Para colonizar diferentes entornos las bacterias sintonizan con precisión sus nanomotores

En sus aproximadamente 3.500 millones de años en la Tierra, las bacterias han perfeccionado el arte de colonizar todo tipo de hábitats, desde el revestimiento interno de los tractos digestivos hasta las abrasadoras aguas calientes de los géiseres. Pero en su búsqueda por dominar el mundo, las bacterias enfrentan obstáculos críticos cuando se mueven a través de diversos entornos, preservando su aparato de navegación.

En un nuevo estudio, publicado en la revista Nature Communications, investigadores de la Universidad Texas A&M han descubierto que los apéndices que controlan la navegación bacteriana, llamados flagelos, se ajustan a los cambios en la viscosidad de los fluidos con mucha precisión. Esta adaptación permite que la bacteria continúe usando sus flagelos para buscar nutrientes, detectar superficies y establecer colonias en diferentes hábitats.

«Existe un interés significativo en los campos biomédicos para comprender cómo las células bacterianas individuales pasan de una existencia solitaria a un estilo de vida comunitario«, dijo el Dr. Pushkar Lele, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Química Artie McFerrin. «Para responder a esta pregunta, estamos investigando el papel del flagelo como centro de respuesta cuando una bacteria se encuentra con diferentes tipos de entornos«.

La homeostasis en el cambio flagelar parece ayudar a las bacterias móviles a formar enjambres y colonizar diferentes ambientes

Para navegar hacia los nutrientes, las bacterias emplean la quimiotaxis, un proceso mediante el cual detectan los químicos y nadan en la dirección de concentraciones crecientes o decrecientes. Se conoce el papel del flagelo en la navegación: cambia reversiblemente entre las direcciones de rotación en sentido horario y antihorario para facilitar la quimiotaxis. La rotación flagelar es impulsada por unidades de estátor internas, similar en concepto al estátor que hace girar el rotor dentro de un motor eléctrico de un ventilador de techo.

Pero la evidencia más reciente sugiere que el flagelo también desempeña un papel en la detección de cambios en el entorno mecánico de la célula, un proceso llamado detección mecánica. Entonces, si la bacteria encuentra un aumento en la resistencia a la rotación de sus flagelos, lo sentiría como un aumento en la viscosidad del ambiente.

En respuesta, el motor flagelar recluta unidades de estátor adicionales para compensar desarrollando más potencia. Sin embargo, la investigación también ha demostrado que tal aumento en la resistencia evita que el flagelo cambie las direcciones de rotación, lo que podría hacer que la maquinaria de quimiotaxis desaparezca.

La base del vínculo observado entre la mecanosensibilidad y la quimiotaxis será importante para prevenir la colonización bacteriana, las infecciones y la resistencia a los antibióticos en el futuro

«Esta observación planteó un enigma«, comenta Lele. «Es poco probable que la quimiotaxis se restrinja a un tipo de ambiente viscoso. Por lo tanto, nos preguntamos si ocurría alguna adaptación dentro del motor flagelar que restaurara el cambio direccional y, por extensión, la quimiotaxis en diferentes ambientes viscosos«.

Para sus experimentos, los investigadores eligieron una cepa de E. coli con una proteína de quimiotaxis marcada con fluorescencia, CheY-P, que se une al motor flagelar para iniciar el cambio flagelar. Los investigadores aplicaron resistencia al motor y luego observaron el nivel de fluorescencia utilizando microscopios de alta potencia. Descubrieron que la fluorescencia cayó por debajo de la línea de base cuando eliminaron las proteínas del estátor utilizando técnicas genéticas.

En comparación, el nivel de fluorescencia permaneció en la línea de base cuando los estátores entregaron continuamente par para hacer girar el motor. Esto sugirió que la presencia de las unidades de estátor promovió la unión de CheY-P al motor.

Sobre la base de estas observaciones, el equipo teorizó que, en entornos de alta viscosidad, el aumento del par mecánico proporcionado por las unidades de estátor adicionales aumenta la unión de CheY-P al motor, manteniendo así la homeostasis en la función de conmutación del flagelo.

Lele señaló que este fenómeno de ajuste fino del estado interno para adaptarse a las cargas mecánicas cambiantes tiene un parecido burdo con la adaptación propioceptiva, mediante la cual los organismos con un sistema nervioso intuyen continuamente su posición y velocidad para realizar cambios adaptativos para lograr la homeostasis o un estado fisiológico estable. Por ejemplo, los sistemas esqueléticos musculares de los insectos se adaptan y ajustan internamente a cargas variables en sus extremidades para mantener su postura y agarre cuando caminan por el suelo o el techo.

«La homeostasis en el cambio flagelar parece ayudar a las bacterias móviles a formar enjambres y colonizar diferentes ambientes«, concluye Lele. «Explicar la base del vínculo observado entre la mecanosensibilidad y la quimiotaxis será importante para prevenir la colonización bacteriana, las infecciones y la resistencia a los antibióticos en el futuro«.

Fuente: Nature Communications.