Pioverdina

Las pioverdinas ^{[ 1 ]} (también escritas, con menos frecuencia, como pioverdinas ) son sideróforos fluorescentes producidos por ciertas pseudomonas . ^{[ 2 ] [ 3 ]} Las pioverdinas son importantes factores de virulencia y son necesarias para la patogénesis en muchos modelos biológicos de infección . Sus contribuciones a la patogénesis bacteriana incluyen el suministro de un nutriente crucial (es decir, hierro ), la regulación de otros factores de virulencia (incluida la exotoxina A y la proteasa PrpL), ^{[ 4 ]} el apoyo a la formación de biopelículas , ^{[ 5 ]} y cada vez se reconoce más su toxicidad propia. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

Las pioverdinas también se han investigado como moléculas de " caballo de Troya " para la administración de antimicrobianos a cepas bacterianas resistentes , como quelantes que pueden utilizarse para la biorremediación de metales pesados ​​y como marcadores fluorescentes utilizados para detectar la presencia de hierro y potencialmente otros metales. ^{[ 9 ]}

Debido a que tienden puentes entre la patogenicidad , el metabolismo del hierro y la fluorescencia, las pioverdinas han despertado la curiosidad de los científicos de todo el mundo durante más de 100 años.

Al igual que la mayoría de los sideróforos, la pioverdina se sintetiza y secreta al medio ambiente cuando el microorganismo que la produce detecta que las concentraciones intracelulares de hierro han caído por debajo de un umbral preestablecido. Aunque el hierro es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre , la solubilidad de los compuestos de hierro biológicamente relevantes es extremadamente baja y, por lo general, insuficiente para las necesidades de la mayoría (pero no de todos) los microorganismos. Los sideróforos, que suelen ser bastante solubles y tienen una afinidad excepcionalmente alta por el hierro (III) (la afinidad de algunos sideróforos por el hierro supera los ^{10⁴⁰ M⁻¹} y muchas de las afinidades más fuertes jamás observadas en la naturaleza son exhibidas por sideróforos para el hierro), ayudan a aumentar la biodisponibilidad del hierro al atraerlo a la solución acuosa.

Además de este papel, la pioverdina tiene otras funciones, entre ellas la regulación de la virulencia, ^{[ 4 ] [ 5 ]} la limitación del crecimiento de otras especies bacterianas (y el hecho de actuar como una especie de antimicrobiano) al limitar la disponibilidad de hierro, y el secuestro de otros metales y la prevención de su toxicidad.

Aunque se han aislado y estudiado numerosas formas de pioverdina (más de 100), todas comparten ciertas características. Cada molécula de pioverdina consta de tres partes: un núcleo de dihidroxiquinolina, un péptido de 6 a 14 aminoácidos que varía según la cepa y una cadena lateral (generalmente compuesta por un α- cetoácido de 4 a 5 carbonos del ciclo de Krebs/ácido cítrico ). El núcleo de la pioverdina es responsable de varias de sus propiedades, incluyendo su característico color amarillento y su fluorescencia.

Se ha informado que la pioverdina es necesaria para la virulencia en una variedad de modelos de enfermedades , incluyendo C. elegans y varios modelos de infección murina (por ejemplo, modelos de quemaduras, modelos de neumonía, etc.). ^{[ 6 ] [ 15 ] [ 25 ] [ 26 ]}

Como se mencionó anteriormente, la pioverdina contribuye de diversas maneras a la virulencia general, incluyendo la regulación de su propia producción, la exotoxina A (que detiene la traducción) y la proteasa PrpL. ^{[ 4 ]} También hay evidencia de que, si bien no es esencial para su formación, la pioverdina contribuye a la producción y el desarrollo de biopelículas que son importantes para la virulencia. ^{[ 5 ]}

Finalmente, la pioverdina se asocia con varios tipos de toxicidad por derecho propio. En 2001, Albesa y sus colegas informaron que la pioverdina purificada de una cepa de P. fluorescens exhibió una profunda citotoxicidad para los macrófagos de mamíferos y que este efecto dependía al menos parcialmente de las especies reactivas de oxígeno . ^{[ 27 ]} Posteriormente, Kirienko y sus colegas determinaron que la pioverdina es necesaria y suficiente para matar a C. elegans , que ingresa a las células huésped, desestabiliza la dinámica mitocondrial e induce una respuesta hipóxica . ^{[ 6 ] [ 7 ]} La exposición desencadena una respuesta consistente con la hipoxia que depende de la proteína HIF-1 , lo que sugiere que el huésped percibe una condición en la que carece de las herramientas moleculares para generar ATP (generalmente, hierro, oxígeno y equivalentes reductores celulares) . ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Una vez secretada, la pioverdina se difunde libremente en el ambiente. La pioverdina unida al hierro (también conocida como ferripioverdina) puede ser absorbida por cualquier célula bacteriana con el receptor apropiado , aunque esto varía entre cepas. ^{[ 28 ]} Es importante destacar que esto crea un bien común que puede ser explotado por los "tramposos" que conservan la capacidad de usar la pioverdina pero han dejado de producirla. Dado que la producción de pioverdina es energéticamente costosa, esto puede crear una ventaja adaptativa en las células que no la sintetizan. ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]} En consecuencia, la pioverdina se ha convertido en un rasgo modelo para estudiar la cooperación y la explotación microbiana . ^{[ 33 ] [ 34 ]}

