Biología de secundaria · Grades 10–12
18Las bacterias y la resistencia a los antibióticos
En 1941, a un policía que se moría de una septicemia originada en un arañazo se le administraron las primeras dosis de penicilina que se usaron nunca en un paciente. Se recuperó en unos días — y recayó y murió cuando se agotó el suministro, extraído con enorme esfuerzo de un moho. En una década la penicilina se fabricaba por toneladas y unas infecciones que llevaban milenios matando pasaron a curarse en una semana. En dos décadas, las bacterias a las que la penicilina ya no tocaba eran corrientes en todos los hospitales. Este capítulo trata del porqué: de cómo varían las bacterias, de cómo las clasifica un antibiótico y de cómo la aritmética de una población de miles de millones convierte una mutación rara en un problema de planta entera.
18.1 Cómo varían las bacterias
Proposición 18.1 (Reproducción y variación bacterianas)
Una bacteria se reproduce dividiéndose en dos después de copiar su único cromosoma: las hijas son, salvo por los errores de copia, genéticamente idénticas a la madre — un clon. En un medio rico, una división cada 20 minutos convierte una célula en mil millones en diez horas. La variación genética del clon procede de dos fuentes:
- las mutaciones (Capítulo 13), raras por división pero frecuentes en una población de miles de millones;
- la transferencia horizontal de genes: ADN recibido de otra bacteria, de la misma especie o de otra, la mayoría de las veces en forma de plásmido — un pequeño círculo de ADN, separado del cromosoma, que lleva unos pocos genes y puede pasar de una célula a otra por un puente de membrana.
Demostración. Admitido a este nivel. ∎
Ejemplo 18.2 (La aritmética de una población)
Una mutación de resistencia surge más o menos una vez cada divisiones. Un matraz con bacterias ha tenido, por tanto, en las divisiones que lo produjeron, unas diez mutaciones así; una herida infectada o un intestino, con bacterias, unas diez mil. Toda población grande de bacterias contiene, antes de usar ningún antibiótico, células resistentes a él — las placas de réplica del Capítulo 13 lo demostraron.
18.2 Los antibióticos
Definición 18.3 (Antibiótico)
Un antibiótico es una molécula que mata a las bacterias o detiene su crecimiento, a concentraciones inofensivas para las células del paciente, actuando sobre una estructura o un proceso que las bacterias tienen y las células humanas no: la penicilina y sus parientes bloquean la construcción de la pared bacteriana; la estreptomicina y la tetraciclina atascan el ribosoma bacteriano, que es distinto del nuestro; otros bloquean las enzimas bacterianas de la replicación del ADN. Casi todos se encontraron primero en mohos y en bacterias del suelo, que los fabrican contra sus competidores. Los antibióticos no tienen ningún efecto sobre los virus, que no poseen ninguna de esas dianas.
Proposición 18.4 (Mecanismos de resistencia)
Una bacteria es resistente a un antibiótico cuando crece a concentraciones que detienen a sus parientes sensibles. La resistencia tiene una base genética de unos pocos tipos: un gen de una enzima que destruye el antibiótico (las penicilinasas cortan la penicilina en dos); una mutación que altera la diana del antibiótico de modo que el fármaco ya no se una (una proteína ribosómica cambiada); una bomba que expulsa el fármaco; una pared que no lo deja entrar. Cada uno es un alelo o un gen, y cada uno se hereda — verticalmente por el clon y, cuando está en un plásmido, horizontalmente por las vecinas.
Demostración. Admitido a este nivel. ∎
Método 18.5 (Leer un antibiograma)
Un antibiograma prueba las bacterias de un paciente frente a varios antibióticos a la vez.
- Se siembran las bacterias de manera uniforme en una placa; se colocan discos de papel empapados cada uno en un antibiótico; se incuba una noche.
- El antibiótico difunde desde el disco y su concentración baja con la distancia; las bacterias crecen formando un césped salvo donde la concentración las detiene: un halo de inhibición transparente alrededor de cada disco.
- Se mide el diámetro de cada halo y se compara con el umbral establecido para ese antibiótico: un diámetro por encima del umbral significa sensible, y por debajo, resistente.
- Los halos mayores entre los resultados sensibles guían la prescripción; un disco sin ningún halo es un antibiótico que la cepa ignora.
