Sideróforos bacterianos y su potencial en Biotecnología

UNIVERSIDAD DE SEVILLA FACULTAD DE FARMACIA SIDERÓFOROS BACTERIANOS Y SU POTENCIAL EN BIOTECNOLOGÍA Mª DOLORES MARTÍN RUIZ UNIVERSIDAD DE SEVILLA FACULTAD DE FARMACIA GRADO EN FARMACIA Trabajo Fin de Grado: Revisión bibliográfica SIDERÓFOROS BACTERIANOS Y SU POTENCIAL EN BIOTECNOLOGÍA Departamento de Microbiología y Parasitología Autora: Mª Dolores Martín Ruiz Tutora: Montserrat Argandoña Bertrán Cotutora: Tania Antón Rodríguez Sevilla, 7 de julio de 2023 RESUMEN Introducción: el hierro es un elemento vital que necesitan todos los organismos vivos para numerosos procesos celulares. En condiciones de déficit de hierro los microorganismos sobreviven secretando sideróforos. Éstos tienen capacidad para quelar Fe(III) con alta afinidad y selectividad. En su estructura poseen átomos de oxígeno cargados negativamente que actúan como donadores de electrones coordinándose fundamentalmente con el hierro u otros metales pesados. Esta capacidad les hace útiles no sólo en la agricultura como promotores del crecimiento de plantas, sino también en medicina, biorremediación y para el desarrollo de biosensores. Material y métodos: revisión bibliográfica sobre los sideróforos bacterianos en biotecnología. Se han seleccionado 48 artículos de una búsqueda en PubMed y Dialnet de los últimos 5 años. Objetivos: analizar las aplicaciones de los sideróforos en diferentes sectores, incluidos la agricultura, la biorremediación, los biosensores y la medicina. Resultados: la aplicación más extendida de los sideróforos es en el ámbito de la agricultura, para promover el crecimiento de las plantas como una alternativa ecológica a los pesticidas químicos. En medicina, los sideróforos se utilizan para administrar antibióticos (estrategia del caballo de Troya) a bacterias resistentes, elaboración de vacunas, como marcadores tempranos de infecciones invasivas e identificación de células cancerígenas. Por último, pueden ser empleados como biosensores para detectar la presencia de iones en muestras ambientales y biológicas. Conclusiones: las aplicaciones de los sideróforos se han extendido a multitud de campos haciendo posible una agricultura más sostenible, aumentando las posibilidades de diagnósticos precoces de enfermedades, facilitando el tratamiento de enfermedades graves o resistentes a antibióticos y en el desarrollo de vacunas. El interés creciente en sus aplicaciones está haciendo posible nuevas investigaciones y el descubrimiento de nuevos sideróforos con nuevos roles. Palabras clave: sideróforos bacterianos, biocontrol, biorremediación, biosensor, cáncer. ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 1 1.1 Sideróforos: relevancia biológica, transporte y función ..................................................... 1 1.2 Tipos de sideróforos .......................................................................................................... 2 1.3 Aplicaciones potenciales de los sideróforos ..................................................................... 4 1.3.1 Aplicación en agricultura. ............................................................................................. 4 1.3.2 Aplicaciones en Medicina. ............................................................................................ 5 1.3.3 Aplicación en Medioambiente: biorremediación de ambientes contaminados por metales pesados. ................................................................................................................... 6 1.3.4 Aplicación en el desarrollo de biosensores .................................................................. 6 2. OBJETIVOS ............................................................................................................................. 7 2.1 Objetivo general .................................................................................................................. 7 2.2 Objetivos específicos ........................................................................................................... 7 3. MATERIALES Y MÉTODOS ...................................................................................................... 7 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................................................... 8 4.1 Aplicaciones en agricultura. ................................................................................................ 8 4.1.1 Aplicaciones como agentes de biocontrol ................................................................... 8 4.1.2 Aplicaciones como agentes biofertilizantes ............................................................... 10 4.1.3 Aplicaciones como agentes biofertilizantes y de biocontrol...................................... 11 4.1.4 Aplicaciones en condiciones extremas o desfavorables ............................................ 12 4.1.5 Aplicaciones de sideróforos quelados con hierro ...................................................... 13 4.2 Aplicaciones en la biorremediación de ambientes contaminados por metales pesados. 14 4.3 Aplicaciones en el desarrollo de biosensores. ................................................................ 15 4.4 Aplicaciones en medicina. ............................................................................................... 