Bacillus anthracis

miniatura|dereita|Estrutura de B. anthracis
miniatura|Estrutura cristalina da proteína CapD de Bacillus anthracis

Bacillus anthracis é unha especie bacteriana grampositiva causante do carbúnculo ou carbuncho (en inglés chamado anthrax), que afecta ao gando e ocasionalmente a humanos, e é a única especie patóxena obrigada do xénero Bacillus. É un bacilo grampositivo, formador de endósporas, de 1-1,2 µm de largo e 3-5 µm de longo. Pode cultivarse nun medio nutriente ordinario en condicións aeróbicas ou anaeróbicas.Holt, J. G., N. R. Krieg, P. H. A. Sneath, J. T. Staley, and S. T. Williams. 1994. Group 17: gram-positive cocci, p. 527-558. In W. R. Hensyl (ed.), Bergey's Manual of Determinative Bacteriology, 9th ed. Williams and Wilkins, Baltimore, Md.

É unha das poucas bacterias que sintetizan unha cápsula proteica (de poli-ácido D-gamma-glutámico). Igual que Bordetella pertussis, forma unha exotoxina de adenilato ciclase dependente de calmodulina chamada factor edema do ántrax, e ademais o factor letal. Ten unha grande semellanza xenotípica e fenotípica con Bacillus cereus e Bacillus thuringiensis. Estas tres especies comparten morfoloxía e tamaño e todas forman esporas ovais localizadas no centro da célula sen que esta inche ou avulte. As esporas de B. anthracis son moi resistentes, e poden sobrevivir a temperaturas extremas, ambientes con poucos nutrientes, e tratamentos químicos fortes durante décadas ou séculos.

 Historia 
O médico francés Casimir Davaine (1812-1882) demostrou que os síntomas do carbúnculo (en inglés anthrax) estaban invariablemente acompañados da presenza do microbio B. anthracis. O médico alemán Aloys Pollender (1799–1879) tamén se cre que fixo este mesmo descubrimento. B. anthracis foi a primeira bacteria que se demostrou claramente que causaba unha enfermidade, por Robert Koch en 1876.Koch, R. (1876) "Untersuchungen über Bakterien: V. Die Ätiologie der Milzbrand-Krankheit, begründet auf die Entwicklungsgeschichte des Bacillus anthracis" (Investigations into bacteria: V. The etiology of anthrax, based on the ontogenesis of Bacillus anthracis), Cohns Beitrage zur Biologie der Pflanzen, vol. 2, no. 2, pages 277-310. O nome da especie anthracis procede da voz grega anthrakis (ἄνθραξ), que significa "carbón" (e carbúnculo procede tamén de "carbón"), e causa na pel lesións grandes e negras como o carbón.

 Esporas 
B. anthracis produce unha espora oval no centro da célula, non avultada e moi resistente. A espora é unha célula deshidratada con paredes grosas e capas adicionais que se forman por dentro da membrana celular. Poden permanecer inactivas durante moitos anos, pero se están nun ambiente favorable poden empezar a crecer outra vez. Denomínase endóspora porque se forma inicialmente dentro da célula bacilar. Características como a localización da espora na célula, o seu tamaño e forma (redondas, ovais ou ocasionalmente cilíndricas), e se causa ou non que a parede do bacilo quede avultada serven para distinguir as diferentes especies do xénero Bacillus. Son moi refráctiles e conteñen ácido dipicolínico. As seccións vistas con microscopio electrónico mostran que as esporas teñen unha delgada cuberta externa, un groso córtex, e unha membrana interna que rodea o contido da espora. As esporas resisten a calor, a seca, e a moitos desinfectantes (incluíndo etanol ao 95%).Bergey's Manual of Systematic Bacteriology, vol. 2, p. 1105, 1986, Sneath, P.H.A.; Mair, N.S.; Sharpe, M.E.; Holt, J.G. (eds.); Williams & Wilkins, Baltimore, Maryland, USA

