Ejercicio resuelto de Bacterias · Biología · Cataluña · 2022

La peste bubónica ha producido la muerte de millones de personas en todo el mundo a lo largo de muchos siglos. En 1894, Alexandre Yersin consiguió identificar, en la antigua Indochina francesa, el microorganismo responsable de esta temible enfermedad.

1. Se trata de un bacilo, llamado Yersinia pestis en homenaje a su descubridor. Actualmente sabemos que es una bacteria gramnegativa y anaerobia facultativa. [1 punto]
a) ¿Qué quieren decir los tres términos siguientes desde el punto de vista estructural o metabólico?

¿Qué quiere decir que es un bacilo? ¿Qué quiere decir que es una bacteria gramnegativa? ¿Qué quiere decir que es una bacteria anaerobia facultativa?

b) En un texto científico leemos la afirmación siguiente: «Afortunadamente, por tratarse de una bacteria que tiene muy pocas mutaciones, se han descrito muy pocas resistencias a los antibióticos.» Justifique, desde el punto de vista evolutivo, esta afirmación.

2. Alexandre Yersin, sin embargo, no consiguió averiguar cómo se transmitía Yersinia pestis. Lo hizo el investigador que lo sustituyó, Paul Louis Simond, mientras trabajaba en la habitación de un hotel de Karachi (en Pakistán). Lo que se conoce como experimento de Karachi consistió en lo que se explica en el texto siguiente, según los diarios de Simond: [1 punto]
Sin demora procedí a hacer el experimento que tenía en la cabeza desde la época en que descubrí el bacilo de Yersin en el aparato digestivo de pulgas extraídas de ratas infectadas. Preparé un dispositivo que consistía en un recipiente de vidrio. Tuve la suerte de atrapar una rata infectada de peste en casa de una víctima. En la piel de la rata había diversas pulgas que corrían. Al cabo de 24 horas, el animal con el que estaba experimentando parecía estar agonizando. Entonces introduje en el recipiente una pequeña jaula metálica que contenía una rata joven de Alejandría perfectamente sana y sin pulgas. Dentro de la jaula, la rata no podía tener ningún contacto con la rata enferma. Al día siguiente por la mañana la rata enferma había muerto. Dejé su cuerpo en el recipiente un día más. Durante los cuatro días siguientes, la otra rata de Alejandría permaneció encerrada y continuó comiendo con normalidad. Hacia el quinto día estaba llena de pulgas y parecía tener dificultades para moverse. Al atardecer del sexto día estaba muerta. La autopsia reveló que tenía bubones tanto inguinales como axilares. Había abundantes bacilos de peste en los órganos y en la sangre.
Traducción y adaptación de un fragmento del texto original de P. L. Simond, publicado en Matías ALINOVI. Historia de las epidemias, 2010

Fuente: Imagen elaborada con BioRender.com.
a) ¿Cuál era la hipótesis de Simond cuando diseñó este experimento?
b) El experimento de Karachi es un experimento histórico, pero tiene deficiencias desde el punto de vista del diseño experimental. Explique dos aspectos que se podrían mejorar en este diseño experimental. Justifique las respuestas.

Explicación y justificación de la mejora 1: Explicación y justificación de la mejora 2:

3. De vez en cuando todavía surgen brotes de peste en algunas zonas del mundo, como Madagascar o el África subsahariana. Los científicos se preguntaban cuál podría ser el reservorio de esta bacteria. Una investigación de la Universidad de Washington concluyó que Yersinia pestis utiliza como refugio uno de los protozoos más abundantes: la ameba. [1 punto]
a) Rellene la tabla de abajo de las imágenes con las principales características de los seres vivos implicados en la transmisión y la persistencia de la peste.

Bacilo de la peste bubónica (Yersinia pestis), pulga de las ratas (Xenopsylla cheopis) y ameba (Amoeba sp).

	Reino	Organización celular Yersinia pestis		Xenopsylla cheopis		Amoeba sp

b) El mecanismo que utiliza Yersinia pestis para sobrevivir consiste en sintetizar una proteína que inhibe los enzimas digestivos de las vacuolas de la ameba. Se hizo un experimento con una cepa de la bacteria genéticamente modificada para que no produjera esta proteína, y el resultado fue que la bacteria no sobrevivió y sirvió de alimento para la ameba. ¿Cómo caracterizaría, en términos de relaciones interespecíficas, las siguientes parejas de organismos? Justifique las respuestas.