17 4.4.1 Diagnóstico de enfermedades ................................................................................... 17 4.4.2 Utilización como biomarcadores ................................................................................ 17 4.4.3 Producción de nuevas vacunas .................................................................................. 18 4.4.4 Mejora en la efectividad de los antimicrobianos ....................................................... 18 4.4.5 Tratamiento de la colitis inflamatoria ........................................................................ 20 4.4.6 Tratamiento frente al cáncer ..................................................................................... 21 5. CONCLUSIONES ................................................................................................................... 22 6. BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 24 1 1. INTRODUCCIÓN 1.1 Sideróforos: relevancia biológica, transporte y función Del griego: sideros = hierro; foros = portador; “portador de hierro”. Los sideróforos constituyen un grupo heterogéneo de ligandos de bajo peso molecular (500-1500 Da), con capacidad para quelar Fe3+ con alta afinidad y selectividad. Estos compuestos son sintetizados y secretados por bacterias, hongos (como Aspergillus, Fusarium y Penicillium) y plantas herbáceas (como la avena y cebada) como respuesta a bajos niveles de hierro disponible en el suelo, agua dulce o salada (Hider y Kong, 2010; Soares, 2022). El hierro es necesario en varios procesos metabólicos, incluida la cadena de transporte de electrones, la fosforilación oxidativa, etc. También regula la biosíntesis de toxinas, de los mismos sideróforos y la síntesis de ácidos nucleicos. Recientemente además se ha visto que el hierro tiene un papel importante en la formación de biopelículas microbianas ya que regula la motilidad de la superficie de los microorganismos. Sin embargo, solo el hierro ferroso (Fe2+) es soluble, de esta forma, varios informes muestran que las concentraciones de hierro ferroso disuelto están por debajo de las requeridas por los organismos vivos. Por esta razón , para sobrevivir en un entorno empobrecido en hierro, los microorganismos producen estos sideróforos capaces de quelar Fe3+ (Saha et al., 2015). La mayoría de las bacterias aerobias y anaerobias facultativas producen sideróforos en condiciones de deficiencia de hierro. Esto es debido a que los genomas bacterianos presentan tanto genes básicos como accesorios, siendo los accesorios los que regulan rasgos ventajosos específicos de la especie, como la resistencia a los antibióticos, los mecanismos de virulencia, la producción de metabolitos secundarios, o como la producción de sideróforos en este caso, etc (Olanrewaju et al., 2021). En condiciones limitantes de hierro, la célula bacteriana libera el sideróforo, el cual forma un complejo con el hierro férrico insoluble (Fe3+). A continuación, en el caso de bacterias gramnegativas, este complejo es captado por un receptor específico dependiente de TonB que hay en la membrana externa de la célula bacteriana, transportándose el complejo sideróforo- Fe3+ activamente dentro de la célula, al espacio periplásmico. En el espacio periplásmico, una proteína de unión a sideróforos (PBP) transmite el sideróforo a un transportador ABC, dependiente de ATP, que transporta activamente el sideróforo al citoplasma de la célula, donde el hierro férrico insoluble (Fe3+) se reduce a la forma ferrosa soluble (Fe2+) mediante la acción de la ferri-sideróforo ferrireductasa, lo que desencadena la liberación de Fe2+, accesible para el microorganismo. Más adelante, el sideróforo se degrada dentro de la célula o se secreta en 2 forma libre de Fe fuera de ella. En el caso de las bacterias Gram-positivas, estos sideróforos se unen directamente a la PBP, transmitiéndolos al transportador ABC dependiente de ATP. Esto es debido a su diferente estructura, ya que las bacterias Gram-negativas presentan dos membranas lipídicas entre las que se localiza una fina pared celular de peptidoglicano, mientras que las bacterias Gram-positivas presentan sólo una membrana lipídica y la pared de peptidoglicano es mucho más gruesa. Posteriormente, la célula bacteriana utiliza esta forma ferrosa de hierro para su crecimiento (Figura 1). Hay microorganismos como Escherichia coli que no solo utilizan sus propios sideróforos, sino que también pueden utilizar los sideróforos secretados por otros organismos, como los hongos u otras bacterias (Saha et al., 2015; Zhu et al., 2020). Figura 1. Esquema de la absorción de hierro mediada por sideróforos (Saha et al., 2015) Entre otras de las funciones que realizan los sideróforos se pueden destacar la señalización celular, la protección frente al estrés oxidativo, mediadores de interacciones entre comunidades microbianas o con los huéspedes que habitan, o participando en la lucha contra infecciones, como es el caso de las sideromicinas, constituidas por la unión de una molécula de un grupo de antibióticos con actividad bactericida con un sideróforo (Soares, 2022). 