Desodorante bacteriano: una relación simbiótica entre las ranas arbóreas y la bacteria Pseudomonas

Un río comienza con un arroyo azul, pero la amistad comienza con relaciones simbióticas mutuamente beneficiosas entre dos entidades biológicas. En las duras condiciones de la naturaleza, cuando la mitad de sus habitantes quieren comerte, las sonrisas rara vez ayudan. Pero lo que ayuda es la simbiosis mencionada anteriormente: cooperación mutuamente beneficiosa entre individuos de diferentes especies. Cada uno de los participantes en tal relación recibe algo propio: protección, comida, una casa, un vehículo, etc. Pero aquí las ranas arbóreas de la especie Boana prasina necesitan simbiosis con ciertas bacterias para las relaciones amorosas. Hoy nos familiarizaremos con las asombrosas observaciones de los científicos que descubrieron que las bacterias que viven en la piel de las ranas contribuyen a la liberación de una fragancia única para los sexos individuales, que desempeña un papel importante en la búsqueda de una pareja y, en consecuencia, en la reproducción. ¿Por qué los científicos olieron ranas, a qué huelen (ranas, no a científicos), y cómo surgió una simbiosis tan inusual entre anfibios y bacterias? Las respuestas nos esperan en un informe del grupo de estudio. Vamos

Sobre la amistad en la naturaleza

Para una persona, el beneficio de la amistad suele ser de naturaleza psicológica (emocional). Conocemos gente nueva, comenzamos a hacer amigos y nos comunicamos porque simplemente lo disfrutamos. Lo mismo puede decirse de nuestras mascotas. Gatos, perros, hamsters, peces, etc. son amigos de una persona y es más probable que sean morales que el apoyo físico. Aunque hay personas que viven según el principio de una madre de la película "Prostokvashino":

- Bueno, tú mismo piensas, ¿de qué sirve este gato?
"Bueno, ¿por qué es necesariamente bueno?" ¿Cuál es, por ejemplo, el uso de esta pintura en la pared?
- Esta imagen en la pared es muy útil: ¡bloquea un agujero en el fondo de pantalla!

Pero volvamos a la flora y fauna. En la naturaleza (no consideraremos la simbiosis en condiciones controladas), las relaciones entre representantes de diferentes especies son necesarias para la supervivencia o para una vida más cómoda.


Pez payaso en anémona.

Un ejemplo llamativo y uno de los más famosos son los peces payaso y las anémonas de mar (anémonas de mar). Los peces, a los que muchos exclaman algo como "¡Oh, Nemo!", Viviendo dentro de la anémona, son inmunes a sus knidocytes (células que pican / pican), pero los depredadores son muy susceptibles. En otras palabras, los peces payaso viven en una casa con una cerca eléctrica. Las anémonas de mar también se benefician de tal vecindario en forma de nutrientes de los productos de desecho de pescado (sí, la frase "de *** nuevas relaciones" para las anémonas de mar suena literalmente).


Otra simbiosis inusual, algunas especies de anémona se forman con cangrejos ermitaños.

Desde las profundidades del mar nos trasladamos a un prado en flor. ¿A quién representamos siempre junto a una flor? Por supuesto abejas. Estos adictos al trabajo recolectan néctar de las flores, es decir, reciben comida. Al mismo tiempo, volando de flor en flor, llevan a cabo la llamada polinización indirecta, que ayuda a las plantas en la reproducción. En otras palabras, a la pregunta "¿Qué, sostuviste una vela?" la abeja respondería afirmativamente, después de lo cual te picaría por preguntas tan inapropiadas.


Las abejas en un girasol.

Además de las abejas, otros tipos de insectos (hormigas, abejorros, mariposas, etc.), así como los vertebrados (pájaros, murciélagos, roedores, etc.) también ayudan a las plantas en la polinización.

Como ya hemos entendido, las relaciones simbióticas no son infrecuentes. Los participantes en estas relaciones nos sorprenden más que el hecho de su existencia.

Vale la pena señalar que el olor es una señal química que le permite obtener cierta información sobre su origen. No solo las ranas, sino también muchas especies de vertebrados usan los olores como una forma de intercambiar información. Recuerde lo que hacen los gatos (especialmente a menudo en la primavera): de esta manera notifican a otros representantes de su especie sobre su presencia, derecho al territorio, etc. Si consideramos las fuentes de olores en general, entonces hay varias fuentes principales:

• síntesis secretora primaria (de novo) en ciertas glándulas;
• subproductos de excreción, es decir, secreciones de la actividad vital del cuerpo;
• uso del medio ambiente;
• productos metabólicos de bacterias simbióticas.