En condicións de estrés ambiental, as bacterias de B. anthracis producen de forma natural as endósporas, as cales quedan depositadas e descansan na terra e poden sobrevivir durante moito tempo. Cando son inxeridas por vacas, ovellas ou outros herbívoros, as esporas reactívanse e a bacteria comeza a se reproducir dentro do animal. As esporas transfórmanse na forma vexetativa en medios favorables como o sangue e outros tecidos biolóxicos do animal (ou humanos), en especial os ricos en aminoácidos, nucleótidos e glicosa. Unha vez dentro do hóspede, as bacterias difunden e multiplícanse nos ganglios linfáticos ata que atinxen o torrente sanguíneo. A bacteria pode chegar a provocarlle a morte ao animal, para logo continuar reproducíndose no corpo sen vida. Unha vez que os nutrientes se esgotan, a bacteria produce novas esporas e o ciclo de vida repítese.<ref name=Baron>{{cita libro | autor= Turnbull PCB | título= Bacillus. In: Barron's Medical Microbiology (Baron S et al., eds.)| edición= 4th ed. | editorial= Univ of Texas Medical Branch |ano= 1996 | url = http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=mmed.section.925 | isbn= 0-9631172-1-1}}</ref> O proceso de esporulación realízase sempre fóra do animal infectado. É frecuente atopar esporas en produtos derivados de animais como la ou penso.

As esporas adoitan atoparse en chans alcalinos, e crese que a xerminación está relacionada con cambios bruscos de temperatura. Cando penetran a través de feridas orixinan carbúnculo cutáneo, cando o fan por vía oral causan carbúnculo gastrointestinal, e cando o fan por inhalación provocan carbúnculo inhalatorio ou pulmonar.

As esporas utilizáronse como armas biolóxicas ou foron enviadas en cartas para cometer atentados.

 Estrutura do xenoma B. anthracis ten un só cromosoma, circular, de 5 227 293 pares de bases. Ten tamén dous plásmidos circulares extracromosómicos de ADN bicatenario, chamados pXO1 e pXO2, que se requiren ambos os dous para que a bacteria teña unha virulencia completa e representan dúas familias de plásmidos distintas.

 Características  Cromosoma  pXO1  pXO2 Tamaño (bp) 5 227 293 181.677 94.829 Número de xenes 5.508 217 113 Codificación do replicón (%) 84,3 77,1 76,2 Lonxitude media dos xenes (nt) 800 645 639 Contido G+C (%) 35,4 32,5 33,0 Operóns de ARNr 11 0 0 ARNts 95 0 0 ARNs 3 2 0 Xenes de fagos 62 0 0 Xenes de transposóns 18 15 6 Marco de lectura interrompido 37 5 7 Xenes con función asignada 2.762 65 38 Xenes hipoteticamente conservados 1.212 22 19 Xenes de función descoñecida 657 8 5 Xenes hipotéticos 877 122 51

 Plásmido pXO1 
O plásmido pXO1 (de 182 kb) contén os xenes que codifican os compoñentes da toxina, que son: pag (antíxeno protector, PA), lef (factor letal, LF), e cya (factor edema, EF). Estes factores están contidos nunha illa de patoxenicidade (PAI) de 44,8 kb. A toxina letal é unha combinación de PA e LF e a toxina edema é unha combinación de PA e EF. A illa de patoxenicidade tamén contén xenes que codifican o activador transcricional AtxA, e o represor PagR, os cales regulan a expresión dos xenes da toxina.

 Plásmido pXO2 
O plásmido pXO2 codifica un operón de cinco xenes (capBCADE), que sintetiza a cápsula de poliglutamato (poli-ácido γ-D-glutámico). Esta cápsula permítelle a B. anthracis evadirse do sistema inmunitario do hóspede para protexerse da fagocitose. A expresión do operón da cápsula é activada polos reguladores transcricionais AcpA e AcpB, localizados na illa de patoxenicidade pXO2 (de 35 kb). Polo contrario, a expresión de AcpA e AcpB está baixo o control de AtxA do plásmido pXO1.

 Cepas 
miniatura|dereita|B. anthracis con tinguidura de Gram en medio de glóbulos brancos do sangue.

