Estudio con E. coli demuestra cómo el mutualismo y el comportamiento cooperativo dan forma a las especies

Las bacterias, al igual que los humanos, pueden consumir más recursos de los necesarios. Cuando esto sucede, los subproductos sintetizados pueden filtrarse al medio ambiente, lo que permite que otras bacterias cercanas desarrollen comportamientos cooperativos (mutualismo), como usar los subproductos como nutrientes. También se ha observado que la cooperación en comunidades bacterianas facilita comportamientos como alterar el medio ambiente o formar nuevas estructuras como biopelículas.

«Hacer tus propios recursos cuesta energía. Las bacterias pueden evolucionar para depender unas de otras, y también para conservar energía, a través de mutaciones que resultan en la pérdida de ciertos procesos metabólicos que pueden complementarse con el uso de estos bienes generados, ahora de común acceso«, afirma Megan Behringer, profesora asistente en ciencias biológicas.

«Los resultados de nuestro experimento servirán como un buen modelo para el estudio evolutivo del mutualismo«

Behringer, también miembro de la Iniciativa de Estudios Evolutivos, publicó el estudio, «La dinámica compleja de los ecotipos evoluciona en respuesta a los recursos fluctuantes» en la revista mBio. El estudio explora los efectos de los ciclos de festín y hambruna dentro de los grupos del intestino-bacteria residente E. coli. El trabajo fue un esfuerzo de colaboración entre el laboratorio Behringer y Wei-Chin Ho, investigador postdoctoral en la Universidad Estatal de Arizona.

Behringer y Ho se propusieron probar esta cooperación en Escherichia coli en condiciones de festín y hambruna. Prepararon las bacterias con un medio líquido para crecer. Después de 10 días, las bacterias se transfirieron a un nuevo medio líquido. Las bacterias consumieron la mayoría de los recursos del nuevo líquido después de aproximadamente un día.

Escherichia coli crece muy rápidamente

«E. coli crece muy rápidamente y puede agotar sus nutrientes preferidos en un día, por lo que, si transferimos las células cada 10 días como en este experimento, pasarán los próximos nueve días buscando nutrientes, y se producirá la canibalización de otras E. coli que no sobreviven a las condiciones duras y limitadas en nutrientes«, añade Behringer. «Realmente es un poco cruel, porque para nosotros los investigadores se siente como si solo estuviéramos mezclando tubos cada 10 días, pero las bacterias están participando en Los Juegos del Hambre«.

Cada 100 días durante un total de 900 días, Behringer y Ho secuenciaron los genomas bacterianos. Después de nueve puntos de tiempo de secuenciación del genoma, los investigadores confirmaron que, aunque las bacterias comenzaron como un grupo de individuos muy similares, evolucionaron rápidamente a dos tipos especializados, o ecotipos. Un ecotipo gastó energía recolectando hierro del medio ambiente pero no invirtió mucha energía en producir ácidos grasos. El otro ecotipo no recolectó hierro de manera eficiente, pero produjo bien ácidos grasos.

La evolución y la cooperación eficiente

Si bien sabemos que las interacciones cooperativas ocurren en nuestras entrañas y en la naturaleza, sabemos menos sobre cómo surgen estas interacciones. Hasta la fecha, la mayor parte del estudio de la alimentación cruzada en el laboratorio se ha centrado en microbios que han sido diseñados para cooperar o donde la interacción ha evolucionado en el laboratorio, pero es unilateral (A alimenta a B, pero B no alimenta a A), dijo Behringer. En este estudio encontramos que, a través de ciclos repetidos de festín y hambruna, las bacterias pueden desarrollar lo que parece ser una alimentación cruzada bidireccional (A alimenta a B y B alimenta a A).

Esto es emocionante porque hasta ahora la evolución tiene problemas para explicar este tipo de cooperación eficiente. La fiesta y la hambruna son fluctuaciones muy naturales para las bacterias. Incluso en nuestras entrañas, un entorno que se considera rico en nutrientes, las bacterias aún pueden verse limitadas por ciertos recursos, como el nitrógeno. Los resultados del estudio sugieren que estas dinámicas de festín y hambruna pueden proporcionar las condiciones para que las bacterias desarrollen comportamientos cooperativos de alimentación cruzada y proporcionen información sobre cómo las comunidades bacterianas que residen en nuestros intestinos, en nuestros cultivos, en lagos y arroyos, y más allá, situaciones se vuelven más complejas.

La evolución observada en laboratorio puede ser similar a la que se da en entornos no controlados

«Nuestros resultados [muestran que] los comportamientos mutualistas y las estructuras poblacionales pueden surgir incluso dentro de una sola especie«, asegura Ho. «Los resultados de nuestro experimento servirán como un buen modelo para el estudio evolutivo del mutualismo«. En biología, el mutualismo reconoce la interacción entre al menos dos especies, donde cada una contribuye a un beneficio neto para las especies que interactúan.

«Además, planteamos la hipótesis de que las bacterias estaban evolucionando para volverse más eficientes al compartir la carga de realizar estas funciones, lo que sería beneficioso en condiciones de inanición«, comenta Behringer. «Las bacterias a menudo se enfrentan a ciclos de festín y hambruna en la naturaleza. La evolución que observamos en este experimento en el laboratorio puede ser similar a cómo evolucionan estos comportamientos cooperativos en las poblaciones microbianas salvajes«.

Siguiente paso: ¿Cómo mutan?

El siguiente paso es investigar el mutualismo a una escala más fina. El grupo sabe lo que sucede después de cada 100 días, y han congelado bacterias de cada 30 días durante el experimento, una ventana a lo que sucede antes de que las bacterias evolucionen a dos ecotipos distintos. También planean buscar tramposos, organismos que usan los subproductos de otras bacterias pero que no producen ninguno por sí mismos.

Fuente: mBio.