18.3 Cómo se extiende la resistencia
Proposición 18.6 (La selección por el antibiótico)
Un antibiótico no crea bacterias resistentes; las selecciona. En una población donde unas pocas células llevan un alelo de resistencia, el fármaco mata o detiene a la mayoría sensible y deja que las pocas resistentes se multipliquen sin competencia: en unos días la población es resistente. Cuanto más se usa un antibiótico — en pacientes, en animales, en el ambiente —, más a menudo ocurre esa clasificación, y más resistentes se vuelven las bacterias de un hospital, de una granja o de un país. Una tanda incompleta, que mata a las células más sensibles y perdona a las menos, es la que selecciona con más eficacia de todas.
Pruebas experimentales. Las placas de réplica de Lederberg mostraron que las células resistentes ya estaban ahí antes de la exposición. Los cultivos mantenidos una semana en concentraciones crecientes de un antibiótico acaban resistiendo cien veces la dosis inicial, y su resistencia se hereda y se localiza en mutaciones concretas. Los países que más antibióticos usan por habitante tienen las proporciones más altas de cepas resistentes; las plantas hospitalarias que reducen su uso ven bajar la resistencia en unos meses. Una cepa de la bacteria de la piel Staphylococcus aureus resistente a la penicilina apareció a los cuatro años de la introducción del fármaco y hoy representa la mayoría de las cepas hospitalarias; la cepa resistente al fármaco que la sustituyó llegó dos años después que él. ∎
Ejemplo 18.7 (De una célula a una planta entera)
Un paciente tratado con penicilina lleva, entre bacterias, un centenar de resistentes. En tres días las sensibles han desaparecido y el clon resistente ha ocupado su sitio: células resistentes. En las manos de una enfermera, en la barandilla de una cama, en el paciente de al lado, el clon continúa — y si su gen de resistencia está en un plásmido, se lo entrega por el camino a otras especies. Nada de esta secuencia exigió que el antibiótico actuara sobre el ADN; solo retiró la competencia.
18.4 Que los antibióticos sigan funcionando
Proposición 18.8 (Consecuencias y respuestas)
Las infecciones resistentes son más largas, más caras y más a menudo mortales; algunas cepas resisten ya a todos los fármacos disponibles. Como la resistencia la impulsa el uso, la respuesta es usar los antibióticos menos y mejor: solo para infecciones bacterianas (nunca para resfriados ni gripes, que son víricos), elegidos tras un antibiograma cuando sea posible, a dosis completa durante toda la tanda y con el fármaco de espectro más estrecho que funcione; limitar su uso en ganadería; prevenir las infecciones (higiene, vacunación) para que hagan falta menos tandas; y aislar en los hospitales a los portadores de cepas resistentes. Los antibióticos nuevos ganan tiempo; la aritmética de la selección garantiza que aparecerá resistencia a cada uno de ellos.
Demostración. Admitido a este nivel. ∎
Observación 18.9 (Evolución en una semana)
La mutación que aporta variación al azar, el ambiente que la clasifica y los descendientes de los supervivientes que heredan la diferencia: las bacterias de este capítulo recorren, en una semana, el proceso que el último año describirá a lo largo de millones de años para las ballenas y los robles. La resistencia a los antibióticos es evolución por selección natural observada en tiempo real, con el ser humano como agente que selecciona — y la demostración más clara de que el proceso no es una teoría sobre el pasado, sino un hecho de cualquier población que varíe y se reproduzca.
18.5 Ejercicios
Ejercicio 18.1 ★
Nombra las dos fuentes de variación genética de una población bacteriana.
Solución
Solución de Ejercicio 18.1.
Las mutaciones que surgen durante las divisiones del clon y la transferencia horizontal de genes — ADN, normalmente un plásmido, recibido de otra bacteria.
Ejercicio 18.2 ★
¿Qué es un antibiótico y por qué daña a las bacterias y no a las células del paciente? ¿Por qué es inútil contra un resfriado?
Solución
Solución de Ejercicio 18.2.
Una molécula que mata a las bacterias o detiene su crecimiento actuando sobre una estructura que las bacterias tienen y las células humanas no (la pared, el ribosoma bacteriano, las enzimas bacterianas de la replicación). Un resfriado es vírico, y los virus no tienen ninguna de esas dianas.
Ejercicio 18.3 ★
Da tres mecanismos por los que una bacteria puede resistir a un antibiótico.
Solución
Solución de Ejercicio 18.3.
Una enzima que destruye el antibiótico; una diana mutada a la que el fármaco ya no se une; una bomba que expulsa el fármaco (o una pared que lo deja fuera).
