Cuando la comida escasea, los miembros de una especie de bacterias sociales que habita en los bosques se unen para construir estructuras llamadas cuerpos fructíferos para sobrevivir hasta que la comida esté más disponible
Cuando la comida escasea, los miembros de una especie de bacterias sociales que habita en los bosques se unen para construir estructuras llamadas cuerpos fructíferos para sobrevivir hasta que la comida esté más disponible. A escala humana, la altura se correspondería con la de un rascacielos. Crédito: Cassidy Yang, Universidad de Princeton.

Las bacterias que habitan en los bosques, conocidas por formar enjambres viscosos que se alimentan de otros microbios, también pueden cooperar para construir refugios de supervivencia similares a hongos, conocidos como cuerpos fructíferos, cuando la comida es escasa. Ahora, un equipo de la Universidad de Princeton ha descubierto la física detrás de la forma en como estas bacterias en forma de varilla, que se alinean en patrones como los de los verticilos de huellas dactilares y las pantallas de cristal líquido, construyen las capas de estos cuerpos fructíferos. El estudio fue publicado en Nature Physics.

De alguna manera, estas bacterias nos están enseñando nuevos tipos de física“, afirma Joshua Shaevitz, profesor de Física del Instituto Lewis-Sigler de Genómica Integrativa. “Estas preguntas existen en la intersección de la física y la biología. Y es necesario comprender ambas para comprender estos organismos“.

Myxococcus xanthus, o Myxo para abreviar, es una especie bacteriana capaz de comportamientos sorprendentemente cooperativos. Por ejemplo, un gran número de células Myxo se unen para cazar otras bacterias en un enjambre hacia su presa en una sola masa ondulante.

Sin embargo, cuando la comida es escasa, las células en forma de bastón se apilan unas sobre otras para formar crecimientos blandos llamados cuerpos fructíferos, que son escondites en los que algunas de las células Myxo se transforman en esporas capaces de reiniciar la población cuando llegan los nutrientes frescos. Pero hasta ahora, los científicos no han entendido cómo las varillas adquieren la capacidad de comenzar a trepar unas sobre otras para construir estructuras en forma de gotas.

La altura que alcanzan estas estructuras de células sociales se corresponden a escala humana con la de un rascacielos

Para obtener más información sobre cómo se comportan estas bacterias, los investigadores instalaron un microscopio capaz de rastrear las acciones de Myxo en tres dimensiones. Los científicos grabaron videos de los microbios en forma de varilla, que se agrupan muy juntos como ñus en estampida, corriendo a través del plato del microscopio en franjas que se arremolinan entre sí, formando patrones similares a huellas dactilares.

Cuando dos franjas se encuentran, observaron los investigadores, el punto de intersección es exactamente donde comienza a formarse la nueva capa de células. Las bacterias comienzan a acumularse y crean una situación en la que la única dirección a seguir es hacia arriba.

Descubrimos que estas bacterias sociales están explotando puntos particulares de la alineación celular donde se acumulan tensiones que permiten a la colonia construir nuevas capas de células, una encima de la otra“, asegura Ricard Alert, investigador postdoctoral en el Centro de Ciencias Teóricas de Princeton y uno de los primeros coautores del estudio. “Y así es, en última instancia, como esta colonia responde al hambre“.

Los investigadores llaman “defectos topológicos” a los puntos donde chocan las células en masa, un término que se refiere a las matemáticas que describen estos puntos singulares. La topología es la rama de las matemáticas que encuentra similitudes entre objetos como tazas de té y rosquillas, porque uno puede estirarse o deformarse en el otro.

Llamamos a estos puntos topológicos porque si desea deshacerse de uno solo de estos defectos, no puede hacerlo mediante una transformación suave; no puede simplemente perturbar la alineación de las células para deshacerse de ese punto donde se pierde la alineación”, comenta Alert. “La topología se trata de lo que se puede y no se puede hacer mediante transformaciones suaves en matemáticas“.

Las células mixo bacterianas se comportan de forma muy parecida a los cristales líquidos, los fluidos que se encuentran en las pantallas de los teléfonos inteligentes, que están formados por moléculas en forma de varilla. Sin embargo, a diferencia de los cristales líquidos pasivos, las varillas de Myxo están vivas y pueden arrastrarse. Lo más probable es que las bacterias sociales hayan evolucionado para aprovechar tanto los factores pasivos como los activos para construir los cuerpos fructíferos, según los investigadores.

Katherine Copenhagen, investigadora asociada del Instituto Lewis-Sigler y coautora del estudio, tomó videos de las células bajo el microscopio y analizó los resultados. Afirma que al principio el equipo no estaba seguro de lo que estaban viendo.

Bacterias sociales: Imagen de alta resolución de células bacterianas de Myxococcus xanthus en forma de bastón, con colores que indican la dirección de alineación celular
Bacterias sociales: Imagen de alta resolución de células bacterianas de Myxococcus xanthus en forma de bastón, con colores que indican la dirección de alineación celular. Crédito: Katherine Copenhagen, Universidad de Princeton.

Estábamos tratando de estudiar la formación de capas en bacterias sociales para averiguar cómo estas células construyen estas gotas, y acabábamos de adquirir un nuevo microscopio, así que puse una muestra de la bacteria de otro proyecto que no tenía nada que ver con la formación de capas debajo del microscopio y lo fotografié durante unas horas“, afirma Copenhagen. “La próxima vez que nuestro grupo se reunió, dije ‘Tengo este video, así que echémosle un vistazo’. Y quedamos hipnotizados por lo que vimos“.

La combinación de formación en física y biología entre los investigadores les permitió reconocer nuevos conocimientos teóricos sobre cómo se forman las capas verticales. “Hay algo aquí sobre el valor de la cultura colaborativa de Princeton“, comenta Ned Wingreen, profesor de biología molecular del Instituto Lewis-Sigler. “Charlamos entre nosotros, compartimos ideas locas y nos mostramos datos interesantes“.

Un momento que recuerdo bastante vívidamente“, concluye Alert, “es ver estos videos al inicio de este proyecto y comenzar a darme cuenta de lo que pasaba… ‘espera, ¿se forman las capas exactamente donde están los defectos topológicos? ¿Podría ser cierto?’” Para explorar los resultados, siguió los estudios confirmándolos con cálculos numéricos y analíticos. “La comprensión inicial que vino con sólo ver estas películas, fue un momento espectacular“.

Fuente: Nature Physics.

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