En P. aeruginosa , se ha demostrado que las bacterias "tramposas" que no producen pioverdina i) evolucionan fácilmente a partir de un ancestro productor; ^{[ 35 ]} y ii) superan a las cepas cooperativas en cultivos mixtos de manera dependiente de la densidad y la frecuencia. ^{[ 36 ] [ 37 ]} Dado que el uso de pioverdina depende de la difusión pasiva y la producción de pioverdina es metabólicamente costosa, se sabe que las condiciones ambientales influyen en la probabilidad de una explotación exitosa. Se demostró que la ventaja competitiva de los no productores de pioverdina sobre los productores en cultivos mixtos se maximiza cuando los ambientes están bien mezclados y las moléculas se difunden fácilmente (baja estructura espacial) y cuando los costos y beneficios de la producción de pioverdina son altos, es decir, cuando el hierro está fuertemente limitado. ^{[ 31 ] [ 38 ]} La mayoría de los estudios sobre cooperación y engaño de pioverdina se han realizado utilizando aislados clínicos, pero la explotación de sideróforos también se demostró recientemente en aislados naturales de Pseudomonas de muestras no clínicas. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

Actualmente, no se utiliza una nomenclatura generalizada y sistemática para diferenciar las estructuras de la pioverdina. En 1989 se propuso un sistema ^{[ 41 ]} que constaba de pioverdina tipo I, tipo IIa, tipo IIb y tipo III. En aquel entonces, solo se conocían unas pocas estructuras de pioverdina y se preveía que la variación sería mucho menor de la que se ha observado. Como consecuencia de la enorme heterogeneidad observada en la cadena peptídica y la observación de congéneres (pioverdinas de una misma cepa que difieren únicamente en sus porciones de cetoácidos), la nomenclatura de las pioverdinas sigue siendo bastante precaria y ningún sistema ha logrado una aceptación universal.

• Década de 1850: Sédillot observa una secreción azul verdosa en los apósitos de las heridas quirúrgicas.
• 1860: Fordos extrajo la pioverdina (aunque no con ese nombre) de los apósitos para heridas .
• 1862: Lucke asocia la pioverdina con los bacilos observados al microscopio.
• 1882: Carle Gessard cultiva por primera vez Pseudomonas aeruginosa en cultivo puro, según se informa en "Sobre la coloración azul y verde de los vendajes". Gessard nombra al organismo Bacillus aeruginosa , derivado de "aerugo", palabra latina para cardenillo .
• 1889: Bouchard observa que la inyección de P. aeruginosa en un conejo infectado con Bacillus anthracis (agente causante del ántrax ) previene la formación de ántrax.
• 1889: Bouchard descubre que la pioverdina fluoresce bajo la luz ultravioleta .
• 1948, 1952: Primeras observaciones de que las concentraciones de hierro y pioverdina son recíprocas.
• 1978: Meyer y sus colegas realizan la primera demostración del papel de la pioverdina en la adquisición de hierro.
• Décadas de 1980-1990: Se elaboraron las primeras estructuras y la regulación de la proverdina.
• 1999: Primera determinación de que la fluorescencia de la pioverdina se extingue por la unión con el hierro.

Un compuesto relacionado con la pioverdina, llamado pseudoverdina (formalmente conocido como 3-formilamino-6,7-dihidroxicumarina), también es producido por algunas Pseudomonas fluorescentes. ^{[ 42 ]} Se cree que la pseudoverdina y la pioverdina pueden derivar de un precursor común, la 2,4,5-trihidroxifenilalanina, que puede condensarse con el ácido L-2,4-diaminobutírico para iniciar la producción de pioverdina. ^{[ 42 ]}

La pseudoverdina es relativamente similar a la pioverdina en su fluorescencia y otras propiedades espectroscópicas , así como en su capacidad para quelar hierro férrico, aunque con una afinidad mucho menor . ^{[ 42 ]} A diferencia de la pioverdina, es incapaz de transportar hierro al interior de las células , probablemente debido a la ausencia de la cadena peptídica. ^{[ 42 ]} Otra diferencia radica en que la pseudoverdina no parece estar regulada por los mismos procesos que la pioverdina. ^{[ 42 ]}