Un equipo de investigadores de la Université Côte d'Azur y el Centre Scientifique de Monaco ha llevado a cabo recientemente un estudio destinado a comprender mejor los patrones de natación de las bacterias cerca de la superficie. Su papel publicado en Física de la naturaleza , podría arrojar algo de luz sobre cómo las bacterias exploran las superficies, cómo buscan células huésped y cómo infectan estas células.

Las bacterias a menudo se mueven cerca de la superficie del agua o sustancias acuosas, lo que ocurre por varias razones. Primero, los nutrientes en ambientes acuosos típicamente se acumulan en su superficie. Además, células huésped, que son particularmente susceptibles a ser infectados por bacterias patógenas también se sientan, o son parte de, una superficie (es decir, un tejido celular).

Los investigadores han estado investigando los patrones de natación de las bacterias cerca de la superficie durante varios años. Estudios anteriores sugieren que estos patrones están determinados por interacciones hidrodinámicas entre las bacterias y la superficie por la que navegan. que finalmente atrapan a las bacterias en trayectorias circulares suaves que conducen a una exploración superficial ineficiente.

La investigación física sobre los patrones de natación de las bacterias cerca de la superficie sugiere que una bacteria individual experimenta una atracción hacia la superficie, así como un torque efectivo causado por la rotación del haz flagelar, lo que la obliga a moverse en círculos. Esta observación bien documentada puede explicarse mediante principios físicos fundamentales.

Al considerar el cuadro pintado por estas observaciones, sin embargo, es difícil entender cómo las bacterias pueden sobrevivir, ya que sus interacciones hidrodinámicas cercanas a la superficie parecerían ser un serio obstáculo para su supervivencia. Lo que hace que su resistencia en circunstancias tan desfavorables sea aún más desconcertante es el hecho de que, en términos evolutivos, las bacterias deben poder explorar superficies fácilmente para encontrar nutrientes y / o localizar sitios de colonización.

"Estábamos muy intrigados por estos problemas y sospechamos que este enfoque reduccionista de la mecánica de fluidos no podía ser la historia completa, "Fernando Peruani, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Pensamos que las bacterias deberían poder hacer frente a esta desventaja:quedar atrapadas en una órbita circular ciertamente no es una forma eficiente de explorar una superficie. Con esta idea en mente, decidimos estudiar cómo se mueven las diferentes especies bacterianas en las superficies con el objetivo de comprender cómo se realiza realmente la exploración de la superficie ".

El trabajo de Peruani y sus colegas es parte de un proyecto más amplio destinado a comprender mejor cómo las bacterias patógenas infectan las células huésped. En su estudio reciente, usaron microscopía de video y rastrearon bacterias en una ventana de observación relativamente grande, con el fin de obtener largas trayectorias bacterianas. Más tarde analizaron las estadísticas de estas trayectorias para observar de cerca los patrones de natación de las bacterias cerca de la superficie.

"Los cambios abruptos en la velocidad que muestran las bacterias, que indicaba que las bacterias se detenían de forma intermitente, inmediatamente nos intrigó, ", Dijo Peruani." Luego observamos la distribución de las veces que las bacterias se movían y no se movían y entendimos que si se usaba un formalismo de cadena de Markov para describir los datos, se requerían tres estados. Esta observación jugó un papel clave en nuestra investigación ".

Después, los investigadores revisaron los datos que habían recopilado y analizaron los períodos en los que las bacterias se habían "detenido". Observaron que las bacterias a menudo estaban atadas a la superficie y giraban alrededor de una de las puntas del cuerpo celular.

"La evidencia era clara:las bacterias estaban explorando la superficie realizando eventos de adhesión transitoria, "Dijo Peruani." El siguiente paso fue construir una teoría para un nadador que tiene un estado interno, controlado por una cadena de Markov, que adopta tres valores posibles, cada uno de ellos asociado con una ecuación de movimiento diferente. Este fue un desafío técnico, pero el esfuerzo valió la pena ".

La teoría desarrollada por Peruani y sus colegas les permitió concluir que la frecuencia con la que ocurrían las 'paradas' observadas estaba lejos de ser aleatoria. En lugar de obstaculizar la actividad de las bacterias, esta frecuencia pareció maximizar su exploración superficial.

El estudio realizado por este equipo de investigadores dio lugar a dos observaciones muy importantes. Primeramente, los investigadores se dieron cuenta de que las bacterias utilizan la adhesión transitoria como mecanismo para regular la exploración de la superficie. En segundo lugar, observaron la existencia de una frecuencia de parada óptima, que maximiza la exploración de la superficie. La E. coli enteroheamorrágica (EHEC) y otras bacterias patógenas parecen ser capaces de ajustar esta frecuencia a su valor óptimo.

"Estas dos observaciones proporcionan una mejor comprensión de cómo las bacterias exploran las superficies, que es un paso necesario para dilucidar cómo buscan células huésped, y cómo las infectan las bacterias, ", Dijo Peruani." Un mensaje importante de este estudio es que la comprensión física de cómo se mueven las bacterias en las superficies no puede basarse exclusivamente en interacciones hidrodinámicas. Las interacciones de adhesión también juegan un papel crucial. Es más, es la interacción entre la adhesión y la actividad del haz flagelar lo que permite a las bacterias reorientarse y escapar de las trampas circulares impuestas por las interacciones hidrodinámicas ".

Las observaciones recopiladas por Peruani y sus colegas ofrecen nuevos conocimientos valiosos sobre los patrones de natación de las bacterias cerca de la superficie bien documentados. Los investigadores ahora están planeando más estudios destinados a comprender cómo las bacterias patógenas buscan e infectan las células huésped. Para diferentes especies de bacterias, esperan observar diferentes estrategias de búsqueda y colonización. Sin embargo, también sospechan que el número de estrategias que observarán será significativamente menor que el número de especies existentes de bacterias patógenas.

"Un cuantitativo, comprensión física de las infecciones bacterianas, que aun falta, puede proporcionar pistas sobre cómo prevenir infecciones bacterianas, Peruani agregó. Nuestro estudio, por ejemplo, indica que la adhesión de la superficie juega un papel crucial en la exploración de la superficie. Por otra parte, la adherencia superficial depende de las adhesinas específicas de las bacterias, así como sobre las propiedades físicas de la superficie, y ciertamente intentaremos pensar en formas de modificar esas propiedades físicas ".

© 2019 Science X Network