Las bacterias pueden controlar a dónde van utilizando una red de señalización de moléculas de proteínas. Los científicos de AMOLF han desarrollado un método de microscopía que les permite ver cómo las bacterias individuales utilizan esta red para tomar decisiones. Descubrieron que las bacterias son sorprendentemente diversas en personalidad y estado de ánimo. El equipo publicó sus hallazgos en la revista científica. eLife el 12 de diciembre 2017.

Bacterias siendo organismos unicelulares, no tienes sistema nervioso, pero son capaces de controlar sus movimientos mediante una red de moléculas de proteínas que interactúan de una manera especial, al igual que los circuitos de las células nerviosas de nuestro cerebro. "Por ejemplo, E. coli, una bacteria inofensiva que vive en nuestro intestino, 'sabe' cómo interrumpir su movimiento de natación que de otra manera sería recto con caídas ocasionales que lo desencadenan en un nuevo, dirección aleatoria, "dice Tom Shimizu, líder de grupo del grupo de Biología de Sistemas de AMOLF. "E. coli usa proteínas sensoras para detectar cosas como moléculas de alimentos o sustancias químicas tóxicas para decidir si la vida mejora o empeora a medida que nada, y controla la frecuencia con la que se cae para asegurarse de que termine en un buen lugar ".

Acercándonos a celdas individuales

Durante muchos años, Los investigadores han estudiado cómo estos circuitos moleculares en bacterias como E. coli responden a los cambios en su entorno, pero esto se basó en experimentos en los que la señal tenía que promediarse en cientos de células. Johannes Keegstra, estudiante de doctorado en el grupo de Shimizu, lideró el esfuerzo para desarrollar un método de microscopía que permita a los investigadores ver cómo la red de proteínas en cada bacteria individual responde a los cambios en el medio ambiente, por ejemplo, la abundancia de comida.

Personalidad

Las bacterias utilizadas en los experimentos tenían exactamente la misma secuencia de ADN (como gemelos idénticos) y también se cultivaron en condiciones idénticas. Sin embargo, los investigadores descubrieron que la red de proteínas en cada uno de ellos se comporta de manera diferente en el mismo entorno químico. "Cada bacteria parece tener su propia personalidad, "Dice Keegstra". Por ejemplo, descubrimos que la concentración química a la que responden las bacterias, varía considerablemente entre las bacterias ".

Estado animico

Aparte de las claras diferencias en las respuestas entre las bacterias (personalidad), Shimizu y Keegstra también vieron que dentro de cada bacteria, la actividad molecular podría cambiar considerablemente con el tiempo. Fueron testigos de que la forma en que las moléculas de proteína en las bacterias interactúan para controlar el movimiento no es constante, pero varía constantemente en el tiempo, incluso en entornos "tranquilos" sin cambios en la cantidad de alimentos o toxinas. Este 'mal humor' de las células significa que el mecanismo con el que 'deciden' dar vueltas o nadar en línea recta, no recibe una entrada constante, sino una entrada que varía aleatoriamente.

Los investigadores creen que estos mensajes moleculares variables deben ser causados ​​por eventos fortuitos dentro de la célula. "Creemos que la individualidad bacteriana que encontramos no se debe ni a la naturaleza (secuencias de ADN) ni a la crianza (características del medio ambiente), sino a eventos aleatorios como colisiones moleculares dentro de la célula única de la bacteria, un ejemplo clásico de lo que los físicos llaman 'ruido', "Dice Shimizu." Es importante destacar que, la bacteria no produjo ninguna proteína nueva durante el experimento. Esto significa que, si bien las diferencias en la personalidad podrían deberse a diferencias en los niveles de proteínas entre las bacterias, los cambios de humor tenían que ser el resultado del ruido en la forma en que estas proteínas interactúan en cada bacteria ".

Búsqueda aleatoria de comida

"Nos sorprendió mucho lo drásticos que son sus cambios de humor, Keegstra agrega. Y como sabemos que las bacterias pueden evitar que estas moléculas mensajeras interactúen de manera tan aleatoria, creemos que probablemente hagan esto con un propósito ".

El control inestable del movimiento puede resultar ventajoso cuando los alimentos escasean. En ese caso, el juego se trata menos de responder a señales sensoriales (como olores) y más de explorar de manera eficiente el espacio vacío para localizar recursos raros. A las bacterias temperamentales les iría mejor explorando áreas grandes sin rasgos distintivos porque su mal humor ayuda a evitar volver al mismo lugar.

Keegstra:"La considerable variación en el estado de ánimo de las bacterias podría significar que algunas bacterias actúan como exploradoras que exploran territorios lejanos en busca de ganancias ocasionales pero grandes, mientras que otros permanecen cerca y explotan eficientemente los recursos locales. Tal división del trabajo podría ser útil para la población en su conjunto ".

Los nuevos conocimientos sobre el ruido en las redes bioquímicas crean oportunidades biotecnológicas, ayudar a los ingenieros a construir sistemas (como bacterias que producen insulina, por ejemplo) que son más resistentes al ruido o lo utilizan de manera óptima. Los hallazgos sobre diferencias más constantes (personalidad) en el comportamiento bacteriano también pueden afectar las estrategias médicas para atacar las bacterias patógenas sin dañar las bacterias buenas.

El estudio de AMOLF fue co-publicado en eLife con un segundo papel, 'Múltiples fuentes de fluctuaciones de actividad lenta en una red quimiosensorial bacteriana', por R. Colin y V. Sourjik del Instituto Max-Planck de Microbiología Terrestre.