1.2 Tipos de sideróforos Se han descrito más de quinientos sideróforos, de los cuales trescientos están estructuralmente caracterizados (Hider y Kong, 2010), y se siguen descubriendo nuevas estructuras (Gama et al., 2021). En su estructura poseen átomos de oxígeno cargados negativamente que actúan como donadores de electrones coordinándose fundamentalmente con el hierro, aunque también podrían hacerlo con otros metales pesados como son el zinc o el 3 cobre. En ocasiones, estos donadores de electrones también pueden ser átomos de nitrógeno o azufre, siendo la geometría octaédrica la más común (Hider y Kong, 2010) . En función de la naturaleza del donador de electrones, podremos distinguir fundamentalmente tres tipos: hidroxamatos, catecolatos y α-hidroxicarboxilatos (Negash et al., 2019). Los catecolatos poseen una alta afinidad por el Fe3+ debido a los dos átomos de ortofenolato, cada uno con una alta densidad de carga; por otro lado, los hidroxamatos tienen un enlace amida, presentando así dos formas mesoméricas, una de las cuales genera una alta densidad de carga en el carboniloxígeno. Por último, en el caso de los α-hidroxicarboxilatos, estos tienen una alta afinidad por el hierro debido a que este puede competir más fácilmente con los protones por las funciones de alcóxido, en comparación con otros cationes biológicamente importantes (Hider y Kong, 2010). También podemos encontrar sideróforos mixtos que incluyen esqueletos cíclicos y estructuras hexadentadas que poseen una alta estabilidad termodinámica (Figura 2) (Negash et al., 2019). Figura 2. Ejemplos de los diferentes tipos de sideróforos. Catecolatos como la enterobactina y la bacillibactina; hidroxamatos como la desferrioxamina B y la vicibactina; carboxilatos como estafiloferrina A, rizoferrina y vibrioferrina; mixtos como las pioverdinas (Soares, 2022) 4 1.3 Aplicaciones potenciales de los sideróforos Se han observado y estudiado diferentes aplicaciones de los sideróforos en distintos sectores, tales como agricultura, medioambiente o medicina, o en el desarrollo de biosensores. 1.3.1 Aplicación en agricultura. En este ámbito los sideróforos se pueden utilizar como fertilizantes biológicos en la lucha contra la clorosis férrica en plantas, la cual da lugar a un menor rendimiento de los cultivos (Soares, 2022), ya que recientemente se ha demostrado la eficacia de una formulación fertilizante, compuesta por sideróforos de origen bacteriano, en la corrección de la clorosis en plantas cultivadas en suelo calcáreo (con baja disponibilidad de Fe) (Ferreira et al., 2019). Por otro lado, pueden ser una alternativa al uso tradicional de agroquímicos para el biocontrol de microorganismos. La fuerte afinidad de los sideróforos por el Fe hace que este nutriente no esté disponible para los microorganismos fitopatógenos, lo que inhibe su crecimiento, constituyendo un importante mecanismo de biocontrol de agentes infecciosos causantes de enfermedades vegetales (Figura 3) (Ferreira et al., 2019; Ghosh et al., 2020). Además, los complejos de Fe, compuestos por sideróforos microbianos, proporcionan una fuente eficiente de Fe para las plantas, ya que ayudan a concentrar el hierro que se encuentra en los suelos de forma natural (bioestimulación). Por ejemplo, los endófitos emplean los sideróforos como un elemento clave para mejorar la absorción de hierro del suelo por parte de las plantas y también ayudan en la producción de ácido indol-3-acético, hormona del crecimiento vegetal (Figura 3) (Crowley, 2006; Rout et al., 2013; De Serrano, 2017). Figura 3. Aplicaciones de los sideróforos en agricultura. Como mecanismo biofertilizante, mediante la quelación de Fe de los sideróforos producidos por las bacterias promotoras del crecimiento de la planta (flechas verdes), como estimulante del crecimiento, actuando sobre el sistema regulador de la planta (flechas amarillas), y como agentes de biocontrol de las poblaciones microbianas patógenas, impidiendo que éstas tengan acceso al Fe (flechas azules) (Ferreira et al., 2019) 5 1.3.2 Aplicaciones en Medicina. En el campo de la medicina pueden tener diversas aplicaciones. Los sideróforos se pueden utilizar como biomarcadores para detectar infecciones bacterianas, como se demostró en una infección causada por Mycobacterium tuberculosis mediante la detección de sideróforos producidos por esta bacteria a través de la cromatografía líquida y espectrometría de masas en tándem (Pan et al., 2015). También se ha visto su utilidad para identificar el lugar de infección a través de técnicas de imagen, utilizando un sideróforo marcado con 68Ga y la tomografía de emisión de positrones (PET) (Petrik et al., 2012) (Figura 4). Utilizando la misma técnica de imagen anteriormente citada (PET) y un sideróforo conjugado con un ligando “diana” y radiomarcado, se podría utilizar para la localización de un tumor (Soares, 2022). Figura 4. Uso de sideróforos para el diagnóstico de diferentes patógenos e identificación del foco de la infección por imagen (Luo et al., 2019) Los sideróforos también se utilizan en el tratamiento de infecciones bacterianas causadas por bacterias resistentes, ya que se pueden utilizar para administrar antibióticos mediante la estrategia del caballo de Troya. Son especialmente útiles para evitar la resistencia a los antibióticos, siendo una de las causas clave de esta resistencia la difusión