Ejercicio resuelto de Bacterias · Biología · Cataluña · 2023

La diarrea del viajero es una enfermedad normalmente leve que algunas personas sufren cuando viajan a lugares nuevos.

1. En un artículo divulgativo de una revista médica podemos leer el fragmento siguiente: «Los patógenos más habituales que causan la diarrea del viajero son bacterias propias de la microbiota intestinal, como es el caso de Escherichia coli. En las cepas patógenas, las bacterias tienen fimbrias que facilitan su adhesión a las células del intestino, donde posteriormente producen toxinas que causan la diarrea. Los genes que codifican estas fimbrias se encuentran en plásmidos.» [1 punto]
a) Explique las diferencias en cuanto a la composición química entre las fimbrias y los plásmidos.
b) Escriba en la tabla de abajo cómo se llama el proceso mediante el cual una bacteria de la especie Escherichia coli adquiere un plásmido que le permite provocar la diarrea del viajero. A continuación, haga un dibujo de este proceso e indique en él los nombres de las estructuras que haya representado.

Nombre del proceso: Dibujo del proceso con los nombres de las estructuras representadas:

2. Hay diversos tratamientos para la diarrea del viajero. Dos de los más habituales son el uso de antibióticos y el de probióticos. [1 punto]
a) Aun estando indicados para los casos graves de diarrea del viajero, el uso de antibióticos puede tener algunas consecuencias negativas. Explique una de estas consecuencias y justifique por qué se puede producir.
b) Los probióticos usados como tratamiento preventivo contienen una combinación de bacterias no patógenas (como Bifidobacterium lactis LA303 o Lactobacillus acidophilus LA201) que se integran en la microbiota del paciente. ¿Qué relación interespecífica hay entre las bacterias del probiótico y las cepas de Escherichia coli causantes de la diarrea del viajero? Justifique la respuesta.

3. La fiebre tifoidea es una enfermedad originada por Salmonella typhi, una bacteria que también puede causar diarreas graves. [1 punto]
a) Las micrografías siguientes corresponden a células de Escherichia coli y de Salmonella typhi.

Célula de Escherichia coli. Fuente: El médico interactivo [en línea]. <https://elmedicointeractivo.com/vacuna-oral-contra-la-diarrea-por-escherichia-coli/>.

Célula de Salmonella typhi. Fuente: ResearchGate [en línea]. <https://www.researchgate.net/figure/Figura-6-5-Micrografia-de-Salmonella-sp-Amplificacion-de-20863X-CDC-Janice-Haney-Carr_fig4_263543171>.
¿Cuál de estas dos bacterias tiene las células más grandes? Justifique con datos su respuesta e indique los cálculos que ha hecho.
Nota: 1 nm = 1 000 μm.
b) Muchos enfermos de diarrea del viajero se habían vacunado preventivamente contra la fiebre tifoidea. ¿Por qué la vacuna de la fiebre tifoidea no protege a estas personas de la diarrea del viajero? Justifique la respuesta.

$\textbf{1. Los patógenos más habituales que causan la diarrea del viajero son bacterias propias de la microbiota intestinal, como es el caso de Escherichia coli. (1 punto)}$

$\textbf{a) Explique las diferencias en cuanto a la composición química entre las fimbrias y los plásmidos.}$

Son dos biomoléculas de familias distintas y con funciones que nada tienen que ver.

Las fimbrias son apéndices proteicos. Están formadas por la repetición de una única proteína, la fimbrilina, cuyos monómeros se ensamblan en un filamento hueco y rígido que sobresale de la superficie de la bacteria. Su composición es, por tanto, la de una proteína: cadenas de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Su función es la adhesión a la célula que van a infectar.

Los plásmidos son ácido nucleico. Son moléculas de DNA de doble cadena y forma circular, independientes del cromosoma bacteriano, formadas por desoxirribonucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster; cada nucleótido consta de una base nitrogenada, desoxirribosa y ácido fosfórico. Su función es informativa: llevan genes accesorios que la bacteria puede replicar y transmitir.

La relación entre ambos es de información a producto: el plásmido contiene los genes que codifican la fimbrilina, y las fimbrias son el resultado de traducir esa información.

$\textbf{b) Escriba en la tabla de abajo cómo se llama el proceso mediante el cual una bacteria de la especie Escherichia coli adquiere un plásmido que le permite provocar la diarrea del viajero. A continuación, haga un dibujo de este proceso e indique en él los nombres de las estructuras que haya representado.}$

Cuestión	Respuesta Nombre del proceso	La conjugación bacteriana, uno de los tres mecanismos de transferencia horizontal o lateral de genes, junto con la transformación y la transducción. Es el único que transfiere plásmidos completos y el único que exige contacto físico entre las dos bacterias. Dibujo del proceso con los nombres de las estructuras representadas	Véase la figura siguiente.

La bacteria donadora, que lleva el plásmido, emite un pilus sexual que se engancha a la receptora y acerca las dos células. El plásmido se replica y una copia pasa por ese puente hasta la receptora, que a partir de ese momento puede fabricar fimbrias, adherirse al epitelio intestinal y comportarse como cepa patógena. Obsérvese que la donadora no pierde su plásmido: la conjugación no es un reparto, sino una copia.

$\textbf{2. Hay diversos tratamientos para la diarrea del viajero. Dos de los más habituales son el uso de antibióticos y el de probióticos. (1 punto)}$

$\textbf{a) Explique una de estas consecuencias y justifique por qué se puede producir.}$

Una consecuencia negativa es la destrucción de la microbiota intestinal propia.

