Estamos rodeados de poblaciones de bacterias microscópicas. Estas comunidades invisibles, conocidas como biofilms, se encuentran en hábitats que van desde la superficie de nuestra piel hasta las tuberías de alcantarillado, y desempeñan un papel fundamental en campos como la medicina y la agricultura.

Un equipo interdisciplinario formado por científicos de la Universidad Pompeu Fabra (UPF) en Barcelona y la Universidad de California en San Diego, ha desarrollado un método novedoso para controlar la composición de biofilms bacterianos basado en el uso de descargas eléctricas.

Biofilms e infecciones crónicas

El hallazgo, obtenido con una tecnología recientemente desarrollada, es significativo desde una perspectiva médica. Los biofilms son comunidades muy resistentes que pueden provocar infecciones crónicas, especialmente en lugares como los hospitales, donde la resistencia a los antibióticos es una gran amenaza para la salud.

El equipo desarrollado un método novedoso para controlar la composición de biofilms bacterianos basado en el uso de descargas eléctricas

Del mismo modo que otros organismos multicelulares, los biofilms están compuestos por varios tipos de células que desempeñan funciones especializadas. Por ejemplo, uno de los tipos de bacterias que constituyen los biofilms proporcionan el ‘pegamento’ estructural (la matriz extracelular) que mantiene unida a la comunidad bacteriana, mientras que otro tipo formado por células móviles desempeña un papel fundamental en el establecimiento del biofilm y en su propagación.

El equilibrio de estos dos tipos de células define las propiedades físicas y biológicas del biofilm y es importante para su viabilidad.

Si hay demasiadas células productoras de matriz, el biofilm se vuelve demasiado rígido y no puede crecer de manera eficiente. Si hay demasiadas células móviles, el biofilm se desintegra debido a que sus células no están suficientemente cohesionadas. Por este motivo, cambiar la proporción de estos dos tipos de células ofrece un método preciso para controlar las comunidades bacterianas.

Cambiar la proporción de estos dos tipos de células ofrece un método preciso para controlar las comunidades bacterianas

Como se describe en el artículo publicado en la revista Cell Systems, un equipo de la UC San Diego liderado por el profesor Gürol Süel, junto a Jordi Garcia Ojalvo, catedrático de Biología de Sistemas de la UPF, ha desarrollado un novedoso dispositivo de microfluídica combinado con una matriz de electrodos múltiples, que permite aplicar descargas eléctricas localizadas a un biofilm en crecimiento.

Esta estimulación eléctrica hace que las células móviles se multipliquen más fácilmente que las bacterias productoras de matriz extracelular, a pesar de que todas las células del biofilm son genéticamente idénticas.

“Si bien se sabe que las descargas eléctricas pueden matar a las células, aquí mostramos que pueden provocar el crecimiento de un subtipo específico de células”, explica Süel. “Cómo una estimulación de un segundo de duración puede promover el crecimiento durante horas y solo de un tipo de células es un gran rompecabezas que esperamos resolver”.

Si bien se sabe que las descargas eléctricas pueden matar a las células, aquí mostramos que pueden provocar el crecimiento de un subtipo específico de células, explica Gürol Süel, lider del estudio

El papel de los iones
Una de las claves de este efecto es el papel de los iones en el funcionamiento celular. “La regulación del comportamiento de bacterias mediante el control de su composición iónica es aún poco conocida”, detalla Jordi Garcia-Ojalvo. Ser capaz de modular los tipos de células de este modo no solo es importante para comprender los biofilms.

Las señales electroquímicas que usamos son similares a las señales usadas durante el desarrollo en organismos más complejos como ranas, peces o incluso humanos. Por lo tanto, nuestros hallazgos pueden ofrecer analogías con otros sistemas biológicos

Colin Comerci, primer autor del artículo

“Las señales electroquímicas que utilizamos son similares a las señales usadas durante el desarrollo en organismos más complejos como ranas, peces o incluso humanos”, afirma Colin Comerci, primer autor del artículo. “Por lo tanto, nuestros hallazgos pueden ofrecer analogías con otros sistemas biológicos”.

Ahora, los científicos estudian por qué la estimulación eléctrica aumenta la población de un tipo de célula en lugar de otro. Tal influencia, dicen los investigadores, proporciona una forma de controlar la composición y el desarrollo del biofilm, y puede ofrecer una nueva herramienta para desestabilizar los biofilms y eliminar así su tremenda resistencia.

mayo 11/2022 (SINC)

Referencia:

Comerci et al. “Localized electrical stimulation triggers cell-type-specific proliferation in biofilms”. Cell systems (mayo, 2022) DOI: 10.1016/j.cels.2022.04.001.

Investigadores de la Universidad Pompeu Fabra de Barcelona (UPF) y de la Universidad de California en San Diego (UCSD) han descubierto que las comunidades de bacterias conocidas como biofilms tienen la capacidad de almacenar información.