deficiente de los antibióticos a través de la membrana externa de las bacterias, sobre todo en el caso de Gramnegativas, las cuales son cada vez más resistentes. De esta forma, los sideróforos utilizan su capacidad de ser transportados al interior de las bacterias para actuar como vectores y administrar fármacos a las bacterias a través de las vías de absorción sideróforo-hierro, mediante la conjugación de estos sideróforos con agentes antibacterianos. Así, se consigue una eficacia antibacteriana mejorada (Figura 5) (De Serrano, 2017). Por último, se pueden utilizar para detener el desarrollo de las células tumorales. Estas células necesitan más hierro que las células normales para proliferar rápidamente. En 12 presentan potencial para ser empleadas como inoculantes de plantas en suelos tropicales muy meteorizados (Ribeiro et al., 2018). 4.1.4 Aplicaciones en condiciones extremas o desfavorables La actividad que realizan los sideróforos tanto sobre la planta, fomentando su crecimiento, como sobre distintos fitopatógenos, inhibiendo su crecimiento, puede verse mermada si estos son producidos por cepas mesófilas; ya que perderían su actividad a temperaturas más bajas de las que estos resisten pudiendo, de esta forma, seguir activos muchos fitopatógenos fúngicos. Una solución sería usar sideróforos termoestables producidos por bacterias activas en frío. De esta forma se han obtenido mejores resultados contra varios patógenos fúngicos. Es el caso de Bacillus sp. ANT_WA51 (cepa antártica), eficaz frente un amplio espectro de patógenos fúngicos, lo que le confiere un gran potencial para su uso en la agricultura (Styczynski et al., 2022). De igual forma existen cepas bacterianas termotolerantes, cuya inoculación promueve el crecimiento vegetal en ecosistemas agrícolas con altas temperaturas. Dichos cultivos necesitan inóculos microbianos específicos que toleren extremos térmicos y conserven sus características funcionales para promover el crecimiento vegetal, el cual se sabe que está mediado por una variedad de mecanismos que incluyen la producción de sideróforos por parte de las cepas bacterianas. Algunas bacterias incluso son alcalinotolerantes, pudiendo tolerar medios alcalinos con un 7-10% de NaCl, como Achromobacter spanius y Pseudomonas poae, bacterias asociadas al trigo. Además, estas cepas podrían servir como agentes de biocontrol para cultivos que crecen en condiciones de elevada temperatura ya que algunas, como Alcaligenes faecalis, termo y alcalinotolerante, mostraron antagonismo contra diversos patógenos del trigo, (Verma et al., 2019). Otras bacterias presentan tolerancia al estrés por salinidad y desecación, como es el caso de Bacillus halotolerans LBG-1-13, aislada de las raíces del lirio (Lilium davidii var. unicolor). Esta bacteria no solo tiene actividad antagónica contra tres tipos de patógenos fúngicos causantes de enfermedades en el lirio, sino que también presenta simultáneamente múltiples propiedades promotoras del crecimiento vegetal (PGP), incluida la producción de sideróforos. Así, las plantas de lirio que fueron inoculadas con la cepa bacteriana aislada, mostraron un crecimiento mejorado en condiciones de campo y de invernadero (Gao et al., 2022). De igual modo, la cepa Bacillus xiamenensis ASN-1, es un caso especial de cepa tolerante a la salinidad. Ésta forma parte de la rizosfera de la planta de la caña de azúcar. Se ha visto que la inoculación de esta cepa y la aplicación exógena de nitroprusiato de sodio (SNP) como donante de NO, permiten mitigar el estrés por salinidad, manteniendo un suministro adecuado de nutrientes, 13 mejorando el crecimiento de la misma y consiguiendo así una productividad sostenible de la caña de azúcar en condiciones de estrés salino. De esta manera, la aplicación combinada de dicha cepa y SNP tuvo más éxito que el uso de ambos de forma individual (Sharma et al., 2021). En el caso de la planta del algodón sucede algo parecido. En experimentos de invernadero se llevó a cabo la inoculación de las actinobacterias endofíticas Nocardiopsis dassonvillei (XIEG12) y Streptomyces luteus (XIEG05), que producen sideróforos entre otras sustancias, como respuesta al estrés por elevada salinidad. Esto mejoró el crecimiento de dicha planta en diferentes concentraciones de salinidad en comparación con las no inoculadas. Además, se observó que la inoculación de la cepa Nocardiopsis alba (XIEG57) fue capaz de disminuir, en todas las concentraciones de NaCl probadas, los síntomas de la enfermedad del algodón (DI) causados por Verticillium dahliae, la cual causa marchitamiento y pérdidas de cultivos. De esta forma, dichas cepas pueden utilizarse como fertilizantes bioinoculantes y agentes de control biológico del algodón en suelos salinos (Mohamad et al., 2022). Por último, se han logrado aislar bacterias promotoras del crecimiento vegetal de las raíces de plantas naturales que crecen en la isla de Sal (Cabo Verde). Dichas cepas eran todas halotolerantes, siendo algunas incluso extremadamente halotolerantes, como Acinetobacter sp, Enterobacter sp, Pantoea sp, Rhizobium sp. Se observó que estas cepas pueden emplearse para incrementar la tolerancia del maíz (Zea mays) a la salinidad. Éstas también pueden promover el crecimiento de las plantas, agotar los metales de la rizosfera inhibiendo el crecimiento de patógenos y mejorar así la salud de las plantas. Incluso se observó un aumento en la producción de sideróforos en la mayoría de las bacterias bajo estrés salino. De esta forma, se concluyó que la inoculación de plantas con estas bacterias halotolerantes productoras de sideróforos minimiza el efecto negativo de la salinidad en los cultivos (Cruz et al., 2023). 