En los años 70 del siglo pasado, se estableció una "teoría de la fermentación", que afirmaba que las bacterias simbióticas en los mamíferos metabolizan las proteínas y los lípidos que se encuentran en las glándulas aromáticas. En consecuencia, se producen compuestos volátiles que el portador utiliza para la comunicación.


Una rana tigre que croa.

Si hablamos de ranas y sapos, entonces aquí el método principal de transmisión de información (es decir, comunicación) siempre se consideró sonidos (señales acústicas). Pero a los olores no se les prestó mucha atención, ya que los consideró no tan importantes en este proceso. Resultó que todo esto es diferente. El olor no solo es muy importante en la transmisión de información (determinación del sexo, atracción de una pareja, protección contra los depredadores, etc.), sino que también surge con la ayuda de organismos simbióticos, es decir, bacterias.

Los científicos lograron descubrir que el secreto secretado por la piel de las ranas contiene sulfuros orgánicos * , sesquiterpenos * y metoxipirazinas * . La fuente de estos compuestos químicos fueron las bacterias del grupo Pseudomonas que viven en la piel de los individuos estudiados.

Sulfuros orgánicos * : análogos de éteres que contienen azufre.

Sesquiterpenos * : un grupo de compuestos orgánicos de la clase de terpenos, que incluyen hidrocarburos de C ₁₅ H ₂₄ a C ₁₅ H ₃₂ .

Las metoxipirazinas * son compuestos químicos que producen olores.

Como mencioné anteriormente, los científicos eligieron como sujetos a las ranas arbóreas de las especies de Boana prasina que viven en la región de América del Sur. Esta especie tiene un período reproductivo bastante largo, durante el cual los machos usan señales acústicas y emiten un olor muy fuerte y característico. Los científicos enfatizan que los estudios sobre el papel de los olores en la actividad social de las ranas arbóreas ya se han llevado a cabo, pero la fuente de estos olores aún no se ha investigado.

Y ahora, habiéndonos familiarizado con el concepto de simbiosis, los participantes en la investigación y los objetivos de los científicos, comenzaremos a familiarizarnos con los resultados de las observaciones.

Resultados de la investigación

Utilizando TFME (microextracción en fase sólida) y GC / MS (cromatografía de gases / espectrometría de masas), los científicos pudieron establecer que la composición de la secreción volátil de la piel de machos y hembras de especies de B. prasina incluye aproximadamente 60-80 compuestos químicos diferentes, incluidos alcoholes, aldehídos , alquenos, ésteres, cetonas, metoxipirazinas, terpenos (hemiterpenos, monoterpenos y sesquiterpenos) y tioéteres.


Imagen No. 1: Comparación de la composición química de la secreción volátil de la piel de machos y hembras de B. prasina.

Designaciones a la tabla anterior: Mop - metoxipirazinas; Het - hemiterpenos; Mnt son monoterpénicos; Sqt - sesquiterpenos; Hyc - hidrocarburos; Dedo del pie - tioéteres; Eth - ésteres; Ket - cetonas; c * - compuestos aromáticos también encontrados en terrarios.


Tabla No. 1: datos de un análisis químico de la secreción volátil de la piel de machos y hembras de especies de B. prasina.

Al mismo tiempo, resultó que la mayoría de toda esta "sopa fragante" para ambos sexos son hemiterpenos, cetonas y alcoholes (49.9-78.3%).

Si comparamos la composición química para determinar sus diferencias en hombres y mujeres, entonces se distinguen SQT (sesquiterpenos), TOE (tioésteres) y MOP (metoxipirazinas), que se observa en 2A y 2B .


Imagen No. 2: un análisis comparativo de la composición química de la secreción de hombres y mujeres.

El gráfico doble 2A se basa en el contenido relativo de compuestos volátiles. Los centroides de dispersión de la muestra se representan como un círculo para las mujeres y un triángulo para los hombres. La Figura 2B muestra la contribución relativa de cada clase de compuestos químicos a los primeros cuatro componentes principales obtenidos en el análisis de PCA (método de componente principal). El tamaño del círculo indica el valor absoluto de la contribución, y el color (de rojo a azul) indica la contribución negativa o positiva.

Gracias a la creación de la función LDA (análisis discriminante lineal), quedó claro para los científicos que es posible distinguir el sexo de un individuo mediante un perfil químico ( 2C ): prueba de Kruskal-Wallis: DF = 1, P = 0.001.

