábrica para producir compuestos de interés. Uno de los casos más importantes es su aplicación para producir la insulina humana con la que se tratan los pacientes con diabetes. En 1978, se consiguió crear clones de E. coli que replican y expresan el ADN humano que codifica las distintas subunidades de la insulina. El compuesto se extrae del medio, se purifica y se utiliza como fármaco. Este proceso abarató considerablemente los costes de producción y, desde ese momento, la insulina procede de esta bacteria modificada genéticamente. También se utiliza para producir otros compuestos como la hormona del crecimiento humana, la hormona paratiroides y distintos quimioterapéuticos frente al cáncer.

Más recientemente, E. coli ha sido clave para la producción del componente ARN de la vacuna de Pfizer frente a la covid-19. En el primer paso de su producción, se emplean cepas recombinantes de E. coli que multiplican millones de veces el gen de la espícula del virus. Posteriormente, estas secuencias son transcritas para obtener el ARN mensajero que se incluye en las vacunas.

El lado oscuro

Como ya se ha mencionado, la versión más famosa de E. coli está relacionada con las cepas que producen enfermedades en humanos. Y la verdad es que esta mala fama se la ha ganado a pulso. Sus infecciones crean graves problemas de salud pública por la aparición de brotes causados al ingerir agua o alimentos contaminados. Y no solo eso; actualmente, se sabe que es una bacteria patógena muy versátil y se relaciona también con infecciones del tracto urinario e incluso meningitis y septicemia. Por ello, las cepas patógenas se clasifican en cepas intestinales patógenas (InPEC, del inglés intestinal pathogenic E. coli) y patógenas extraintestinales (ExPEC, extraintestintal pathogenic E. coli). 

Para la caracterización de las cepas de E. coli se utiliza la identificación de dos proteínas muy relacionadas con su patogenicidad y virulencia. Por un lado, el antígeno somático O que forma parte de la pared celular y del que se conocen hasta el momento ciento ochenta y seis variantes. Además, se analiza la composición del antígeno H que forma parte del flagelo, el apéndice con el que E. coli puede desplazarse, y del que hay cincuenta y seis variantes. Por tanto, las cepas de E. coli se conocen con un apellido relacionado con la combinación de sus antígenos O y H (por ejemplo O157:H7, O104:H4, O103:H2 y O121:H19).

Dentro de las bacterias InPEC, las de mayor importancia son las conocidas como E. coli enterohemorrágicas o productoras de toxina Shiga. Este grupo produce una toxiinfección alimentaria; es decir, la bacteria patógena que está presente en el alimento infecta el organismo y produce toxinas en él. Los alimentos de mayor riesgo de estar contaminados por E. coli patógenas son las carnes poco cocinadas, pero también leches crudas y vegetales frescos que se han contaminado durante su producción (por ejemplo, a través de abonos naturales). Porque aunque suene desagradable, la transmisión de E. coli es lo que se conoce como fecal-oral, desde las heces hasta la boca. Afortunadamente, la bacteria se inactiva con calor, así que el cocinado de los alimentos y los tratamientos térmicos como la pasteurización pueden evitar las infecciones.

La cepa más importante de E. coli enterohemorrágica es la conocida como O157:H7, que ha provocado importantes brotes en todo el mundo desde su primera identificación en 1975. La virulencia de esta bacteria es tan potente que la ingesta de solo diez células bacterianas puede llevar al desarrollo de los síntomas más graves de la enfermedad. Estos signos van desde calambres abdominales y diarrea acuosa o sanguinolenta hasta una afectación renal conocida como síndrome urémico hemolítico, que puede llevar al paciente a una situación crítica e incluso causar la muerte.