4.1.5 Aplicaciones de sideróforos quelados con hierro Se ha visto que, en un experimento preliminar, la aplicación foliar de sideróforos bacterianos quelados con Fe (en combinación con Fe) mejora el crecimiento y la concentración de Fe en granos de soja y trigo, ya que el sideróforo sirve como transportador del Fe a las células vegetales. En este experimento se seleccionaron las cepas bacterianas Lysinibacillus fusiformis (alta producción de sideróforos) y Arthrobacter sp. (baja producción de sideróforos) en base a la cantidad de sideróforos producidos y la respuesta de las plantas. En el cultivo de trigo, el incremento de la concentración foliar de Fe fue más del doble al llevar a cabo la aplicación foliar de L. fusiformis +Fe y Arthrobacter sp.+Fe en comparación con el control (agua). Dicha aplicación no solo mejoró la absorción de Fe por el follaje, sino que también mejoró la movilización del mismo hacia los granos/semillas, movilizándose mejor estos quelatos de Fe que los compuestos 14 inorgánicos que contienen Fe. Así, se ha observado que, en comparación con algunos quelatos sintéticos de uso común, los sideróforos no son peligrosos para el medio ambiente y pueden servir como una alternativa para suministrar Fe a las plantas, pudiendo mejorar de este modo la concentración de Fe en leguminosas y granos de cereales, para así aliviar la deficiencia de Fe. La validación de la aplicación del sideróforo producido por L. fusiformis unido a Fe, en otros cultivos en condiciones de campo, podría suponer una estrategia económica, fácil y específica para la biofortificación (Sharma et al., 2019). Por todo esto, se ha visto que la aplicación foliar de bacteriosideróforos quelados con Fe es muy adecuada debido a que el sideróforo bacteriano es soluble en agua y también porque ésta sirve para superar las limitaciones de la aplicación del sideróforo en el suelo (Sharma et al., 2019). 4.2 Aplicaciones en la biorremediación de ambientes contaminados por metales pesados. Los sideróforos pueden ser empleados en la biorremediación de suelos con el fin de volver inaccesibles los metales pesados para las plantas, promoviendo así el crecimiento de las mismas. Esto es debido a que los sideróforos bacterianos pueden modificar la biodisponibilidad de los metales en el suelo mediante procesos de acidificación, precipitación, reducción y a la formación de complejos. Esta capacidad puede verse aumentada o disminuida en función tanto de la concentración y composición de los sideróforos secretados, como de la forma y propiedades del metal (Mathivanan et al., 2021). De este modo, se observó que el ácido tiocarboxílico, un sideróforo secretado por algunas especies de Pseudomonas, forma complejos solubles con muchos metales (Au, Bi, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Nd, Ni, Pd y Zn) pero precipita con metaloides y metales tóxicos (As, Cd, Hg, Pb, Se, Sn, Te y Tl). Esta precipitación selectiva de los metales, bajo el efecto de los sideróforos, puede ser útil para la inmovilización de dichos metales y la desintoxicación del suelo. Se ha observado que, si se trata un suelo con Pseudomonas fluorescens 21, se produce un incremento del contenido de Cd orgánico en el mismo que podría ser debido a la formación de complejos de Cd insolubles con dichos sideróforos bacterianos. También las células bacterianas o la materia polimérica intercelular producida por ellas podrían llevar a cabo la biosorción directa de Cd. Así, la presencia de la bacteria en la asociación microbiano-vegetativa acentúa el proceso de fitoestabilización (Shabayev et al., 2020). Por otro lado, en los suelos contaminados por Cd, la aplicación conjunta de P. fluorescens 21 y zeolita produjo un aumento adicional de la masa de la planta en comparación 15 con la aplicación por separado de ambos. Por lo tanto, la aplicación de bacterias y zeolita natural se puede recomendar para desarrollar estrategias para la remediación de suelos contaminados con Cd, basadas en tecnologías amigables con el medio ambiente (Shabayev et al., 2020). También, los sideróforos producidos por otras especies de Pseudomonas sp. (Q6B, Q14B, Q7B, Q1B y Q13B), aisladas de la rizosfera de la planta del tomate (Solanum lycopersicum), en condiciones de invernadero son útiles para la fitoestabilización de las plantas (Qessaoui et al., 2019). Por esto, la inoculación de estas cepas facilita el crecimiento de las plantas y la coalescencia de los metales, y disminuye la biodisponibilidad de los metales en el suelo (Guerrieri et al., 2020). El uso de estas cepas igualmente puede llevar a la reducción del uso de los fertilizantes químicos o incluso a su eliminación (Qessaoui et al., 2019). Por otro lado, se aisló a la especie Bacillus cereus de la rizosfera de Chenopodium album. Ésta crece en suelo contaminado con metales pesados y es la cepa