Mecanismes de resistència microbiana als metalls: aspectes generals

En resposta a les agressions per metalls pesants, els microorganismes han desenvolupat mecanismes de resistència i diferents funcions que fan possible la resistència bacteriana d’alguns bacteris als metalls pesants. Alguns d’aquest sistemes es troben en tots els bacteris però, alguns d’ells, són molt específics i només es troben en alguns bacteris.

II.1.2.1 Adsorció de metalls a les membranes bacterianes

Un mecanisme general de resistència que té lloc en tots els microorganismes és l’adsorció de metalls a les membranes bacterianes. La majoria dels metalls, per tal de produir un efecte fisiològic o tòxic, han d’entrar a l’interior de la cèl·lula. Atès que els metalls pesants poden adsorbir-se i quedar immobilitzats a les membranes bacterianes, es pot afirmar que aquestes membranes actuen com a primera línia de defensa. L’adsorció de metalls per part de les membranes bacterianes és un fenomen relacionat bàsicament amb els grups funcionals que aquestes contenen (grups carboxílics, amina i fosfat), amb les concentracions de metalls i amb les forces de van der waals. L’adsorció es produeix bàsicament en els exopolímers secretats pels microorganismes els quals estan composats de carbohidrats, polisacàrids, i algunes vegades àcids nuclèics i àcids grassos. Una altra molècula extracel·lular secretada pels microorganimes són els sideròfors, compostos orgànics de baix pes molecular complexadors de ferro, que concentren i faciliten l’entrada de ferro a l’interior de la cèl·lula en ambients on hi ha una carència d’aquests ions. Aquests siderophors poden interaccionar amb altres metalls de química similar al Fe3+ _(Al3+_{, Ga}3+ _{i Cr}3+_{), diminuint la biodisponibilitat i per tant la toxicitat} d’aquests (Maier et al., 2000).

98 Capítol 2

Aquest fenòmen d’adsorció, s’ha posat de manifest en diversos estudis (Beveridge i Murray, 1976; Bitton i Freihofer, 1978; Morozzi et al., 1986). Altres estudis suggereixen que les membranes extracel·lulars de Pseudomonas fluorescense actuen de barrera contra els metalls pesants ja que es detecta un augment de la toxicitat quan no hi ha aquesta membrana (Bauda i Block, 1990). Darrerament, Wang i xiao (2003) varen descriure la capacitat d’adsorció del Cu2+ en diferents components de les membranes de Pseudomonas putida, demostrant que la capacitat d’adsorció és superior en les membranes aïllades que en cèl·lules intactes.

II.1.2.2 Precipitació de metalls

La biodisponibilitat de les espècies metàl·liques també pot estar influida per metabolits secondaris del metabolisme bacterià. Per exemple, en condicions aeròbiques, Citrobacter spp. pot produir fosfat el qual provoca la precipitació de plom i coure, disminuint la seva disponibilitat i per tant, la seva toxicitat. En condicions anaeròbiques, la producció d’altes concentracions de H2S dels bacteris reductors de sulfat com Desulfovibrio també poden provocar la precipitació de metalls. D’altra banda, també es coneix que determinades soques bacterianes tenen la capacitat de reduir les formes tòxiques de Cr(VI) a formes de Cr(III) insolubles que precipiten (Losi et al., 1994; Wang i Xiao, 1995; Smith et al., 2002; Desjardin et al., 2003).

II.1.2.3 Mutació dels sistemes d’entrada

Tot i l’adsorció dels metalls en aquestes membranes bacterianes i a la precipitació d’alguns metalls, alguns d’aquest ions acaben interaccionant amb lligands cel·lulars específics i aconsegueixen entrar a l’interior de la cèl·lula.

L’entrada dels ions biodisponibles que no han estat retinguts per aquestes membranes pot produir-se de diferents maneres. Bàsicament, l’entrada dels ions descrits anteriorment pot produir-se mitjançant sistemes d’entrada ràpida i inespecífica, els quals poden estar conduïts per gradients quimiosmòtics o també, mitjançant sistemes específics on l’entrada dels ions es produeix d’una manera específica, lenta i amb un cost energètic (la hidròlisi d’ATP). La mutació d’aquests sistemes d’entrada, els quals en condicions normals permeten l’entrada dels ions a l’interior de la cèl·lula, pot conferir una resistència als bacteris davant determinats metalls pesants. Si es produeix una mutació cromosòmica en els gens que codifiquen per algunes proteïnes que formen part del sistema de transport, es produiran alteracions en els productes d’aquests gens donant a lloc a plegaments erronis o expressions incompletes de les proteïnes que formen els sistemes de transport transmembrana. Aquestes alteracions poden produir la inactivació d’aquests transportadors i conferir així, una resistència als metalls pesants (Silver, 1996; Silver i Phung, 1996).

Intruducció 99

Per exemple, la resistència als ions CrO42- descrita anteriorment en fongs Neurospora Crassa (Marzluf, 1970), en llevats Saccharomyces cerevisiae (Smith et al., 1995) i en el bacteri

Salmonella thyphimurium (Ota et al., 1971) podria ser deguda a la mutació cromosòmica del sistema de transport sulfat. En condicions normals, els ions cromat poden penetrar dins les cèl·lules amb el mateix sistema transportador proteic que incorpora els ions SO42-, és l’anomenat complex sulfat permeasa. El fet que les càrregues i les mides dels ions cromat siguin semblants a les dels ions sulfats, permet que els ions cromat puguin penetrar a l’interior de la cèl·lula a través d’aquest porus. Si es produeix una mutació en els gens que codifiquen per aquest sistema, ni els ions cromat ni els ions sulfat podran penetrar a l’interior de la cèl·lula, conferint certa resistència al bacteri davant els ions cromat.

II.1.2.4 Protreïnes d’estrès i metal·lothioneïnes

D’altra banda, existeixen diversos mecanismes de resistència intracel·lulars, els quals poden intervenir en la tolerància que certs microorganismes tenen davant determinats metalls pesants. Un d’aquests mecanismes és la sobreexpressió de proteïnes d’estrès que ajuda a mantenir l’estructura de determinades proteïnes (Park et al., 2001). La homeostasi que ajuden a mantenir les metal·lothioneïnes bacterianes davant determinats metalls pesants mitjançant la retenció d’aquests metalls pesants també es pot considerar com a un mecanisme de defensa intracel·lular (Silver i Ji, 1994; Maier et al., 2000).

II.1.2.5 Inducció de sistemes d’expulsió

Una altre línia de resistència bacteriana als metalls pesants és la que confereixen els sistemes d’expulsió. Alguns microorganismes tenen plasmidis que codifiquen per aquests sistemes (normalment ATPases) que tenen la funció d’excretar a l’exterior els metalls pesants tòxics de l’interior de la cèl·lula (Nies, 2003; Silver i Ji, 1994).

Aquests mecanismes de resistència són molt específics per a cada un dels metalls pesants i no tots el microorganismes en disposen. Un exemple, seria la inducció de la proteïna ChrA, la qual permet expulsar els ions cromat presents a l’interior de les cèl·lules (Alvarez et al., 1999). Aquest sistema d’eflux de membrana ha estat descrit anteriorment en Ralstomia metallidurans

(Peitzsch et al., 1998). La inducció de la síntesi de les proteïnes ArsA i ArsB permet expulsar, en aquest cas, ions d’arsenit de l’interior de la cèl·lula (Nies, 2003; Maier et al., 2000).