Proyecto H2020 BacBio: Estudios mecanicistas y funcionales del ensamblaje de biopelículas de Bacillus en plantas y su impacto en la agricultura sostenible y la seguridad alimentaria
- Type Project
- Status Completado
- Execution 2015 -2021
- Assigned Budget 1.453.562,5 €
- Scope Europeo
- Main source of financing H2020
- Project website BACBIO
Para garantizar un medio ambiente sano, la rentabilidad económica y la equidad socioeconómica, es crucial promover e implementar métodos agrícolas más sostenibles. Esto implica la exploración de enfoques innovadores. Financiado por el Consejo Europeo de Investigación, el proyecto BacBio busca investigar el potencial de los microbios beneficiosos (biopelículas) como sustituto parcial de los pesticidas, mitigando al mismo tiempo el riesgo de contaminación por patógenos humanos.
BacBio empleará diversas estrategias para estudiar la viabilidad del uso de microbios beneficiosos para la protección de las plantas. Se centrará en dos organismos estrechamente relacionados con funciones contrastantes: Bacillus subtilis, que protege las plantas; y Bacillus cereus, que es patógeno para los humanos. Mediante el análisis de las diferencias químicas en sus matrices extracelulares, BacBio busca avanzar en nuestra comprensión de las interacciones entre bacterias y plantas.
- 1. Hemos podido describir a nivel atómico las principales diferencias de la proteína amiloide de dos bacilos emparentados (B. subtilis y B. cereus), lo que parece determinar su funcionalidad en la ecología vegetal.
- 2. También hemos encontrado una diversificación de las funciones de la matriz extracelular (MEC) en su interacción con el entorno. Esta interacción, química (señalización) o estructural, permite el establecimiento de comunidades bacterianas estables en las plantas o una comunicación beneficiosa entre reinos.
- 3. Hemos descubierto que la función principal del amiloide de B. subtilis es proporcionar integridad a la membrana celular cuando las células entran en la fase estacionaria de crecimiento, además de su papel en el ensamblaje de biopelículas. Estas dos funciones afectan la persistencia y la interacción antagónica con hongos patógenos.
- 5. Las diferentes superficies vegetales poseen características morfológicas y químicas distintivas que modulan la ecología de los bacilos y la expresión de los genes relacionados con las biopelículas.
- 6. La capacidad de B. cereus para inducir daño intestinal se basa, alternativamente, en la persistencia de las células vegetativas en los vegetales.
Esto contribuye al mantenimiento de otras propiedades ecológicas, como la formación de biopelículas. Estos hallazgos representan un avance en la verdadera implicación de las biopelículas bacterianas en la ecología bacteriana de las plantas y en su manejo para mejorar su contribución beneficiosa a la salud de los cultivos. Por lo tanto, desde una perspectiva aplicada, nuestros hallazgos pueden traducirse fácilmente en una mejora en la implementación de microbios y moléculas derivadas en el marco de programas sostenibles de producción de productos fitosanitarios.
El estudio sobre B. cereus ha revelado que, más allá de las esporas y toxinas, es importante prestar atención a las células vegetativas, que pueden causar una gran variedad de síntomas en humanos, desde diarrea o vómitos hasta la muerte, lo que hace necesario revisar el procedimiento utilizado para su detección. Estos hallazgos se han difundido entre la comunidad científica mediante artículos de investigación o presentaciones en seminarios y congresos
Una de las principales preocupaciones en agrobiotecnología es el manejo de enfermedades microbianas en las plantas. El tratamiento de estas enfermedades implica el uso de pesticidas (fungicidas, bactericidas, nematicidas); sin embargo, el abuso de este enfoque amenaza la salud ambiental. Además, la presencia y prevalencia de microbios en frutas y verduras, que son agentes causantes de enfermedades en humanos, constituye un problema importante que no solo tiene un impacto negativo en la salud pública, sino también en la contaminación de la industria alimentaria.