identificada más eficiente para mejorar las capacidades de crecimiento y fitoextracción de Brassica nigra en suelos contaminados con cromo (Cr3+). Se observó que la inoculación de esta rizobacteria produjo una mejora significativa de la germinación y crecimiento de B. nigra y redujo los efectos tóxicos del estrés por Cr3+ en la misma. Dicha inoculación también mejora la disponibilidad de nutrientes para las plantas, especialmente del hierro (Akhtar et al., 2021). Por último, existen varios estudios sobre los beneficios de las bacterias endófitas en plantas medicinales y herbarias, como el caso de las actinobacterias, proteobacterias y Bacteroidetes, aislados del sauce de cabra (Salix caprea), que fueron resistentes a Zinc (Zn)/Cadmio (Cd) debido a los sideróforos secretados (Tshikhudo et al., 2023). 4.3 Aplicaciones en el desarrollo de biosensores. Un biosensor es un dispositivo simple e integrado que es capaz de generar información cuantitativa o semicuantitativa específica utilizando un elemento identificador biológico conectado a un transductor (Khasheii et al., 2021). En los últimos años, se han utilizado biosensores y nanosensores basados en sideróforos para detectar iones metálicos, antibióticos y pesticidas así como para detectar microorganismos (Khasheii et al., 2021). Existen diversos métodos para detectar iones metálicos (en especial el hierro) como las sondas fluorescentes unidas a sideróforos (o análogos) o sideróforos fluorescentes que, dada su rápida tasa de respuesta y alta sensibilidad, permiten la detección de metales a bajas concentraciones (Khasheii et al., 2021). Para detectar y cuantificar los iones metálicos presentes en la muestra a analizar, el sideróforo inmovilizado a una superficie se acopla a un biotransductor que transforma la señal de la interacción sideróforo-ion metálico en otra señal que, posteriormente, se amplifica, y que puede ser medida por un detector (Figura 9). Los 16 biosensores basados en sideróforos son económicos y dependen solamente del uso de espectrofotómetros (Khasheii et al., 2021). Figura 9. Esquema del biosensor basado en sideróforos: interacción del ion con el sideróforo, biotransformación de la señal de interacción, amplificación de la señal y detección de la concentración de iones metálicos (Khasheii et al., 2021) Por otro lado, los sideróforos pueden ser utilizados para la detección de bacterias en muestras del medio ambiente (agua, aire) o muestras clínicas, mediante la inmovilización de estos en superficies sólidas. Una vez las superficies quedan recubiertas con los sideróforos, el acoplamiento bacteria-sideróforo se puede observar mediante espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FTIR) y microscopía de fluorescencia. Esta superficie recubierta con los sideróforos solo permite que se unan las células bacterianas vivas. Esto es visible mediante la formación de bandas FTIR o la aparición de células de coloración verde, que pueden ser identificadas mediante microscopía de fluorescencia (Figura 10). Por lo tanto, se podría construir una plataforma de biodetección miniaturizada (biosensor) para distinguir entre infecciones virales o bacterianas en tiempo real, convirtiéndose así en una herramienta de diagnóstico. Un ejemplo, es la utilización de la desferrioxamina B (DesfB) como sideróforo para capturar a Escherichia coli en una superficie de “sensores de microcantilever” (sensores para análisis de volúmenes pequeños) recubiertos de oro, lo que ayuda a unir covalentemente a DesfB sobre la superficie recubierta (Bhadra et al., 2018). Figura 10. Imágenes de microscopía de fluorescencia: A) Desf B + E. coli viva y B) Mezcla de E. coli viva y muerta(Bhadra et al., 2018) 17 4.4 Aplicaciones en medicina. Debido a la gran versatilidad de los sideróforos, estos pueden ser empleados para una variedad de propósitos en medicina. La aplicación de quelantes de hierro y los mecanismos de adquisición de hierro de las bacterias pueden ser una opción muy prometedora para la producción de nuevas vacunas o administración de antibióticos en forma de conjugados con sideróforos para inhibir o eliminar a las bacterias resistentes a los antibióticos. Además, pueden abrir nuevas vías en el tratamiento de varios tipos de cáncer sin los problemas asociados al empleo de productos químicos que habitualmente se utilizan para la terapia del cáncer. 4.4.1 Diagnóstico de enfermedades El papel que desempeñan los sideróforos como quelantes permitiendo la unión de los metales a ellos y facilitando su transporte al interior de las bacterias, hace que puedan aprovecharse para desarrollar agentes de contraste altamente versátiles y específicos. Así los sideróforos facilitan el diagnóstico de enfermedades, especialmente las causadas por bacterias multirresistentes (Siddiqui et al., 2021). En un estudio realizado sobre la homeostasis del cobre de E. coli UTI89 se demostró que el sideróforo yersiniabactina (YbT) secuestra y transporta Cu(II) desde el medio extracelular al interior de la bacteria. De esta forma, YbT unido al metal es reconocido selectivamente por un receptor localizado en la membrana externa (FyuA), lo que le permite la entrada citoplasmática del mismo (Figura 11). Por lo tanto, las bacterias que expresan FyuA se pueden unir a