Las bacterias en los polímeros crean estructuras similares a cables que crecen hasta convertirse en geles vivos.

Científicos de Caltech y la Universidad de Princeton han descubierto que las células bacterianas que crecen en una solución de polímeros, como el moco, forman largos cables que se doblan y retuercen entre sí, formando una especie de «gelatina viviente».

El hallazgo podría ser particularmente importante para el estudio y tratamiento de enfermedades como la fibrosis quística, en la que la mucosidad que recubre los pulmones se vuelve más concentrada, lo que a menudo provoca infecciones bacterianas que se afianzan en esa mucosidad y se vuelven potencialmente mortales. Este descubrimiento también podría tener implicaciones en estudios de conglomerados de bacterias secretoras de polímeros conocidas como biopelículas (la sustancia resbaladiza de las rocas de los ríos, por ejemplo) y en aplicaciones industriales donde pueden causar mal funcionamiento de los equipos y riesgos para la salud.

El trabajo está descrito en un artículo. publicado el 17 de enero en la revista Avances científicos.

«Hemos descubierto que cuando muchas bacterias crecen en fluidos que contienen moléculas parecidas a espaguetis llamadas polímeros, como la mucosidad de los pulmones, forman estructuras parecidas a cables que se entrelazan como geles vivos», cube Sujit Datta, profesor de ingeniería química. bioingeniería y biofísica en Caltech y autor correspondiente del nuevo artículo. «Y, curiosamente, existen similitudes entre la física de cómo se forman estas estructuras y la física microscópica subyacente a muchos geles no vivos, como Purell o Jell-O».

Datta se mudó recientemente a Caltech desde la Universidad de Princeton. Uno de sus estudiantes de posgrado en Princeton, Sebastián González La Corte, es el autor principal del artículo. Él y Datta estaban interesados ​​en cómo cambia la concentración de moco en los pulmones y los intestinos de los pacientes con fibrosis quística, en quienes hay más polímeros de lo recurring. Trabajando con muestras de moco proporcionadas por colegas del MIT, González La Corte creció Escherichia coli bacterias (comúnmente utilizadas en estudios de laboratorio) en líquido regular y en muestras similares a la fibrosis quística y luego observaron las muestras bajo un microscopio para observar cómo crecían las células bacterianas en cada caso.

Se centró en las células que habían perdido la capacidad de nadar, como ocurre con muchas bacterias en la naturaleza. En circunstancias normales, cuando una célula de este tipo se divide en dos, las células resultantes se separan y se difunden unas de otras. Sin embargo, González La Corte descubrió que en una solución polimérica, las células copiadas permanecían pegadas entre sí, de un extremo a otro.

«A medida que las células continúan dividiéndose y pegándose entre sí, comienzan a formar estas hermosas estructuras largas que llamamos cables», cube González La Corte. «En algún momento, en realidad se doblan y pliegan entre sí y forman una pink entrelazada».

El equipo descubrió que los cables continúan alargándose y creciendo mientras las células tengan los nutrientes que necesitan, creando eventualmente cadenas de miles de células de largo.

Experimentos posteriores demostraron que no parece importar cuál especies bacterianas se introducen, ni el tipo de solución de polímero orgánico hace diferencia; Una vez que suficiente polímero rodea las células bacterianas, los cables crecen. Los investigadores incluso observaron el mismo resultado con bacterias en polímeros sintéticos.

Aunque la motivación inicial del estudio fue comprender mejor el crecimiento de las infecciones en pacientes con fibrosis quísticalos hallazgos son más ampliamente relevantes. El moco juega un papel importante en el cuerpo humano, no sólo en los pulmones sino también en el intestino y en el tracto cervicovaginal. Y Datta cube que el trabajo también es importante en el contexto de las biopelículas, grupos de bacterias que desarrollan su propia matriz polimérica encapsulante. Existen biopelículas en el cuerpo humano, como la placa dental, pero también son extremadamente comunes en el suelo y en entornos industriales, donde pueden dañar los equipos y provocar riesgos para la salud.

«Esa matriz polimérica que han secretado es lo que hace que las biopelículas sean tan difíciles de eliminar de las superficies y tratar con antibióticos», cube Datta. «Comprender cómo crecen las células en esa matriz podría ser clave para descubrir cómo controlar mejor las biopelículas».

Comprender la física detrás de los cables

A través de experimentos cuidadosamente diseñados, el equipo descubrió que la presión externa ejercida por los polímeros que rodean las células en división es lo que fuerza a las células a unirse y las mantiene en su lugar. En física, una fuerza de atracción que está bajo el management de una presión exterior se denomina interacción de agotamiento. González La Corte utilizó la teoría de la interacción del agotamiento para crear un modelo teórico de crecimiento de cables bacterianos. El modelo puede predecir cuándo un cable sobrevivirá y crecerá en un entorno polimérico.

«Ahora podemos utilizar teorías establecidas de polímero física, que fue desarrollada para cosas completamente diferentes, en estos sistemas biológicos para predecir cuantitativamente cuándo surgirán estos cables», cube Datta.

¿Por qué las bacterias forman estos cables?

«Descubrimos este fenómeno interesante, inusual y muy inesperado», cube Datta. «También podemos explicar por qué sucede desde una perspectiva física mecanicista. Ahora la pregunta es: ¿Cuáles son las implicaciones biológicas?»

Curiosamente, hay dos posibilidades: las bacterias podrían estar agrupándose para formar esta pink de gel vivo en un esfuerzo por hacerse más grandes y, por lo tanto, más difíciles de engullir y destruir para las células inmunes. Alternativamente, la formación de cables podría ser perjudicial para las bacterias. Después de todo, las secreciones del huésped hacen que las bacterias construyan los cables. «La mucosidad no es estática; por ejemplo, en los pulmones, los pequeños pelos de la superficie de los pulmones la arrastran constantemente y la impulsan hacia arriba», cube Datta. «¿Podría ser que cuando todas las bacterias están agrupadas en estos cables, en realidad es más fácil deshacerse de ellas, expulsarlas del cuerpo?»

Por ahora, nadie sabe cuál posibilidad es la correcta y Datta cube que eso es lo que hace que este proyecto siga siendo interesante. «Ahora que hemos descubierto este fenómeno, podemos formular estas nuevas preguntas y diseñar más experimentos para comprobar nuestras sospechas», afirma.