Todos estos problemas contradicen el concepto de sostenibilidad, que lidera las políticas en la agricultura y la industria alimentaria, y obligan a priorizar el desarrollo de estrategias innovadoras y exitosas que reduzcan el daño ambiental y la salud pública, manteniendo al mismo tiempo la calidad y el beneficio de los productos. En nuestro proyecto, trabajamos con la bacteria benéfica Bacillus subtilis y con la especie filogenéticamente relacionada Bacillus cereus, que incluye cepas patógenas. Ambos microbios son capaces de formar biopelículas que sirven para proteger las células bacterianas de agresiones externas, entre otras funciones.
Para proponer estrategias viables orientadas a promover la formación de biopelículas y, por lo tanto, un efecto positivo de las bacterias beneficiosas, y al mismo tiempo, frenar o impedir el establecimiento de los patógenos, es importante conocer los factores bacterianos involucrados en dicho programa de desarrollo y buscar dianas específicas.
En nuestro proyecto estamos interesados en los siguientes objetivos específicos: 1.- Comprender el proceso de amiloidogénesis. Para cubrir este estudio, proponemos pasar alternativamente de condiciones in vitro a plantas, utilizando una variedad de técnicas, incluyendo la química, la biofísica o la biología celular. 2.- Conocer cómo la planta modula la formación de biopelículas, con especial énfasis en el efecto sobre los amiloides, y recíprocamente, cuál es la respuesta de la planta al establecimiento de dichas comunidades. 3.- Investigar cómo las dos especies bacterianas se comunican entre sí o incluso con otras especies que puedan coexistir en el mismo hábitat.
La agricultura sostenible es un concepto ambicioso concebido para mejorar la productividad pero minimizando los efectos secundarios. ¿Por qué la eficiencia de un agente de biocontrol es tan variable? ¿Cómo se pueden aprovechar de manera eficiente y combinada diferentes terapias para combatir las enfermedades microbianas? Son cuestiones que necesitan investigación para transmitirlas con criterios de sostenibilidad.
Lo que presento es una propuesta integral que tiene como objetivo estudiar la ecología microbiana y específicamente las biopelículas bacterianas como eje central de dos escenarios diferenciales pero probablemente interconectados en sanidad vegetal: i) la interacción beneficiosa del agente de biocontrol (BCA) Bacillus subtilis, y ii) la interacción no convencional del patógeno alimentario Bacillus cereus.
Comenzaré a trabajar con B. subtilis, y las razones son: 1) Diferentes aislados son BCA prometedores y se comercializan para tal fin, 2) Existe una amplia información sobre los circuitos genéticos que gobiernan aspectos importantes de la fisiología de B. subtilis como la producción de antibióticos, la diferenciación celular y la formación de biopelículas.
Paralelamente propongo estudiar la forma en que B. cereus, una bacteria patógena transmitida por los alimentos, interactúa con los vegetales. Estoy planeando establecer un enfoque multidisciplinario que combinará genética, bioquímica, proteómica, biología celular y biología molecular para visualizar cómo esta población bacteriana interactúa, se comunica con plantas y otros microorganismos, o cómo todos estos factores desencadenan o inhiben el programa de desarrollo que termina en la formación de biopelículas.
También me interesa saber si los componentes estructurales de la matriz extracelular bacteriana (exopolisacáridos o proteínas amiloides) son importantes para el fitness bacteriano. Si este fuera el caso, también investigaré qué factores externos afectan su expresión y ensamblaje en biopelículas funcionales. Los conocimientos adquiridos en estos estudios están comprometidos a impulsar nuestro conocimiento sobre la ecología microbiana y su aplicabilidad biotecnológica a la agricultura sostenible y la seguridad alimentaria.
Nuestro proyecto se basa en el principio de fusión de disciplinas, lo que prevé ampliar exponencialmente nuestro conocimiento sobre las preguntas que buscamos responder. Uno de los elementos más atractivos involucrados en el ensamblaje de biopelículas son las proteínas amiloides, ampliamente distribuidas en la naturaleza y con diversas funciones. La combinación de la química orgánica y analítica con la biofísica o la bioquímica ha permitido encontrar diferencias en la formación de fibras. Creemos que nuestra investigación tiene un impacto notable en la biología celular y estructural, así como en la agrobiotecnología o la biomedicina. Hemos podido validar el conocimiento acumulado en estudios de biopelículas in vitro en plantas, contribuyendo decisivamente a los fundamentos de la ecología microbiana.