Los biofilms son colonias de bacterias que cooperan para proteger a sus habitantes de amenazas externas (como los antibióticos). Los investigadores Gurol Süel, Jordi Garcia-Ojalvo y sus colegas, descubrieron en un estudio previo que las bacterias en los biofilms utilizan señales eléctricas para comunicarse, de forma muy similar a como lo hacen las neuronas en nuestro cerebro. Estas señales eléctricas consisten en átomos cargados (iones) que entran y salen de la célula, y su propagación permite la comunicación entre bacterias.

Ahora, en el nuevo trabajo publicado en la revista Cell Systems, Süel, Garcia Ojalvo y sus colaboradores muestran cómo las bacterias de la especie Bacillus subtilis tienen capacidad de memoria, es decir, pueden almacenar información sobre sus condiciones pasadas. “Mediante una combinación de experimentos y modelos matemáticos, hemos mostrado que las bacterias puedan almacenar información de un modo similar a como lo hacen las neuronas, es decir, controlando el flujo de iones a través de su membrana celular”, explica Jordi Garcia Ojalvo, catedrático de Biología de Sistemas de la UPF. Por lo tanto, el descubrimiento revela un paralelismo entre los organismos unicelulares y las neuronas que procesan la memoria en nuestro cerebro, mucho más complejas.

En este caso han utilizado la luz para variar este flujo de iones, lo que les ha permitido ver con una resolución de células individuales esta memoria. “Observamos que dos bacterias vecinas se comportan de forma diferente, dependiendo de si han recibido luz o no. Estas bacterias se siguen comportando de modo diferente incluso horas después de la iluminación”, añade Garcia-Ojalvo. Esta resolución del tamaño de una célula permite almacenar imágenes relativamente complejas, como los investigadores mostraron en sus experimentos.

Según indican los investigadores, el resultado principal puede inspirar nuevos enfoques en biología sintética. La capacidad de codificar la memoria en comunidades bacterianas puede ser muy relevante para el diseño de sistemas computacionales complejos con organismos vivos. El estudio proporciona además nuevas evidencias de los antecedentes evolutivos de la comunicación neuronal, y por lo tanto de la capacidad de nuestro cerebro para procesar información, en células mucho más simples.

mayo 13/2020 (Diario Médico)

La idea de compartir apartamentos vacacionales entre varios propietarios ha resultado muy popular durante décadas: es la llamada multipropiedad. Ahora, científicos de la Universidad de California en San Diego (Estados Unidos) y de la Universidad Pompeu Fabra (UPF) en Barcelona han descubierto que las comunidades de bacterias han estado empleando una estrategia similar durante millones de años.

Los investigadores, entre los que se encuentra el profesor de la UPF Jordi García-Ojalvo, se preguntaron qué hacen comunidades bacterianas vecinas cuando los nutrientes escasean y encontraron que, en este escenario, las bacterias adoptan una elegante estrategia de tiempo compartido en la que alternan los periodos de alimentación para maximizar la eficacia del consumo.

“Lo que es interesante aquí es que estas bacterias simples y unicelulares parecen criaturas solitarias, pero cuando forman parte de una comunidad muestran comportamientos muy dinámicos y complejos normalmente atribuidos a organismos más sofisticados o incluso a redes sociales”, comenta Gürol Süel, director asociado del Centro de Biología de Sistemas de San Diego. “Es el mismo concepto de tiempo compartido utilizado en apartamentos vacacionales, informática y otras aplicaciones sociales”.

Cómo interactúan las bacterias

En 2015, Süel, García-Ojalvo y sus colegas descubrieron que las comunidades estructuradas de bacterias, conocidas como biofilms, usan señales eléctricas para comunicarse de forma muy parecida a como lo hacen las neuronas. Ahora, este nuevo estudio investiga cómo interactúan dos comunidades de biofilms. Mediante modelos matemáticos y experimentos utilizando técnicas de microfluídica y microscopía time-lapse, los investigadores revelan que comunidades de biofilms vecinas participan en comportamientos sincronizados a través de estas señales eléctricas.

Los experimentos muestran que cuando los biofilms se encuentran en una situación de cantidad limitada de nutrientes, alternan sus periodos de alimentación para reducir la competencia y evitar colapsos en el consumo. “Es común que los sistemas vivos operen al unísono, pero aquí demostramos que funcionar por turnos también puede proporcionar un beneficio biológico”, comenta Jordi Garcia-Ojalvo, catedrático de Biología de Sistemas de la UPF.

“Estas bacterias están en casi todas partes: desde los dientes hasta los desagües. Es curioso cómo estos organismos simples desarrollaron hace dos mil millones de años la misma estrategia de tiempo compartido que nosotros, los seres humanos, estamos usando ahora en todo tipo de ámbitos”, concluye Süel.
abril 9/2017 (agenciasinc.es)