YbT marcado con cobre-64 (64Cu), obteniéndose imágenes de bacterias de alta especificidad y sensibilidad (Siddiqui et al., 2021). Figura 11. Reconocimiento selectivo mediado por FyuA de 64Cu-YbT y entrada al citoplasma de las bacterias (Siddiqui et al., 2021) 4.4.2 Utilización como biomarcadores Estudios in vitro han demostrado que la detección no invasiva de sideróforos, pioverdinas (Pvds) y pioquelina (Pch), sirve como marcador temprano de infecciones invasivas por Pseudomonas aeruginosa en muestras de orina y de condensación de aliento (Dobiáš et al., 18 2021). Mientras que, en los experimentos realizados en modelos animales, de monoinfección por P. aeruginosa, se ha visto que la detección de sideróforos como biomarcadores de la infección es más práctica y sensible en orina que en suero. Para dicha detección no invasiva de sideróforos se utilizó de forma combinada la cromatografía líquida (LC)-electrospray (ESI) y la espectrometría de masas (MS) de ionización por desorción láser asistida por matriz (MALDI) con filtrado de datos isotópicos (Dobiáš et al., 2021). De igual modo, para detectar y caracterizar de manera inequívoca compuestos que contienen metales relacionados con patógenos en los fluidos corporales del huésped, se utilizó la resonancia de ciclotrón de iones por transformada de Fourier (FTICR). En este mismo experimento se consiguió cuantificar los sideróforos microbianos Pvds, Pch y triacetilfusarinina C (TafC, sideróforo de Aspergillus fumigatus) en dichas muestras (Dobiáš et al., 2021). 4.4.3 Producción de nuevas vacunas Durante un proceso inflamatorio o infeccioso, las células del huésped activan sus mecanismos de defensa contra los posibles patógenos, como secretar proteínas para capturar los sideróforos de un patógeno o limitar la disponibilidad de hierro. Sin embargo, los patógenos, con el fin de obtener hierro, son capaces de esquivar estos mecanismos mediante el uso de sideróforos que no son reconocidos por el huésped (sideróforos sigilosos). Cuando los sideróforos se incorporan en la formulación de una vacuna se conjugan con proteínas inmunogénicas y dan lugar a una respuesta inmunológica mediada por anticuerpos dirigida a estos sideróforos sigilosos, protegiendo de los patógenos asociados y mejorando la inmuno protección del huésped. (Swayambhu et al., 2021). 4.4.4 Mejora en la efectividad de los antimicrobianos El desarrollo de resistencia a los antibióticos es un problema sanitario mundial. Entre las diferentes opciones que se barajan para nuevas estrategias de diseño de antibióticos se encuentra el aprovechamiento de los sideróforos bacterianos, que permitiría recuperar la aplicación de muchos antibióticos cuyo uso se ha visto limitado. Aprovechándose de los mecanismos de transporte de los sideróforos, los fármacos van a alcanzar mejor su diana evitando así resistencias. En el caso de las bacterias Gram-negativas debido a que presentan una membrana externa adicional, con respecto a las Gram-positivas, que impide de forma significativa la permeabilidad y la eficacia de muchos antibióticos. Una alternativa para contrarrestar dicha resistencia es la utilización de los sideróforos, ya que éstos pueden eludir la resistencia a los antibióticos, debida a una difusión deficiente de los mismos a través de la membrana externa de las bacterias, utilizando la capacidad de transporte de hierro de los sideróforos. De esta 19 forma, el antibiótico se une mediante un conector al sideróforo, el cual actúa como un transportador de tipo "caballo de Troya", entrando el conjugado sideróforo-antibiótico en la célula microbiana a través del sistema de transporte de sideróforos. Una vez dentro de la célula, el conector que une el antibiótico al sideróforo se hidroliza, permitiendo la liberación química o enzimática controlada del antibiótico en el citoplasma de la célula bacteriana objetivo, de forma que puede ejercer su acción provocando su muerte (Figura 12) (Khasheii et al., 2021). Figura 12. Estrategia del Caballo de Troya basada en sideróforos para la administración efectiva de antibióticos: el fármaco se une mediante un conector a un sideróforo y dicho conjugado es capaz de entrar en la célula bacteriana a través del sistema de transporte de Fe3+ de los sideróforos (Khasheii et al., 2021) En un estudio realizado por Ribeiro et al. (2022) se observó cómo una nueva cefalosporina, el cefiderocol, mostraba un gran efecto antibiótico in vivo en todas las cepas de P. aeruginosa probadas, incluidas las resistentes, utilizando el mecanismo de transporte de "caballo de Troya". El cefiderocol tiene un grupo catecol en la posición 3 de la cadena lateral R2 unida a la molécula de cefalosporina, que quela el hierro libre, actuando también como un sideróforo. Este complejo se transporta a través de la membrana externa de los patógenos bacterianos Gram-negativos hacia el espacio periplásmico, se une a las proteínas de unión a la penicilina e inhibe la síntesis de la pared celular bacteriana, lo que provoca la muerte celular (Figura 13) (Ribeiro et al., 2022). 