Es evidente que las bacterias utilizan diversos factores para vivir y comunicarse con las plantas, y hemos ampliado nuestro conocimiento en este aspecto. Además, nuestra investigación también demuestra la relevancia de la planta huésped no solo inmunológica, sino también metabólica y estructural (topología). Al igual que los humanos, las plantas poseen un sistema inmunológico que responde a las agresiones o cambios externos, uno de ellos las comunidades bacterianas con las que viven en asociación.
El resultado final, el desarrollo de la enfermedad o el establecimiento del patógeno, será el resultado de una compleja red de interacciones y diálogos entre todos los actores: patógenos vegetales, patógenos beneficiosos y patógenos humanos. La combinación, una vez más, de disciplinas como la microbiología y la fisiología vegetal con técnicas de química analítica de vanguardia y diversas ÓMICA ha contribuido decisivamente al éxito de estos estudios y ha proporcionado conclusiones interesantes e hipótesis novedosas.
En todos estos estudios, estamos pasando del comportamiento de las poblaciones bacterianas a la visualización real de la existencia de cambios, para posteriormente embarcarnos en estudios más detallados y específicos a nivel celular o individual. En resumen nuestro proyecto ha ofrecido respuestas a preguntas básicas sobre la biología y fisiología celular microbiana, para comprender realmente en una perspectiva más holística cómo se coordinan para generar una respuesta en el contexto de la interacción con las plantas, un conocimiento que sería otorgado a: 1) el desarrollo de estrategias de control biológico más robustas y factibles orientadas a reducir el uso de químicos ya sea solos o en combinación con otras estrategias de manejo en el contexto de prácticas sustentables y 2) contribuir a erradicar o impedir el establecimiento de comunidades de patógenos humanos en frutas o vegetales listos para el consumo y responsables de enfermedades humanas.
- UNIVERSIDAD DE MALAGA (UMA)
- CONSORZIO SICTA SISTEMI INNOVATIVI PER IL CONTROLLO DEL TRAFFICO AEREO (SICTA)
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- AIRBUS
- NAVBLUE (AIRBUS PROSKY)
- EMBRAER PORTUGAL SA
- CSEM CENTRE SUISSE D'ELECTRONIQUE ET DE MICROTECHNIQUE SA - RECHERCHE ET DEVELOPPEMENT (CSEM)
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- TECHNISCHE UNIVERSITAET MUENCHEN (TUM)
- ENAV SPA (ENAV)
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- DEUTSCHES ZENTRUM FUR LUFT - UND RAUMFAHRT EV (DLR)
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- INSTITUT POLYTECHNIQUE DE BORDEAUX (Bordeaux INP)
- FEDERAL STATE UNITARY ENTERPRISE THE CENTRAL AEROHYDRODYNAMIC INSTITUTE NAMED AFTER PROF. N.E. ZHUKOVSKY (FSUE)
- C.I.R.A. CENTRO ITALIANO RICERCHE AEROSPAZIALI SCPA (CIRA)
- "INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE-DEZVOLTARE AEROSPATIALA ""ELIE CARAFOLI""- INCAS BUCURESTI" (INCAS)
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- LEONARDO - SOCIETA PER AZIONI (LEONARDO)
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- SERVICE TECHNIQUE DE L'AVIATION CIVILE (STAC)
- AIRBUS DEFENCE AND SPACE SA
- INSTITUTO NACIONAL DE TECNICA AEROESPACIAL ESTEBAN TERRADAS (INTA)
- CRANFIELD UNIVERSITY
- EMBRAER PORTUGAL ESTRUTURAS EM COMPOSITOS SA (EMBRAER PORTUGAL COMPOSITOS)
- CEIIA - CENTRO DE ENGENHARIA E DESENVOLVIMENTO (ASSOCIACAO) (CEiiA)