Ejercicio 18.4 ★
En la figura del antibiograma, un disco nuevo F da un halo de con un umbral de . ¿Sensible o resistente? ¿Qué antibiótico recetarías de la A a la F?
Solución
Solución de Ejercicio 18.4.
Sensible (20 por encima de 18), pero por poco. La D, que tiene el mayor margen sobre su umbral, y después la A.
Ejercicio 18.5 ★
¿Causa un antibiótico las mutaciones de resistencia? Justifícalo con el experimento del Capítulo 13.
Solución
Solución de Ejercicio 18.5.
No. En las placas de réplica, las colonias resistentes aparecen en las mismas posiciones en todas las placas con antibiótico, así que las células resistentes ya existían en las colonias originales, que nunca se encontraron con el fármaco. El antibiótico revela y selecciona; no induce.
Ejercicio 18.6 ★★
Partiendo de una bacteria que se divide cada 20 minutos, ¿cuántas hay al cabo de 10 horas? Si la resistencia surge una vez cada divisiones, ¿cuántas células resistentes contiene probablemente el cultivo?
Solución
Solución de Ejercicio 18.6.
30 divisiones: células. Unas divisiones las produjeron: unas 10 células resistentes de media — más si la mutación llegó pronto.
Ejercicio 18.7 ★★
En la figura de la selección, ¿en qué día pasan a ser mayoría del total las células resistentes? ¿Cuál es la población total el día 6 en el caso de la línea discontinua, y de qué está formada?
Solución
Solución de Ejercicio 18.7.
Hacia el día 3, cuando las células sensibles han bajado a alrededor del 0,2% y las resistentes han subido a alrededor del 1%. El día 6, el total de la línea discontinua vuelve al 100%, formado casi por completo por células resistentes (los supervivientes sensibles del día 3 también volvieron a crecer, pero desde una base menor).
Ejercicio 18.8 ★★
Explica por qué un gen de resistencia situado en un plásmido se extiende más deprisa que uno situado en el cromosoma.
Ejercicio 18.9 ★★
Un paciente se encuentra mejor al tercer día de una tanda de siete y la deja. Explica, con la figura, qué ocurre en los días siguientes y por qué la recaída es más difícil de tratar.
Solución
Solución de Ejercicio 18.9.
El día 3, las células sensibles están en una fracción de un tanto por ciento mientras que las resistentes van subiendo; sin el fármaco todos los supervivientes vuelven a crecer, y la población que regresa es mucho más rica en células resistentes que la original. La recaída ya no responde al mismo fármaco.
Ejercicio 18.10 ★★
¿Por qué la proporción de cepas resistentes es mayor en los hospitales que en la población general?
Solución
Solución de Ejercicio 18.10.
Los hospitales usan antibióticos de forma intensiva en muchos pacientes próximos entre sí: la selección es constante y las cepas seleccionadas pasan de un paciente a otro por las manos y las superficies.
Ejercicio 18.11 ★★
Explica por qué una mutación que altera una proteína ribosómica puede hacer resistente a la estreptomicina a una bacteria, y por qué esa bacteria suele crecer algo más despacio que sus parientes sensibles.
Solución
Solución de Ejercicio 18.11.
La estreptomicina actúa uniéndose a una proteína ribosómica; una proteína cambiada ya no la fija y la traducción continúa. Pero el cambio también perjudica un poco el trabajo normal del ribosoma, así que la síntesis de proteínas, y el crecimiento, van algo más despacio — un coste de la resistencia.
Ejercicio 18.12 ★★★
Se administran juntos dos antibióticos con dianas distintas. Estima la probabilidad de que una célula sea resistente a los dos por mutaciones independientes (una de cada para cada una) y explica por qué se usa la terapia combinada contra infecciones lentas y largas como la tuberculosis.
Solución
Solución de Ejercicio 18.12.
por división: con bacterias, es poco probable que ninguna célula lleve las dos. En la tuberculosis, el tratamiento dura meses y las bacterias se cuentan por miles de millones, así que la resistencia a un solo fármaco se seleccionaría con seguridad; dos fármacos a la vez no dejan ningún superviviente que seleccionar.
Ejercicio 18.13 ★★★
Una granja añade dosis bajas de un antibiótico al pienso para acelerar el crecimiento. Predice las consecuencias para las bacterias de los animales, para los trabajadores de la granja y para la medicina humana, usando la selección y la transferencia horizontal.
Solución
Solución de Ejercicio 18.13.
