Para colonizar diferentes entornos, las bacterias afinan sus nanomotores

Durante sus 3.500 millones de años en la Tierra, las bacterias han perfeccionado el arte de colonizar todo tipo de hábitats, desde el revestimiento interno del tracto digestivo hasta las abrasadoras aguas de los géiseres. Pero en su búsqueda por el dominio global, las bacterias enfrentan un problema crítico a medida que se mueven a través de varios entornos, preservando su dispositivo de navegación.

En un nuevo estudio publicado en la revista Comunicación de la naturaleza, investigadores de la Universidad de Texas A&M han descubierto que los apéndices que controlan la navegación bacteriana, llamados flagelos, se adaptan con mucha precisión a los cambios en la viscosidad del fluido. Esta adaptación permite que las bacterias sigan usando sus flagelos para buscar nutrientes, detectar superficies y establecer colonias en diferentes hábitats.

«Existe un interés significativo en los campos biomédicos para comprender cómo las células bacterianas individuales pasan de una existencia solitaria a un estilo de vida comunitario», dijo el Dr. Pushkar Lele, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Química Artie McFerrin. «Para responder a esta pregunta, estamos estudiando el papel del flagelo como centro de respuesta cuando una bacteria se encuentra con diferentes tipos de entornos».

Para navegar hacia los nutrientes, las bacterias utilizan la quimiotaxis, un proceso mediante el cual detectan sustancias químicas y nadan en la dirección de concentraciones crecientes o decrecientes. El papel del flagelo en la navegación es conocido: cambia reversiblemente entre rotación en sentido horario y antihorario para facilitar la quimiotaxis. La rotación flagelar es impulsada por unidades de estator interno, similar en concepto al estator que hace girar el rotor en un sistema eléctrico motor un ventilador de techo.

Pero la evidencia más reciente sugiere que el flagelo también juega un papel en la detección de cambios en la mecánica de la célula. medio ambiente-un proceso llamado mecanodetección. Por lo tanto, si la bacteria encuentra un aumento en la resistencia a la rotación de sus flagelos, esto se sentiría como un aumento en la viscosidad del medio.

En respuesta, el motor flagelar recluta unidades de estator adicionales para compensar desarrollando más potencia. Sin embargo, la investigación también ha demostrado que tal aumento en la resistencia evita que el flagelo cambie la dirección de rotación, lo que podría hacer que la maquinaria de quimiotaxis no funcione.

«Este avistamiento planteó un enigma», dijo Lele. «Es poco probable que la quimiotaxis se limite a un tipo de ambiente viscoso. Así que nos preguntamos si hubo alguna adaptación dentro del motor flagelar que restauró la conmutación direccional y, por extensión, la quimiotaxis en varios ambientes viscosos».

Para sus experimentos, los investigadores eligieron una cepa de E. coli con una proteína de quimiotaxis marcada con fluorescencia, CheY-P, que se une al motor flagelar para iniciar el cambio flagelar. Los investigadores aplicaron resistencia al motor y luego observaron el nivel de fluorescencia utilizando microscopios de alta potencia. Descubrieron que la fluorescencia cayó por debajo de la línea de base cuando eliminaron las proteínas del estator utilizando técnicas genéticas.

En comparación, el nivel de fluorescencia permaneció en la línea de base ya que los estatores proporcionaron continuamente par para hacer funcionar el motor. Esto sugirió que la presencia de las unidades de estator favorecía la unión de CheY-P al motor.

Con base en estas observaciones, el equipo planteó la hipótesis de que en entornos de alta viscosidad, el aumento del par mecánico proporcionado por el estator unidades aumenta la unión de CheY-P al motor, manteniendo así la homeostasis en la función de conmutación del flagelo.

Lele señaló que este fenómeno de afinar el estado interno para adaptarse a cargas mecánicas cambiantes se asemeja aproximadamente a la adaptación propioceptiva, mediante la cual los organismos dotados de una sistema nervioso intuición constante de su posición y velocidad para efectuar cambios adaptativos con el fin de lograr la homeostasis o un estado fisiológico estable. Por ejemplo, los sistemas musculoesqueléticos de los insectos se adaptan y ajustan internamente a diferentes cargas en sus extremidades para mantener su postura y agarre cuando caminan por el suelo o el techo.

«La homeostasis en el cambio flagelar parece ayudar a las bacterias móviles a formar enjambres y colonizar diferentes ambientes», dijo Lele. “Explicar la base del vínculo observado entre la mecanodetección y la quimiotaxis será importante para prevenir la colonización bacteriana, las infecciones y la resistencia a los antibióticos en el futuro. »