Coñécense 89 cepas de B. anthracis. Exemplos importantes son:
 Cepa Sterne (34F2; tamén chamada "cepa Weybridge"), que foi usada por Max Sterne nas súas vacinas da década de 1930.
 Cepa Vollum, anteriormente utilizada como arma biolóxica polos EEUU, o Reino Unido e Iraq; illada de vacas de Oxfordshire, no Reino Unido en 1935.
 Vollum 1B, usada como arma polos Estados Unidos e o Reino Unido entre 1940-60
 Vollum-14578, proba biolóxica do Reino Unido que contaminou a illa Gruinard, en Escocia na década de 1940.
 V770-NP1-R, cepa non virulenta e non encapsulada utilizada na vacina BioThrax.
 Cepa Ames, illada de vacas de Texas, EEUU, en 1981; que se fixo famosa por terse utilizado nos ataques terroristas con cartas con esporas en 2001 nos Estados Unidos.
 Devanceiro Ames (Ames Ancestor).
 Florida Ames (Ames Florida).
 Cepa H9401, illada dun paciente humano en Corea; usada en vacinas de investigación.

 Evolución 
A secuenciación do xenoma completo permitiu establecer unha filoxenia de B. anthracis moi precisa. Un factor que contribuíu á reconstrución desta filoxenia é que B. anthracis é monomórfico, o que significa que ten unha diversidade xenética baixa, o que inclúe a ausencia de transferencia lateral de xenes medible desde que se separou como especie. A falta de diversidade débese á súa curta historia evolutiva que impediu a saturación mutacional en polimorfismos dun só nucleótido (SNPs).

Un tempo de evolución curto non necesariamente significa un tempo cronolóxico curto. Cando o ADN se replica, ocorren erros que orixinan mutacións xenéticas. A acumulación destas mutacións co tempo fai que as especies evolucionen. Durante o ciclo de vida de B. anthracis, esta pasa unha gran cantidade de tempo no solo no estado reservorio de espora, un estado no cal non se produce replicación do ADN. Estes prolongados períodos de dormencia reduciron enormemente as taxas de evolución do organismo.

 Especies máis próximas B. anthracis pertence ao grupo de B. cereus, que consta das cepas de: B. cereus, B. anthracis, B. thuringiensis, B. weihenstephanensis, B. mycoides, e B. pseudomycoides. As primeiras tres son patóxenas ou oportunistas de insectos e mamíferos, mentres que as últimas tres se consideran non patóxenas. As cepas destes grupos son en conxunto heteroxéneas xenética e fenotipicamente, pero algunhas das cepas están máis estreitamente relacionadas e intermesturadas filoxeneticamente a nivel cromosómico. O grupo de B. cereus xeralmente mostra xenomas complexos e a maioría leva unha cantidade variable de plásmidos.B. cereus é un morador dos chans que pode colonizar o intestino de invertebrados como simbionte e é unha causa frecuente de intoxicacións alimentarias Produce unha toxina emética, enterotoxinas, e outros factores de vuirulencia. As enterotoxinas e factores de virulencia están codificados no cromosoma mentres que a toxina emética está codificada no plásmido de 270 kb pCER270.B. thuringiensis é un patóxeno de insectos e caracterízase pola produción de cristais paraesporais das toxinas insecticidas Cry e Cyt. Os xenes que codifican estas proteínas están xeralmente situados en plásmidos, que o organismo pode perder, o que o fai indistinguible de B. cereus.

 Pseudoxenes 
PlcR é un regulador transcricional global que controla a maioría dos factores de virulencia segregados de B. cereus e B. thuringiensis. Está codificado no cromosoma e é ubicuo na célula. Porén, en B. anthracis o xene plcR contén un cambio dunha soa base na posición 640, que é unha mutación sen sentido, que orixina unha proteína non funcional. Aínda que o 1% do grupo de B. cereus leva un xene plcR inactivado, ningún deles presenta a mutación específica que se encontra en B. anthracis.

