La resolución de conflictos entre bacterias marca la gran resistencia de sus ‘biofilms’

Fotografía de las oscilaciones (mostradas como líneas de contorno coloreadas) de un biofilm en crecimiento. / Süel Lab, UC San Diego


La mayoría de los organismos vivos se organizan en poblaciones formadas por un número elevado de individuos. Esto es así incluso en organismos unicelulares simples como las bacterias, que habitualmente conviven en grandes comunidades denominadas biopelículas o biofilms.

Estas comunidades pueden llegar a ser del orden de millones de individuos y coexisten en condiciones de estrés debido a la escasez de nutrientes y a la presencia de agentes tóxicos externos (como antibióticos y toxinas químicas). A pesar de que han de enfrentarse a condiciones tan complicadas, los biofilms bacterianos son notablemente resistentes y difíciles de erradicar.

Esta semana la revista Nature publica un estudio coordinado conjuntamente por los investigadores Jordi García-Ojalvo del departamento de Ciencias Experimentales y de la Salud (CEXS) de la Universitat Pompeu Fabra, y Gurol Suel de la Universidad de California en San Diego (EE.UU), que muestra cómo la extraordinaria resistencia de los biofilms es el resultado de la resolución de un conflicto social entre bacterias del interior y de la periferia de la comunidad bacteriana.

Como explica García-Ojalvo, “en situaciones de restricción de nutrientes, las bacterias situadas en la periferia consumen la mayoría de los recursos disponibles y con ello limitan enormemente los nutrientes que llegan al interior del biofilm. Por otra parte, el interior depende de la periferia para protegerse de los ataques externos, al igual que sucedía en las ciudades amuralladas en el pasado”.

Así pues, hay un conflicto entre protección del conjunto del biofilm y la viabilidad del interior del mismo. “Nuestro trabajo muestra, mediante una combinación muy estrecha de experimentos de microscopía time-lapse y modelos matemáticos, que la comunidad de bacterias resuelve este conflicto mediante paros cíclicos en el crecimiento del biofilm”, dice García-Ojalvo.

Un metabolito regula el ciclo de su crecimiento

Estas oscilaciones o paros cíclicos en el crecimiento del biofilm permiten a las células del interior obtener los nutrientes que necesitan, evitando ser ahogadas por las de la periferia. La viabilidad de las células de la periferia, al mismo tiempo, confiere a la biopelícula una gran resistencia a los ataques externos.

Para conseguir que el biofilm detenga su crecimiento periódicamente, las células del interior producen un metabolito esencial del que dependen las células de la periferia para poder proliferar.

Marçal Gabaldà Sagarra, coautor del trabajo y miembro del equipo de García Ojalvo en el CEXS, ha sido el responsable del desarrollo del modelo matemático del biofilm, y comenta: “Hemos visto que se establece una codependencia metabólica que da lugar a un comportamiento cíclico. Cuando el interior está tan estresado que deja de producir metabolito, las células de la periferia se ven obligadas a dejar de crecer. Es entonces que los nutrientes pueden llegar de nuevo en el interior y se vuelve a producir el metabolito, lo que permite de nuevo el crecimiento de la periferia, reiniciándose así el ciclo”.

García-Ojalvo añade: “Nuestro trabajo también sugiere el mecanismo para destruir el biofilm“. A pesar de lo que cabría esperar, esta estrategia se basa en favorecer el crecimiento continuado de la periferia que termina ahogando el interior. Una vez el interior del biofilm ha sido destruido, se puede actuar sobre la periferia con agentes tóxicos (antibióticos y sustancias químicas) para erradicarlo completamente.

La relevancia de este estudio radica en el conocimiento que aporta para poder diseñar estrategias para contrarrestar infecciones bacterianas en el cuerpo humano, y también para la desinfección de superficies afectadas por biopelículas. Estos resultados podrían ayudar también a entender el comportamiento de otras poblaciones celulares en crecimiento, como lo son los tumores cancerosos y los agregados de células madre embrionarias.

Referencia bibliográfica:

Jintao Liu, Arthur Prindle, Jacqueline Humphries, Marçal Gabalda-Sagarra, Munehiro Asally, Dong-yeon D. Lee, San Ly, Jordi García-Ojalvo, Gurol M. Suel (2015), “Metabolic codependence gives rise to collective oscilaciones within biofilms “, Nature, 22 de julio, DOI: 10.1038 / nature14660.

(UPF )

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