Las dosis bajas seleccionan cepas resistentes en el intestino de los animales sin matar a la población; los trabajadores las adquieren por contacto; los plásmidos llevan los genes a patógenos humanos y al ambiente a través del estiércol. La resistencia al fármaco, y a los fármacos humanos emparentados, sube en medicina.
Ejercicio 18.14 ★★★
Una planta hospitalaria reduce a la mitad sus prescripciones de antibióticos; en un año baja la proporción de cepas resistentes. Explica por qué la resistencia puede retroceder, usando el coste que la resistencia tiene para la bacteria y la competencia.
Solución
Solución de Ejercicio 18.14.
La resistencia suele costarle algo a la bacteria (un ribosoma más lento, una enzima que fabricar): sin el fármaco, las células sensibles crecen algo más deprisa y desplazan a las resistentes a lo largo de muchas generaciones. La proporción baja — pero los genes de resistencia se quedan en la población a baja frecuencia, listos para volver a ser seleccionados.
Ejercicio 18.15 ★★★
“Las bacterias se vuelven resistentes porque se acostumbran al antibiótico.” Reescribe correctamente esta frase, en un párrafo corto, usando la mutación, la selección y la herencia.
Solución
Solución de Ejercicio 18.15.
Las bacterias no se adaptan una por una. En cualquier población grande, unas pocas células llevan, por mutación al azar o por un plásmido recibido de otra célula, un alelo que las hace resistentes. El antibiótico mata a las demás; las células resistentes se multiplican y pasan el alelo a sus descendientes. La población se vuelve resistente porque ha sido clasificada, no porque sus miembros hayan aprendido nada.
18.6 Problema: La planta
Problema 18.1
Problema de fin de semana — un brote en una planta hospitalaria seguido desde una única célula mutante: la aritmética de una colonia, un antibiograma leído, una tanda interrumpida y la política que detiene la propagación
La herida de un paciente está infectada por bacterias de una sola especie. Las bacterias se dividen cada 30 minutos; una mutación que da resistencia al antibiótico amoxicilina ocurre una vez cada divisiones. El antibiótico mata al 90% de las células sensibles cada 6 horas y no afecta a las resistentes, que siguen dividiéndose.
Parte I — Antes del tratamiento.
- ¿Cuántas divisiones produjeron las bacterias a partir de la primera célula? (Cuenta el número de células.)
- Estima el número de células resistentes presentes antes de administrar ningún antibiótico.
- Explica por qué, aun así, la infección del paciente se describe como “sensible” en el antibiograma.
- El antibiograma muestra halos de para la amoxicilina (umbral 17), de para la eritromicina (umbral 20) y ninguno para la penicilina. Interpreta los tres resultados.
- El médico receta amoxicilina durante 7 días. ¿Por qué no penicilina, y por qué no el fármaco de mayor halo si alguno hubiera sido mayor?
Parte II — Durante el tratamiento.
- ¿Cuántas células sensibles quedan al cabo de 1 día? ¿Y al cabo de 3?
- Partiendo de tu respuesta a la pregunta 2, ¿cuántas células resistentes hay al cabo de 1 día si se duplican cada 30 minutos sin límite? (Usa .) ¿Por qué es irreal esa cifra y qué la limita?
- Supón que el clon resistente está limitado al espacio que dejan libre las células sensibles, de modo que no puede pasar de . ¿Cuándo llena aproximadamente ese espacio?
- Esboza, o describe, las curvas de células sensibles, resistentes y totales a lo largo de los 7 días.
- En realidad, el sistema inmunitario del paciente elimina en unos días los últimos millones de células de cualquier clase. Explica por qué el desenlace depende de que el clon resistente crezca más deprisa de lo que el sistema inmunitario lo elimina.
Parte III — La tanda interrumpida.
- El paciente lo deja al cabo de 2 días, porque se encuentra bien. ¿Cuántas células sensibles quedan, y qué fracción de la población superviviente es resistente?
- Las bacterias vuelven a crecer hasta en los días siguientes. ¿Qué proporción es ahora resistente, si las células resistentes y las sensibles crecen al mismo ritmo?
- El paciente recae y se le vuelve a dar amoxicilina. Predice el resultado.
- Un antibiograma de la recaída no muestra ningún halo para la amoxicilina. Explica el cambio respecto del primer antibiograma.
- El gen de resistencia está en un plásmido. ¿Qué riesgo añadido supone eso para la planta?
Parte IV — La política de la planta. La planta trata a 400 pacientes al año con amoxicilina; el 30% de las infecciones aisladas en ella son ya resistentes, frente al 5% en la ciudad.