Una pequeña explicación de la terminología en los datos:

• la palabra "interacción" significa que en el análisis de los datos se tuvieron en cuenta ambos factores: el género del individuo y el método de muestreo;
• la palabra "género" significa el análisis de datos únicamente para determinar el sexo bajo ciertas condiciones de muestreo;
• in vivo: análisis en un organismo vivo (no en una muestra tomada de él);
• muestra: análisis de muestras de piel tomadas de un individuo vivo (analizado por separado del individuo mismo).

De las tres clases más distintivas (TOE, SQT y MOP), las MOP (metoxipirazinas) son más pronunciadas en las mujeres que en los hombres. Esto es evidente a partir de la prueba de razón de probabilidad. Interacción: χ ² ₁ = 1.20; P = 0,2729; género: χ ² ₁ = 12.778; P = 0,0004.

Además, en los hombres, los SQT (sesquiterpenos) fueron más altos que en las mujeres. Interacción: χ ² ₁ = 23.817; P <0,0001; género (in vivo): χ ² ₁ = 22.933; P <0,0001; género (muestra): χ ² ₁ = 1.317; P = 0.2511.

Finalmente, el análisis de los datos de TOE (tioésteres) mostró que los hombres tienen más de este compuesto químico, pero solo cuando se analizan en un individuo vivo (in vivo). Interacción: χ ² ₁ = 10.618; P = 0,0011; género (in vivo): χ ² ₁ = 10.9505; P = 0,0009; género (muestra): χ ² ₁ = 2,0051; P = 0,1568.

Tras un examen más detallado de la composición de SQT y TOE, los científicos identificaron dos sustancias principales que se expresaron más, a saber, dihidroedulan II en SQT y C ₆ H ₁₂ S en TOE.

Además, los investigadores decidieron tratar con metoxipirazinas (MOP) con más detalle, de los cuales 4 fueron aislados:

• MOP1 - 2-isopropil-3-metoxipirazina (C ₈ H ₁₂ N ₂ O)
• MOP2 - 3-isopropil-2-metoxi-5-metilpirazina (C ₉ H ₁₄ N ₂ O)
• MOP3 - 2-sec-butil-3-metoxipirazina (C9H14N2O)
• MOP4 - 3-sec-butil-2-metoxi-5-metilpirazina (C10H16N2O)

Imagen 3: datos para los cuatro tipos de AMP en hombres y mujeres.

Como se puede ver en los datos del análisis, MOR3 es muy pronunciado en los hombres, pero no en las mujeres, independientemente del método de análisis (interacción: χ ² ₁ = 0.1219; P = 0.727; género: χ ² ₁ = 49.4548; P <0 , 0001).

Pero MOR4, por el contrario, se expresa fuertemente en mujeres y no en hombres (interacción χ ² ₁ = 5.3977; P = 0.0202; género (in vivo): χ ² ₁ = 25.5523; P <0.0001; género (muestra): χ ² ₁ = 33.1275; P <0.0001).

MOP1 y MOP2 estaban bastante mal representados en ambos sexos y juntos representaban aproximadamente 0-12.8% del número total de metoxipirazinas.

Descubrimos los datos, los números, las comparaciones de "quién tiene más" y ahora los más interesantes.

El hecho es que TOE y MOP son compuestos químicos que son producidos (generalmente) por microorganismos. Por lo tanto, los científicos tuvieron que verificar si este es el caso de las ranas arbóreas. Se tomaron muestras de las cuales se aislaron, cultivaron e identificaron bacterias asociadas con la piel.

De la atención, 128 metabolitos volátiles en bacterias, los científicos identificaron 16, que también estaban en ranas. Y también se identificaron 5 compuestos que se encontraron solo en bacterias.


Imagen No. 4: 4A - MPA que se encuentra en la piel de las ranas (1-4) y en la bacteria Pseudomonas (5-8), 4B - cromatograma GC / MS de la corriente de iones totales, que muestra la producción de MPA 1-8 (izquierda) por la bacteria Pseudomonas cultivada en agar Muller - Hinton (derecha).

Y aquí hay otro hecho muy interesante: los 4 tipos de AMP (los examinamos antes) fueron producidos por un solo aislado bacteriano. Además de los presentes en las ranas MPA 1-4, la bacteria produjo varias más (5-8 en la imagen 4A ), que no se detectaron en las ranas. También vale la pena señalar que en bacterias, el MPA más "masivo" fue el número 5 (C ₇ H ₁₀ N ₂ O o 2-metoxi-3,5-dimetilpirazina), lo que representa aproximadamente el 82.4 ± 16.7% del número total de metoxipirazinas.

Una comparación de MOP1-4 en bacterias y ranas mostró que MOP2 en bacterias se expresa mejor (5.9 ± 6.9%), pero MOP3 y MOP4 son peores que en ranas (2.6 ± 5.0% y 2 , 7 ± 2.1%, respectivamente).