 Las personas mayores y los niños suelen sufrir la enfermedad con mayor severidad, aunque pueden verse afectados individuos de cualquier edad. Los síntomas producidos por las E. coli enterohemorrágicas se deben a la producción de toxina Shiga. Todo parece indicar que estas cepas presentan el gen que codifica para esta toxina gracias a una infección pasada de un virus bacteriófago que lo dejó insertado en su cromosoma. Una vez que se produce la toxina, es capaz de acabar con las células al inactivar sus ribosomas y, por tanto, inhibir la síntesis de proteínas. Las E. coli enterohemorrágicas presentan además otros factores de virulencia que les permiten adherirse de manera muy efectiva a las células intestinales.

La cepa O157:H7 tiene el cuestionable honor de aparecer dos veces en el Guinness de los récords al haber causado tanto el brote más numeroso como el más letal que se conoce de E. coli en el mundo. El de más alcance afectó a más de nueve mil quinientas personas en Japón durante el verano de 1996. Ese mismo año, se produjo el brote con mayor número de fallecidos en Wishaw (Reino Unido), con un total de veintiuna víctimas por consumo de carne contaminada.

Otra de las principales cepas de E. coli es O104:H4, causante del archiconocido brote en Alemania en 2011 y que aún se conoce como la crisis del pepino español. 

Resultó que ni la bacteria estaba en pepinos ni venía de España, pero las noticias sensacionalistas siempre se transmiten mejor que los desmentidos. Esta cepa se había descrito previamente en raras ocasiones y se considera una cepa híbrida que combina genes de virulencia de varios tipos de E. coli, lo que la hace especialmente patógena. Coloniza muy eficazmente el epitelio intestinal y libera grandes cantidades de toxina Shiga.

Una viajera fuera del intestino

Escherichia coli también está relacionada con infecciones diferentes a las gastrointestinales. Las cepas ExPEC son unas verdaderas tramposas. Forman parte de la microbiota de personas sanas, pero pueden colonizar otros nichos fuera del intestino causando comúnmente enfermedades del tracto urinario y patologías más graves, como septicemia y meningitis en recién nacidos.

Las cepas uropatógenas pueden adherirse fuertemente a las células del tracto urinario y consiguen escapar fácilmente del sistema inmunitario. Además, muchas producen toxinas específicas como factores de virulencia. Las cepas de E. coli productoras de infecciones del tracto urinario son especialmente fastidiosas de tratar ya que pueden presentar resistencia a uno o varios antibióticos. Por tanto, son frecuentes las infecciones recurrentes a los pocos meses de la primera infección, hecho que ocurre en casi un cuarto de los pacientes.

En los últimos años, se ha descrito un nuevo tipo de E. coli comensal que puede resultar perjudicial para el hospedador al contribuir al desarrollo de enfermedades crónicas del intestino como la enfermedad de Crohn e incluso el cáncer colorrectal. Este nuevo grupo se conoce como E. coli adherente e invasiva (adherent-invasive E.coli, AIEC) y su presencia favorece la inflamación del tejido intestinal. Aún no se tiene claro si la presencia de estas E. coli es la causa de la inflamación o si aparecen como consecuencia de la misma. Por ello, muchos grupos de investigación están tratando de elucidar su papel exacto en la patogenia de estas enfermedades.

Descifrando el pangenoma

Desde hace años, la comunidad científica ha puesto el foco en el estudio genético de los distintos grupos de E. coli y en la construcción de su pangenoma; es decir, la colección de todos los genes presentes en la especie. Teniendo en cuenta la capacidad de E. coli para captar y ceder genes a su antojo para adaptarse a los mejores nichos, el estudio del pangenoma es complejo y se necesita obtener el genoma de innumerables cepas. 

Hasta el momento, los estudios han evaluado más de diez mil genomas y han demostrado que las distintas cepas comparten menos de mil genes, a pesar de que hay decenas de miles que forman parte de ese pangenoma. Esta gran diversidad y plasticidad genética puede explicar las grandes diferencias en patogenicidad encontrada entre las cepas de E. coli. Por ejemplo, se calcula que la cepa O157:H7 ha ganado a lo largo de su evolución unos ochocientos mil pares de bases en su ADN. Esto le ha conferido una ventaja al hacerla más patógena y con mayor capacidad para escapar a las defensas del hospedador.