- Explica la diferencia entre la planta y la ciudad en términos de presión de selección.
- La planta decide: antibiograma antes de toda prescripción, tandas completas, higiene de manos y aislamiento de los portadores de cepas resistentes. Di sobre qué mecanismo de este capítulo actúa cada medida.
- Al cabo de dos años, la resistencia en la planta es del 12%. Explica por qué bajó y por qué no volvió al 5%.
- ¿Por qué un antibiótico nuevo, introducido en la planta, no resolvería el problema más que unos pocos años?
- Enuncia el resultado: el número de células resistentes que tenía la herida antes de todo fármaco, el día en que lo heredaron y el único hábito del paciente que convirtió una infección curable en un brote.
Solución
Solución de Problema 18.1.
1. Unas divisiones (una por cada célula producida).
2. células resistentes de media.
3. Cien células entre diez mil millones son invisibles en una placa: el césped se comporta como sensible porque el 99,999999% de él lo es.
4. Amoxicilina: sensible (24 por encima de 17). Eritromicina: resistente (12 por debajo de 20). Penicilina: totalmente resistente, sin inhibición.
5. La penicilina no sirve de nada contra esta cepa. La elección entre los fármacos sensibles pesa además los efectos secundarios y el espectro; se prefiere el fármaco eficaz de espectro más estrecho para respetar las demás bacterias del paciente.
6. Cuatro periodos de 6 horas al día: al cabo de 1 día; al cabo de 3 días — prácticamente ninguna.
7. : absurdo, más de lo que cabría en la herida. El crecimiento lo limitan el espacio, los nutrientes y el sistema inmunitario.
8. Pasar de 100 células a exige duplicaciones, unas 13 horas; en la práctica el espacio se libera a lo largo del primer día, así que entre el día 1 y el 2 el clon resistente ha sustituido a la población sensible.
9. Sensibles: bajan por un factor de 10 cada 6 horas hasta desaparecer el día 3. Resistentes: suben de 100 hasta llenar el espacio en uno o dos días, y luego se quedan planas en . Total: un bajón durante el día 1 y después vuelta a , ahora todas resistentes.
10. Si el sistema inmunitario elimina células más deprisa de lo que pueden multiplicarse las cien resistentes, la infección termina a pesar de ellas; si el clon crece más deprisa que la eliminación, la infección se vuelve resistente. Los antibióticos trabajan con el sistema inmunitario, no en su lugar.
11. Sensibles al cabo de 2 días: . Resistentes: unas si el clon ha llenado el espacio, o al menos muchos miles: los supervivientes son casi todos resistentes.
12. Crecer al mismo ritmo conserva la proporción: prácticamente el 100% resistente.
13. Ningún efecto: el clon resistente ignora la amoxicilina.
14. La primera placa tenía la población original, sensible en un 99,999999%; la placa de la recaída tiene el clon seleccionado, todo él resistente, así que el césped crece hasta el borde del disco.
15. El gen puede pasar a otras especies que lleven otros pacientes o el personal, así que los demás patógenos de la planta pueden volverse resistentes sin esperar a su propia mutación.
16. En la planta, 400 tandas al año en una población pequeña y cerrada clasifican las bacterias sin parar, y las cepas seleccionadas pasan de un paciente a otro; en la ciudad la selección se diluye entre muchas personas y muchas especies.
17. Antibiogramas: elegir un fármaco al que la cepa no pueda resistir, de modo que no se seleccione ningún clon. Tandas completas: ninguna tanda interrumpida deja a los supervivientes resistentes volver a crecer. Higiene: ninguna transmisión del clon seleccionado entre pacientes. Aislamiento: ninguna propagación horizontal ni vertical desde los portadores.
18. Menos selección permitió que las cepas sensibles, que crecen algo más deprisa, recuperaran terreno, y se cortó la transmisión de las resistentes. No volvió al 5% porque las cepas resistentes y sus plásmidos persisten a baja frecuencia y cada tanda que queda vuelve a seleccionarlos.
19. Toda población bacteriana grande contiene células resistentes al fármaco nuevo por mutación al azar; usarlo las selecciona y, en unos pocos años, la cepa resistente es corriente, como ha ocurrido con todos los antibióticos introducidos hasta ahora.
20. Un centenar de células resistentes entre diez mil millones antes de todo fármaco; el segundo día de tratamiento heredaron la herida; interrumpir la tanda antes de tiempo convirtió una infección curable en otra resistente que se propagó.