Pareja	Relación interespecífica	Justificación Pulga - rata		Yersinia pestis genéticamente modificada - ameba

$\mathbf{\text{1.}}\mathbf{\text{Se}}\mathbf{\text{trata}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{bacilo,}}\mathbf{\text{llamado}}\mathbf{\text{Yersinia}}\mathbf{\text{pestis}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{homenaje}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{su}}\mathbf{\text{descubridor.}}\mathbf{\text{Actualmente}}\mathbf{\text{sabemos}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{una}}\mathbf{\text{bacteria}}\mathbf{\text{gramnegativa}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{anaerobia}}\mathbf{\text{facultativa.}}\mathbf{\text{(1}}\mathbf{\text{punto)}}$

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{¿Qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{quieren}}\mathbf{\text{decir}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{tres}}\mathbf{\text{t}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{rminos}}\mathbf{\text{siguientes}}\mathbf{\text{desde}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{punto}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{vista}}\mathbf{\text{estructural}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{metab}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{lico?}}$

Cuestión	Respuesta ¿Qué quiere decir que es un bacilo?	Es un término morfológico: significa que la célula tiene forma alargada, de bastoncillo, con los extremos más o menos redondeados. Es una de las cuatro formas básicas con las que se clasifican las bacterias, junto a los cocos, que son esféricos, los vibriones, curvados en forma de coma, y los espirilos, helicoidales. ¿Qué quiere decir que es una bacteria gramnegativa?	Es un término estructural, referido a la envoltura. Su pared celular tiene una capa muy fina de peptidoglicano, recubierta por fuera por una membrana externa rica en lipopolisacáridos, entre las cuales queda el espacio periplásmico. Esa estructura hace que, en la tinción de Gram, la bacteria pierda el complejo de cristal violeta y yodo al lavarla con alcohol y se tiña después de rosado con el colorante de contraste. El lipopolisacárido de la membrana externa actúa además como endotoxina, lo que explica en parte la gravedad de la enfermedad. ¿Qué quiere decir que es una bacteria anaerobia facultativa?	Es un término metabólico. Significa que puede vivir tanto con oxígeno como sin él. En presencia de oxígeno lo utiliza como aceptor final de electrones y obtiene energía por respiración aerobia, que es la vía más rentable; cuando falta, cambia de metabolismo y recurre a la fermentación o a una respiración anaerobia. Esa flexibilidad le permite sobrevivir tanto en el tubo digestivo de la pulga como en la sangre y los ganglios del hospedador.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Justifique,}}\mathbf{\text{desde}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{punto}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{vista}}\mathbf{\text{evolutivo,}}\mathbf{\text{esta}}\mathbf{\text{afirmaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n.}}$

La afirmación es correcta, y la razón está en el origen de la variabilidad sobre la que actúa la selección natural.

Una bacteria no fabrica la resistencia porque le llegue el antibiótico. Los alelos de resistencia aparecen antes, al azar, por mutación: errores de la DNA polimerasa al replicar el cromosoma o daños causados por agentes mutágenos, sin ninguna relación con que vayan a resultar útiles. Lo que hace el antibiótico es actuar como agente selectivo: mata a las bacterias sensibles y deja vivas, y sin competencia, a las pocas que por casualidad ya eran resistentes. Estas se multiplican y en pocas generaciones toda la población lo es.

De aquí se sigue que la cantidad de resistencias que pueden aparecer depende directamente de la tasa de mutación. En una bacteria que muta mucho, cada nueva generación produce muchos individuos distintos y la probabilidad de que alguno sea resistente es alta; la selección tiene material del que tirar. En Yersinia pestis, que muta muy poco, casi todas las células son idénticas entre sí, apenas se genera variabilidad nueva y la probabilidad de que exista una bacteria resistente cuando llega el antibiótico es muy baja. Sin variabilidad no hay nada que seleccionar, y por eso se han descrito tan pocas resistencias.

Conviene matizar la afirmación en un punto: la mutación no es la única fuente de resistencia. Una bacteria puede adquirirla ya hecha de otra por transferencia horizontal, sobre todo por conjugación, recibiendo un plásmido con genes de resistencia. Esa vía no depende de su propia tasa de mutación, y es la razón de que el optimismo del texto tenga un límite.

$\mathbf{\text{2.}}\mathbf{\text{Lo}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{conoce}}\mathbf{\text{como}}\mathbf{\text{experimento}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{Karachi}}\mathbf{\text{consisti}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{lo}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{explica}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{texto}}\mathbf{\text{siguiente,}}\mathbf{\text{seg}}\acute{\mathbf{\text{u}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{diarios}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{Simond:}}\mathbf{\text{(1}}\mathbf{\text{punto)}}$

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{¿Cu}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{l}}\mathbf{\text{era}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{hip}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{tesis}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{Simond}}\mathbf{\text{cuando}}\mathbf{\text{dise}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{este}}\mathbf{\text{experimento?}}$

Que la peste no se transmite por contacto directo entre las ratas ni por el aire, sino a través de las pulgas, que actúan como vector: al morir la rata enferma, sus pulgas la abandonan, pasan a otra rata sana y le inoculan el bacilo al picarla.

