Bacterias: ¡Cristalizando la vida!

Las bacterias E.coli densas tienen varias cualidades similares al vidrio coloidal, según una nueva investigación de la Universidad de Tokio. Los coloides son sustancias compuestas de pequeñas partículas suspendidas en un fluido, como la tinta, por ejemplo. Cuando estas partículas se vuelven más densas y más compactas, forman un “estado vítreo”. Cuando los investigadores multiplicaron las bacterias E.coli dentro de un área confinada, descubrieron que exhibían características similares. Más sorprendentemente, también mostraron algunas otras propiedades únicas que normalmente no se encuentran en los materiales en estado vítreo. Este estudio contribuye a nuestra comprensión de la “materia activa” vítrea, un campo relativamente nuevo de la investigación de materiales que cruza la física y las ciencias de la vida. A largo plazo, los investigadores esperan que estos resultados contribuyan al desarrollo de materiales con nuevas capacidades funcionales, además de ayudar a comprender las biopelículas (donde los microorganismos se adhieren para formar capas en las superficies) y las colonias bacterianas naturales.

¿Qué tienen en común la mantequilla, el jabón y la tinta? Ciertamente no todos saben bien, pero son todos tipos de coloides, sustancias hechas de partículas suspendidas en un fluido. Cuando la concentración de partículas es baja, la sustancia será más líquida, y cuando es alta, se vuelve más sólida (piense en un tintero seco). Cuando esto sucede, la sustancia entra en un estado vítreo, por el cual el movimiento de las partículas se restringe. Sin embargo, aunque pueda sentirse duro, a diferencia de otros sólidos, las partículas no forman patrones fijos sino que se mezclan al azar. Esto es similar a la estructura molecular del vidrio. 

Los investigadores ahora han descubierto que la bacteria E. Coli puede comportarse de manera similar. “Dado que las bacterias son muy diferentes de lo que conocemos como vidrio, fue sorprendente que muchas de las propiedades estadísticas de los materiales vítreos fueran las mismas para las bacterias”, dijo el profesor asociado Kazumasa Takeuchi del Departamento de Física de la Escuela de Graduados de Ciencias. “Sin embargo, la mayor sorpresa para nosotros fue que un análisis en profundidad reveló no solo una similitud con las propiedades estándar del vidrio, sino también otras propiedades más allá de eso. Nuestros resultados exigen una extensión de nuestra comprensión actual de la física del vidrio”.

Takeuchi se inspiró para llevar a cabo el experimento después de observar el comportamiento de las bacterias en un estudio diferente hace más de 10 años. En ese momento, vio que cuando una población de bacterias se volvía muy densa, dejaba de moverse abruptamente y quería entender por qué.

El principal desafío era crear un entorno en el que las bacterias pudieran prosperar y multiplicarse por igual para formar una población densa. Para lograrlo, el equipo utilizó un dispositivo que habían desarrollado previamente, que les permitió distribuir los nutrientes de manera uniforme a través de una membrana porosa a todas las bacterias. Luego, los investigadores observaron las bacterias mediante un microscopio durante 5-6 horas.

A medida que aumentó el número de E.coli, quedaron encerradas por sus vecinas, lo que restringió su capacidad de nadar libremente. Con el tiempo, hicieron la transición a un estado vítreo. Esta transición es similar a la formación de vidrio, ya que los investigadores observaron una rápida desaceleración del movimiento, el efecto de enjaulamiento y la heterogeneidad dinámica (por la cual las moléculas viajan distancias más largas en algunas áreas pero apenas se mueven en otras). 

Lo que hizo que este vidrio bacteriano fuera diferente a otras sustancias vítreas fue la formación espontánea de “microdominios” y el movimiento colectivo de las bacterias dentro de estas áreas. Estos ocurrieron donde grupos de E.coli en forma de bastón se alinearon de la misma manera. Los investigadores también se sorprendieron de que la forma en que las bacterias se vitrifican (se convierten en un estado similar al vidrio) aparentemente viola una ley física de los sistemas térmicos típicos. Lo que conocemos característicamente como vidrio, incluido el vidrio coloidal, se clasifica como vidrio térmico. Sin embargo, recientemente los investigadores han comenzado a explorar los estados vítreos, como el que se informa en este artículo, que no se consideran vidrio térmico pero comparten muchas de las mismas propiedades. 

“Las colecciones de ‘partículas autopropulsadas’ como las que vemos aquí se han considerado recientemente como un nuevo tipo de material llamado materia activa, que actualmente es un tema candente y muestra un gran potencial”, explicó Takeuchi. “Nuestros resultados sobre el vidrio bacteriano están en línea con esta línea de investigación, extendiendo este concepto al ámbito de los materiales vítreos. A largo plazo, nuestros resultados podrían contribuir al desarrollo de nuevos materiales con algunas funciones que son imposibles con los materiales ordinarios”.

A continuación, el equipo quiere explorar cómo se desarrolla este fenómeno con otras especies diversas de bacterias en diferentes entornos. La investigación en curso ha demostrado hasta ahora que hay diferentes formas en que las células pueden agruparse. Takeuchi dijo: “Nuestros resultados indican que las bacterias densas pueden cambiar drásticamente su movilidad y propiedades mecánicas a nivel de población, con un pequeño cambio en la densidad celular. Esta información podría usarse para regular o controlar la formación densa de bacterias en el futuro. A través de nuestro trabajo, esperamos hacer conexiones más profundas y amplias entre la física estadística y la ciencia de la vida”.

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Artículo

Hisay Lama, Masahiro J. Yamamoto, Yujiro Furuta, Takuro Shimaya, y Kazumasa A. Takeuchi. Emergencia del vidrio bacteriano. PNAS Nexus. 11 de julio de 2024. DOI: 10.1093/pnasnexus/pgae238

Financiación

Esta investigación fue apoyada en parte por KAKENHI de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (números de subvención JP16H04033, JP19H05800, JP20H00128, JP21K20350, JP24K00593), por el Programa Core-to-Core “Red avanzada de núcleo a núcleo para la física de la materia activa autoorganizada (JPJSCCA20230002), y por el programa “Sembrando semillas para la investigación” y el Premio Suematsu del Instituto Tecnológico de Tokio.

Conflictos de interés

Ninguno.

Enlaces útiles

Escuela de Graduados de Ciencias: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/en/index.html 

Departamento de Física: https://www.phys.s.u-tokyo.ac.jp/en/ 

Contactos de investigación

Profesor asociado Kazumasa Takeuchi 

Departamento de Física

Escuela de Graduados de Ciencias, 

Universidad de Tokio, 7-3-1 Hongo, 

Bunkyo-ku, Tokio, 113-0033, Japón 

Correo electrónico: takeuchi@phys.s.u-tokyo.ac.jp

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