20 Figura 13. A) Estructura química del cefiderocol y B) mecanismo de transporte activo de "caballo de Troya" del cefiderocol (Ribeiro et al., 2022). Mediante la realización de un ensayo clínico, el cefiderocol mostró una mejor penetración en las biopelículas, factor clave asociado con las ITU (infecciones del tracto urinario) recurrentes, junto con su característico modo de acción bactericida. Además, se demostró su perfil de seguridad. En base a este ensayo clínico, la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) aprobó el cefiderocol para el tratamiento de pacientes con 18 años o más, con ITUc (infecciones complicadas del tracto urinario) y con neumonía contraída en el hospital (NAH) y neumonía asociada a ventilador (VAP) ocasionada por bacterias Gram-negativas resistentes a otros antibióticos (Ribeiro et al., 2022). 4.4.5 Tratamiento de la colitis inflamatoria En el intestino existe un equilibrio entre las comunidades microbianas (microbiota intestinal), de forma que la alteración de este equilibrio produce un cambio en su composición y, por tanto, en su función. Son varios los factores, extrínsecos e intrínsecos, que afectan a la microbiota intestinal de los mamíferos, tales como la toma de medicamentos, sobre todo de antimicrobianos, tipo de dieta y ciertas enfermedades, tales como la diabetes, el cáncer colorrectal y la colitis inflamatoria. Estas enfermedades producen una disminución de la diversidad de especies de la microbiota, provocando una disbiosis. En el caso de la colitis inflamatoria, enfermedad que causa inflamación y úlceras en la membrana que recubre el recto y el colon, además de la disbiosis se produce una disminución de la resistencia de la microbiota frente a los patógenos (Zhu et al., 2020). Durante la inflamación intestinal, los microorganismos de la microbiota ven restringido su acceso al hierro del ambiente, sin embargo, los microorganismos patógenos son capaces de captarlo del medio debido a la producción de sideróforos, impidiendo la adquisición de hierro por parte de algunas bacterias comensales que no producen sideróforos. Aun así, algunas sí que lo pueden adquirir durante dicha inflamación intestinal. Este es el caso de Bacteroides 21 thetaiotaomicron, comensal que no produce sideróforos, pero que es capaz de sobrevivir a la restricción de hierro que se produce en la colitis mediante la utilización de los sideróforos secretados por los miembros de la familia Enterobacteriaceae (comensales y patógenos). A ésto se le denomina “piratería de sideróforos” o utilización de xenosideróforos (Zhu et al., 2020). Un ejemplo de aplicación para la mejora de la colitis inflamatoria es el caso de Nissle 1917, una cepa de E. coli aislada de un soldado resistente a la infección por Shigella, la cual es capaz de producir varios sideróforos distintos. Al producir estos sideróforos, Nissle 1917 ayuda a mejorar la colonización por Bacteroides comensales durante los brotes inflamatorios, contribuyendo al aumento de la resistencia de la microbiota y a la eliminación de patógenos. Hoy en día, es una cepa con utilidad probiótica aprobada en algunos países europeos, por su eficacia para mantener la remisión en un subgrupo de pacientes con colitis ulcerosa (Zhu et al., 2020). 4.4.6 Tratamiento frente al cáncer El hierro es esencial para diversas rutas metabólicas celulares, transporte de oxígeno, producción de ATP y síntesis de ADN. En el caso de las células neoplásicas su utilización favorece la proliferación tumoral. Esto hace que los sideróforos sean útiles como agentes anticancerosos, ya que alteran las rutas relacionadas con la asimilación del hierro en dichas células, evitando el desarrollo tumoral (Fan y Fang, 2021). Una aplicación de los sideróforos como agente anticancerígeno es la utilización de éstos para sintetizar nanopartículas plasmónicas (PNP). En un estudio sobre la elaboración de PNP de forma biológica se aislaron, a partir de una cepa marina de Pseudomonas aeruginosa, piocianina (pigmento) y pioverdina (sideróforo fluorescente), que al reaccionar con sales de oro y plata reducen dichos iones y dan lugar a nanopartículas plasmónicas (PNP) (Figura 14). Las nanopartículas (NP) de oro y plata que se obtuvieron biológicamente retuvieron a la piocianina y la pioverdina en su superficie y se mantuvieron estables durante un período prolongado de tiempo. Estas partículas mostraron una potente actividad anticancerígena contra las células de cáncer de pulmón, inhibiendo su supervivencia a concentraciones muy bajas, mediante la interrupción de la homeostasis redox de las células cancerosas provocando su apoptosis. (Patil et al., 2022). 28  Verma P, Yadav AN, Khannam KS, Mishra S, Kumar S, Saxena AK, et al. Appraisal of diversity and functional attributes of thermotolerant wheat associated bacteria from the peninsular zone of India. Saudi J Biol Sci 2019;26(7):1882–95.  Wang Y, Zhang G, Huang Y, Guo M, Song J, Zhang T, et al. A potential biofertilizer— siderophilic bacteria isolated from the rhizosphere of Paris polyphylla var. yunnanensis. Front Microbiol 2022;13:870413.  Zhu W, Winter MG, Spiga L, Hughes ER, Chanin R, Mulgaonkar A, et al. Xenosiderophore utilization promotes bacteroides thetaiotaomicron resilience during Colitis. Cell Host Microbe 2020;27(3):376-88.  Zou L, Wang Q, Wu R, Zhang Y, Wu Q, Li M, et al. Biocontrol and plant growth promotion potential of endophytic Bacillus subtilis JY-7-2L on Aconitum carmichaelii Debx. Front Microbiol 2022;13:1059549.