Todo el diseño está pensado para poner esa hipótesis a prueba. Simond mete a la rata sana en una jaula metálica dentro del mismo recipiente: así impide cualquier contacto directo entre los dos animales, pero deja que las pulgas, que saltan, pasen de una a otra. Si la rata enjaulada enfermaba, el contacto quedaba descartado y solo quedaba la pulga como vía posible. El propio texto lo confirma cuando describe que la rata sana estaba llena de pulgas justo antes de enfermar. Que la hipótesis se le ocurriera es lógico: él mismo había encontrado el bacilo en el aparato digestivo de pulgas extraídas de ratas infectadas.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Explique}}\mathbf{\text{dos}}\mathbf{\text{aspectos}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{podr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{an}}\mathbf{\text{mejorar}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{este}}\mathbf{\text{dise}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{experimental.}}\mathbf{\text{Justifique}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{respuestas.}}$

Mejora	Explicación y justificación Mejora 1: incluir un grupo de control	En el experimento hay una sola condición y no hay con qué comparar el resultado. Habría que montar en paralelo un segundo recipiente idéntico, con una rata enferma de peste a la que previamente se hubieran eliminado las pulgas y una rata sana enjaulada en las mismas condiciones. Si en ese recipiente la rata sana no enfermara, quedaría demostrado que lo que transmite la enfermedad son las pulgas y no otra cosa. Sin ese control no puede descartarse que la rata muriera por el aire del recipiente, por el agua o la comida contaminadas, por el estrés del encierro o por el simple hecho de convivir con un cadáver en descomposición. Mejora 2: aumentar el tamaño de la muestra y repetir el experimento	Simond utilizó una sola rata sana y realizó el ensayo una sola vez. Un resultado obtenido con un único individuo puede deberse perfectamente al azar, y no permite calcular ninguna medida de fiabilidad. Habría que repetir el experimento con un número elevado de ratas y en varias réplicas independientes, de modo que se pudiera comprobar que el resultado se repite y aplicar una prueba estadística que descartase que la coincidencia es casual.

Podrían señalarse otras mejoras en la misma línea: comprobar mediante análisis que las pulgas que pasaron a la rata sana llevaban efectivamente el bacilo, y controlar las variables que se dejaron libres, como la temperatura del recipiente, la alimentación y la edad de los animales, para asegurar que la única diferencia entre las condiciones comparadas es la presencia de pulgas.

$\mathbf{\text{3.}}\mathbf{\text{Una}}\mathbf{\text{investigaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{Universidad}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{Washington}}\mathbf{\text{concluy}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{Yersinia}}\mathbf{\text{pestis}}\mathbf{\text{utiliza}}\mathbf{\text{como}}\mathbf{\text{refugio}}\mathbf{\text{uno}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{protozoos}}\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{s}}\mathbf{\text{abundantes:}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{ameba.}}\mathbf{\text{(1}}\mathbf{\text{punto)}}$

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Rellene}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{tabla}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{abajo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{im}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{genes}}\mathbf{\text{con}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{principales}}\mathbf{\text{caracter}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{sticas}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{seres}}\mathbf{\text{vivos}}\mathbf{\text{implicados}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{transmisi}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{persistencia}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{peste.}}$

	Reino	Organización celular Yersinia pestis	Monera, que en la clasificación por dominios corresponde a Bacteria	Procariota y unicelular: no tiene núcleo ni orgánulos membranosos; su material genético es un cromosoma circular disperso en el citoplasma y sus ribosomas son de tipo $70S$. Xenopsylla cheopis	Animal (Animalia)	Eucariota y pluricelular, con tejidos y órganos diferenciados. Es un insecto, un artrópodo, y por tanto un organismo heterótrofo con nutrición por ingestión. Amoeba sp	Protista (Protoctista)	Eucariota y unicelular: tiene núcleo y orgánulos membranosos, y se desplaza y captura su alimento emitiendo seudópodos.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{¿C}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mo}}\mathbf{\text{caracterizar}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a,}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{t}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{rminos}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{relaciones}}\mathbf{\text{interespec}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{ficas,}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{siguientes}}\mathbf{\text{parejas}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{organismos?}}\mathbf{\text{Justifique}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{respuestas.}}$

Pareja	Relación interespecífica	Justificación Pulga - rata	Parasitismo	La pulga vive sobre la rata y se alimenta de su sangre. Obtiene alimento y alojamiento, con lo que se beneficia, mientras que la rata resulta perjudicada, pero no muere por la sola presencia del parásito. Ese es exactamente el patrón del parasitismo, de signo $(+,-)$, y lo que lo distingue de la depredación, en la que la presa muere. En este caso el perjuicio va más allá de la picadura: la pulga le inocula además el bacilo de la peste, es decir, actúa como vector de la enfermedad. Yersinia pestis genéticamente modificada - ameba	Depredación	Al no producir la proteína que inhibe los enzimas digestivos de la vacuola, la bacteria pierde su defensa y la ameba la digiere: se la come. La ameba se beneficia, porque obtiene alimento, y la bacteria muere, de modo que la relación es $(+,-)$ con muerte inmediata de uno de los dos, que es lo propio de la depredación. Conviene contrastarlo con lo que ocurre con la cepa silvestre: allí la bacteria sobrevive dentro de la vacuola y utiliza la ameba como refugio, de manera que la misma pareja de especies pasa de la depredación al parasitismo por el efecto de un solo gen.