Imagen No. 5: una población de bacterias en la piel de sujetos de prueba tomados de diferentes regiones y en diferentes momentos.

Los individuos para el estudio fueron tomados de la naturaleza, más precisamente de 4 regiones diferentes ( 5A ). El número de bacterias difería en individuos de diferentes regiones y dependía del tiempo pasado en cautiverio ( 5B ).

A pesar de las variaciones en más de la mitad del número de unidades taxonómicas activas (OTU) observadas en colonias de bacterias de la piel en cuatro sitios (60-63%) y en cinco períodos de muestreo diferentes (56-66%), pueden identificarse como representantes de las siguientes familias bacterianas: Enterobacteriales , Pseudomonadales , Methylophilales , Oceanospirillales , Actinomycetales , Bacillales , Alteromonadales y Burkholderiales . Los más pronunciados entre esta variedad fueron Klebsiella ( Enterobacteriales ) y Pseudomonas ( Pseudomonadales ). Esto se muestra en los gráficos 5A y 5B .

No se encontraron diferencias particulares entre los individuos evaluados de diferentes regiones. Pero la influencia del tiempo en cautiverio era palpable. Por lo tanto, la diversidad de bacterias y su número disminuyó con el tiempo (en cautiverio): primer día - 163 ± 26, tercero: 145 ± 35, décimo: 100 ± 9, 2 semanas: 104 ± 41 y 8 meses : 155 ± 34.

La diferencia, dependiendo de la región de residencia y el tiempo en cautiverio, también fue visible entre las bacterias Pseudomonas . Algunas OTU se encontraron solo en ranas de una determinada región ( 5C ) o ya se mostraban en cautiverio ( 5D ). Pero todavía se encontraron 4 especies de bacterias de este género en la mayoría de las muestras, es decir, no dependían de factores geográficos y del tiempo en un entorno de laboratorio controlado. Al mismo tiempo, hubo una diferencia en el número de bacterias Pseudomonas en hombres (en promedio 1.7%) y en mujeres (en promedio 2.4%). Estos indicadores disminuyeron durante su estadía en cautiverio en ambos sexos, especialmente en los primeros 3 días: desde el máximo en el primer día de 8.8 ± 4.3% hasta el máximo en el tercero - 0.4 ± 0.2%.

Dados los datos analizados, se puede concluir que son las bacterias Pseudomonas las que participan activamente en la secreción de compuestos volátiles que utiliza el portador, es decir. Las ranas, para determinar el sexo, atraen a una pareja durante la temporada de reproducción y como protección contra los depredadores.

Para conocer más detalladamente los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe del grupo de investigación y los materiales adicionales .

Epílogo

El hecho de que los olores juegan un papel extremadamente importante en la vida de muchos organismos vivos, incluidos los anfibios, se conoce desde hace bastante tiempo. Sin embargo, tales estudios, cuyo propósito es identificar la fuente primaria de estos olores y mecanismos para la producción de compuestos químicos volátiles, aún no se han llevado a cabo.

Los científicos pudieron descubrir exactamente qué compuestos químicos son importantes para la formación de olores y qué los produce. La piel de las ranas arbóreas alberga una serie de bacterias de diferentes familias. Los científicos sugieren que las biomoléculas sintetizadas por la piel de anfibios sirven como un filtro a través del cual las combinaciones únicas de diferentes tipos de bacterias pueden residir en la piel. Y los compuestos volátiles secretados por la bacteria Pseudomonas producida por MOP en la piel de la rana pueden actuar como productos químicos, es decir, una forma de comunicación entre las bacterias mismas.

A su vez, las ranas arbóreas usan esto como uno de los tipos de señales que se dan a otros individuos durante la temporada de apareamiento junto con señales acústicas, lo que se confirma mediante pruebas de comportamiento en la naturaleza y en condiciones de laboratorio.

En el futuro, los investigadores continuarán su trabajo para estudiar con más detalle la interacción de las bacterias y las ranas arbóreas. Los científicos llaman a este trabajo los primeros pasos para comprender la relación simbiótica entre los anfibios (y no solo) y varios microorganismos.

Sí, tales estudios pueden no tener ningún beneficio práctico para la humanidad, aunque es demasiado pronto para hablar de ello, porque un descubrimiento puede conducir a una serie de nuevos que de alguna manera pueden afectar y afectarán nuestras vidas. Pero lo que proporcionan exactamente estos estudios es el conocimiento y la comprensión de los aspectos del mundo que nos rodea, sobre el cual todavía no lo sabemos todo.



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