O xene plcR é parte dun operón de dous xenes xunto co papR. O xene papR codifica unha pequena proteína que se segrega da célula e despois se reimporta como heptapéptido procesado formando un sistema de percepción do quórum (quorum sensing). A ausencia de PlcR en B. anthracis é unha característica fundamental que o diferencia doutros membros do grupo de B. cereus. Aínda que B. cereus e B. thuringiensis dependen do xene plcR para a expresión dos seus factores de virulencia, a virulencia de B. anthracis depende dos plásmidos pXO1 e pXO2.

 Aspectos clínicos 

 Nome 
A enfermidade producida pola infección por B. anthracis denomínase carbúnculo (a denominación que se utilizará neste artigo), carbuncho ou carafuncho, pero en inglés denomínase anthrax. Tradicionalmente en España (e outros países de linguas latinas) denomínase ántrax á infección da pel por Staphylococcus aureus (en inglés carbuncle), polo que os significados de ántrax/cabúnculo e anthrax/carbuncle nos dous idiomas serían opostosDiccionario Terminológico de Ciencias Médicas. 13ª edición. Masson. 1992. Páxinas 87 (ántrax) e 201 (carbunco/carbúnculo) ISBN 84-458-0095-7.. Porén, está empezándose a utilizar aquí ántrax co significado de infección por B. anthracis, como se ve na segunda acepción do DRAG na voz carbúnculo, o cal indica o confuso que é o uso destes termosDRAG ántrax . No Dicionario Galego de Termos Médicos considérase carbúnculo ou carafuncho a infección por B. anthracis, e na voz Bacillus aparece que o B. anthracis orixina o carbúnculo, pero despois na voz ántrax di que o B. anthracis produce "furúnculos" na pel (o que volve a indicar o confuso da terminoloxía, xa que os furúnculos son precisamente o que provoca o S. aureus).Dicionario Galego de Termos Médicos . Real Academia de Medicina e Cirurxía de Galicia. Consellería de Educación e Ordenación Universitaria. Dirección Xeral de Política Lingüística. Santiago de Compostela, 2002 "Ántrax maligno" é outra denominación de carbúnculo. A Enciclopedia Galega Universal en ántrax distingue o ántrax maligno (producido por B. anthracis) do ántrax benigno (furúnculos), mentres que carbuncho ou carbúnculo o define como a infección por B. anthracis.Enciclopedia Galega Universal. Ir Indo. Tomo 2. Páxina 85. Ántrax. ISBN 84-7680-290-0 (do tomo).

 Patoxénese 
A acción patoxénica de B. anthracis está mediada principalmente por dous factores de virulencia:

 Substancia P: un polipéptido cápsular, composto por polímeros de poliglutamato. Ten propiedades antifagocíticas, o que promove a invasión bacteriana. É esencial para unha completa virulencia e as cepas acapsuladas non son virulentas. 
 Factor B: unha exotoxina de natureza proteica, responsable dos síntomas clínicos. A súa ausencia reduce a virulencia nun factor de 1000. Está constituída por tres compoñentes codificados por plásmidos, que son:
 Factor edema (ou edematoso), que é unha adenilato ciclase dependente de calmodulina, que causa a elevación do AMPc intracelular, e é responsable dos graves edemas típicos da infeccións por B. anthracis.
 Toxina letal ou factor letal, responsable da necrose dos tecidos.
 Antíxeno protector, chamado así porque foi usado na produción de vacinas, que media a entrada na célula do factor edema e a toxina letal.

Existe un factor A antixénico pero carece de importancia inmunolóxica, xa que non xera anticorpos.

 Manifestacións da enfermidade en humanos 
Recoñécense tres formas de carbúnculo en humanos segundo o portal de entrada do microorganismo.
 Cutáneo, que é o máis común (95%), e causa unha lesión na pel localizada, inflamatoria, negra e necrótica.
 Pulmonar, a forma máis letal, caracterizada por un súbito e masivo edema pulmonar seguido de shock cardiovascular.
 Gastrointestinal, unha forma rara pero tamén letal (causa a morte nun 25% dos casos), orixinada pola inxestión de alimentos con esporas.