Los antibióticos no distinguen entre bacterias patógenas y bacterias beneficiosas: actúan sobre dianas comunes a muchas especies, como la síntesis del peptidoglicano de la pared o el funcionamiento del ribosoma bacteriano. Al tomarlos, mueren también las bacterias que forman la microbiota, que compiten con los patógenos por el espacio y por los nutrientes, sintetizan vitaminas y ayudan en la digestión. El intestino queda entonces desprotegido y expuesto a que lo colonicen microorganismos oportunistas, lo que puede prolongar o agravar la propia diarrea.

Otra consecuencia, igual de importante, es la aparición de resistencias. En cualquier población bacteriana hay, por mutación previa y al azar, individuos resistentes al antibiótico. Este actúa como agente selectivo: elimina a los sensibles y deja vivos y sin competencia a los resistentes, que se multiplican y transmiten sus genes de resistencia, tanto a su descendencia como a otras bacterias por conjugación, puesto que muchos de esos genes viajan en plásmidos. El uso repetido o innecesario de antibióticos acelera ese proceso, y por eso se reservan para los casos graves.

$\textbf{b) ¿Qué relación interespecífica hay entre las bacterias del probiótico y las cepas de Escherichia coli causantes de la diarrea del viajero? Justifique la respuesta.}$

Se trata de una competencia interespecífica.

Las dos son poblaciones de especies distintas que ocupan el mismo hábitat, la mucosa del intestino grueso, y necesitan los mismos recursos limitados: los puntos de anclaje al epitelio y los nutrientes del contenido intestinal. La presencia de una perjudica a la otra, de modo que la relación es de signo negativo para ambas.

El interés terapéutico está precisamente ahí: si las bacterias del probiótico se integran en la microbiota y ocupan primero los lugares de adhesión y los nutrientes, las cepas patógenas de Escherichia coli no encuentran sitio donde establecerse ni con qué alimentarse, y no llegan a alcanzar la densidad necesaria para producir toxinas en cantidad suficiente. A esto se añade que muchas de estas bacterias segregan ácido láctico y bacteriocinas, que acidifican el medio y dificultan el crecimiento de los patógenos.

$\textbf{3. La fiebre tifoidea es una enfermedad originada por Salmonella typhi, una bacteria que también puede causar diarreas graves. (1 punto)}$

$\textbf{a) ¿Cuál de estas dos bacterias tiene las células más grandes? Justifique con datos su respuesta e indique los cálculos que ha hecho.}$

Lo primero que hay que advertir es que los tamaños aparentes no se pueden comparar directamente: las dos micrografías están tomadas a aumentos distintos, y de hecho la de Escherichia coli está a más del doble de aumentos que la de Salmonella typhi. A simple vista Escherichia coli parece mucho mayor, y esa impresión es engañosa.

La comparación hay que hacerla con la barra de escala que lleva cada imagen, que es la referencia que sobrevive a cualquier ampliación o reducción de la fotografía. El procedimiento consiste en medir con la regla la bacteria y la barra, y establecer la proporción:

$\text{tamaño real} = \dfrac{\text{longitud de la bacteria}}{\text{longitud de la barra}} \cdot \text{valor de la barra}$

En la micrografía de Escherichia coli la barra vale $500\ \text{nm}$ y la bacteria mide algo más de dos veces y media esa barra:

$\text{largo} \approx 2{,}5 \cdot 500\ \text{nm} = 1\,250\ \text{nm} = 1{,}25\ \mu\text{m}$

En la de Salmonella typhi la barra vale $1\ \mu\text{m}$ y la bacteria mide algo más de una vez esa barra:

$\text{largo} \approx 1{,}15 \cdot 1\ \mu\text{m} = 1{,}15\ \mu\text{m}$

Las dos células son, por tanto, del mismo orden de tamaño, en torno a $1\ \mu\text{m}$ de largo y unos $0{,}35\ \mu\text{m}$ de ancho, con Escherichia coli ligeramente mayor. La diferencia es pequeña y del orden del error que comete la regla, de modo que lo que el apartado valora no es el número final sino el razonamiento: haber advertido que los aumentos son distintos y haber usado la barra de escala para poder comparar.

Conviene señalar una errata del enunciado: la equivalencia correcta es $1\ \mu\text{m} = 1\,000\ \text{nm}$, y no al revés como allí se indica. El nanómetro es la unidad menor de las dos.

$\textbf{b) ¿Por qué la vacuna de la fiebre tifoidea no protege a estas personas de la diarrea del viajero? Justifique la respuesta.}$

Porque la inmunidad que genera una vacuna es específica del antígeno que contiene.

La vacuna de la fiebre tifoidea lleva antígenos de Salmonella typhi. Frente a ellos el organismo fabrica anticuerpos y conserva linfocitos de memoria, pero unos y otros reconocen exclusivamente la forma tridimensional de esos determinantes antigénicos concretos, del mismo modo que una llave abre una sola cerradura.

Escherichia coli es una especie distinta, de otro género, y sus proteínas de superficie, sus fimbrias y su lipopolisacárido tienen una composición y una forma diferentes. Los anticuerpos y los linfocitos de memoria generados contra Salmonella typhi no encajan con esos antígenos y no los reconocen, de modo que el organismo responde ante Escherichia coli como si fuera la primera vez: con una respuesta primaria, lenta, que no impide la aparición de los síntomas.

Que las dos bacterias causen diarrea no cambia nada: la inmunidad no se dirige contra los síntomas de una enfermedad, sino contra los antígenos del microorganismo que la produce.