 Prevención e tratamento 
Téñense desenvolvido varias varinas contra o carbúnculo para uso preventivo no gando e en humanos. As infeccións por B. anthracis poden tratarse con antibióticos beta-lactámicos como a penicilina, e outros que son activos contra bacterias grampositivas. As cepas de B. anthracis resistentes á penicilina poden tratarse con fluoroquinolonas como a ciprofloxacina ou antibióticos do grupo das tetraciclinas como a doxiciclina.

 Investigación 
Polifenois. Compoñentes do té, como os polifenois, teñen a capacidade de inhibir considerablemente a actividade de B. anthracis e da súa toxina, pero non afectan ás esporas. A adición de leite ao té inhibe completamente esta actividade anitibacteriana contra o B. anthracis. A actividade destes compostos contra a bacteria demostrada no laboratorio non proba que beber té afecte ao curso dunha infección, xa que se descoñece como se absorben estes polifenois e como se distribúen polo corpo. Non teñen por que ser iguais as actividades in vitro e in vivo dun composto.

Métodos. Os avances nos métodos de xenotipificación melloraron moito as análises xenéticas sobre as variacións e parentescos entre especies. Entre estes métodos están a análise de repeticións en tándem de número variable e locus múltiples (MLVA) e sistemas de tipificación que utilizan polimorfismos dun só nucleótido (SNPs) canónicos. O cromosoma da cepa "devanceiro Ames" foi secuenciado en 2003, o cal contribuíu á identificación de xenes implicados na virulencia de B. anthracis.

Vacinas. Recentemente, o illado H9401 de B. anthracis, que foi obtido dun paciente de carbúnculo gastrointestinal de Corea do Sur, está sendo usado nese país para desenvolver vacinas recombinantes contra esa doenza. A cepa H9401 foi secuenciada utilizando a tecnoloxía 454 GS-FLX e analizado usando varias ferramentas bioinformáticas para aliñar, anotar e comparar a H9401 con outras cepas de B. anthracis. O nivel de cobertura da secuenciación suxire unha proporción molecular de pXO1:pXO2:cromosoma de 3:2:1, o cal é idéntico ao observado nas cepas Florida Ames e devanceiro Ames. A cepa H9401 ten un 99,679% de homoloxía de secuencia coa cepa devanceiro Ames, cunha homoloxía de secuencia de aminoácidos do 99,870%. A cepa H9401 ten un cromosoma circular (de 5 218 947 bp con 5.480 marcos de lectura aberta ou ORF preditos), o plásmido pXO1 (de 181.700 bp con 202 ORFs preditos), e o plásmido pXO2 (de 94.824 bp con 110 ORFs preditos). Comparado co cromosoma da cepa devanceiro Ames, o cromosoma da cepa H9401 é 8,5 kb máis pequeno. Debido á alta patoxenicidade e semellanza de secuencia co devanceiro Ames, a H9401 teñen previsto usala en Corea como referencia para probar a eficacia das novas vacinas contra o carbúnculo.

 Interaccións co hóspede 
Como ocorre con moitas outras bacterias patóxenas, B. anthracis debe captar ferro para crecer e proliferar no ambiente do seu hóspede. As fontes máis rapidamente dispoñibles de ferro para as bacterias patóxenas son os grupos hemo utilizados polo hóspede para transportar oxíxeno. Para captar eses grupos hemo da hemoglobina e mioglobina do seu hóspede, B. anthracis usa dúas proteínas sideróforas secretoras, chamadas IsdX1 e IsdX2. Estas proteínas poden separar o hemo da hemoglobina, o que permite que as proteínas de superficie de B. anthracis'' o transporten ao interior da bacteria.

 Notas 

 Véxase tamén 
 Ligazóns externas 
 Xenes de Bacillus anthracis e información relacionada en  PATRIC, a Bioinformatics Resource Center funded by NIAID
 Hazards in Animal Research Database - Bacillus anthracis
 Pathema-Bacillus Resource

Categoría:Bacillales