Una biopelícula de bacterias, con los bordes oscilantes (las líneas del contorno). Imagen: Laboratorio de Suel. Fuente: UC San Diego.
Lejos de ser organismos egoístas cuyo único objetivo es maximizar su propia reproducción, las bacterias en grandes comunidades trabajan por el bien común resolviendo conflicto sociales entre los individuos para mejorar la supervivencia de toda su comunidad.
Resulta que, al igual que las sociedades humanas, las comunidades bacterianas se benefician cuando pueden equilibrar las necesidades opuestas dentro del grupo.
El descubrimiento de este comportamiento inusual entre bacterias en comunidades grandes, se detalla en un artículo publicado en línea en Nature, no proviene de ningún altruismo inherente entre las bacterias. En cambio, "emerge" espontáneamente de la comunidad en la que crecen.
"Es un ejemplo de lo que llamamos "fenómenos emergentes", explica Gürol Süel, profesor de biología molecular en la Universidad de California en San Diego (EE.UU.), que encabezó la investigación. "Fenómenos emergentes son procesos que no se pueden observar o entender estudiando individuos. Sólo se puede entender el proceso si nos fijamos en el colectivo", explica en la información de la universidad.
Süel y sus colegas observaron este fenómeno inusual mientras medían cuidadosamente el crecimiento de una comunidad microbiana llamada "biopelícula". Tales comunidades de bacterias y otros microorganismos forman estructuras finas en las superficies, tales como el sarro que se desarrolla en los dientes, que son altamente resistentes a los productos químicos y antibióticos.
Los biólogos de la UC San Diego descubrieron que cuando la comunidad del biofilme alcanza un cierto tamaño, de repente comienza a oscilar en su crecimiento. Al complementar sus experimentos con modelos matemáticos, los investigadores descubrieron que estas oscilaciones resuelven un conflicto social entre las células individuales que estaban cooperando, pero también tenían que competir por los alimentos.
La razón de que estas biopelículas sean tan resistentes es que los individuos de la comunidad logran resolver este conflicto interno a través de la coordinación de sus actividades en el espacio y el tiempo.
"Los científicos han estado tratando durante mucho tiempo de encontrar la manera de matar a estos biofilmes", dice Süel. "También nos quedamos sorprendidos por la capacidad de recuperación de estos biofilmes hasta que nos dimos cuenta de que la capacidad de resolver los conflictos que surgen de forma natural dentro de las comunidades bacterianas puede desempeñar un papel importante."
Conflicto
El conflicto es esencialmente esto: Las bacterias de los bordes exteriores de la biopelícula son las más vulnerables dentro de su comunidad a los ataques químicos y antibióticos. Al mismo tiempo, también proporcionan protección a las células interiores. Pero las bacterias del borde exterior están más cerca de los nutrientes necesarios para el crecimiento. Así que si crecen sin control, pueden consumir todos los alimentos y matar de hambre a las células interiores protegidas.
Pero eso no sucede, porque la biopelícula se desarrolla una ingeniosa solución a este problema que los científicos llaman "codependencia metabólica." En esencia, las células interiores producen un metabolito necesario para el crecimiento de las bacterias en el exterior. Esto proporciona a las células internas la capacidad de poner periódicamente freno al crecimiento de las externas, que de otra manera consumirían toda la comida y harían morir de hambre a las células a las que están protegiendo.
Al impedir periódicamente el crecimiento de la periferia, las células internas se aseguran de que tienen suficiente acceso a los nutrientes. Al mantener las células internas protegidas con vida, el biofilme tiene una probabilidad mucho mayor de sobrevivir el tratamiento con antibióticos.
Esta estrategia permite que las bacterias con necesidades en conflicto se turnen, como conductores que se aproximan a una intersección de diferentes direcciones. En muchos sentidos, el conflicto social interno dentro de las comunidades bacterianas no es diferente a los conflictos que los grupos opuestos de los individuos deben resolver a fin de mantener las naciones o comunidades.
Resulta que, al igual que las sociedades humanas, las comunidades bacterianas se benefician cuando pueden equilibrar las necesidades opuestas dentro del grupo.
El descubrimiento de este comportamiento inusual entre bacterias en comunidades grandes, se detalla en un artículo publicado en línea en Nature, no proviene de ningún altruismo inherente entre las bacterias. En cambio, "emerge" espontáneamente de la comunidad en la que crecen.
"Es un ejemplo de lo que llamamos "fenómenos emergentes", explica Gürol Süel, profesor de biología molecular en la Universidad de California en San Diego (EE.UU.), que encabezó la investigación. "Fenómenos emergentes son procesos que no se pueden observar o entender estudiando individuos. Sólo se puede entender el proceso si nos fijamos en el colectivo", explica en la información de la universidad.
Süel y sus colegas observaron este fenómeno inusual mientras medían cuidadosamente el crecimiento de una comunidad microbiana llamada "biopelícula". Tales comunidades de bacterias y otros microorganismos forman estructuras finas en las superficies, tales como el sarro que se desarrolla en los dientes, que son altamente resistentes a los productos químicos y antibióticos.
Los biólogos de la UC San Diego descubrieron que cuando la comunidad del biofilme alcanza un cierto tamaño, de repente comienza a oscilar en su crecimiento. Al complementar sus experimentos con modelos matemáticos, los investigadores descubrieron que estas oscilaciones resuelven un conflicto social entre las células individuales que estaban cooperando, pero también tenían que competir por los alimentos.
La razón de que estas biopelículas sean tan resistentes es que los individuos de la comunidad logran resolver este conflicto interno a través de la coordinación de sus actividades en el espacio y el tiempo.
"Los científicos han estado tratando durante mucho tiempo de encontrar la manera de matar a estos biofilmes", dice Süel. "También nos quedamos sorprendidos por la capacidad de recuperación de estos biofilmes hasta que nos dimos cuenta de que la capacidad de resolver los conflictos que surgen de forma natural dentro de las comunidades bacterianas puede desempeñar un papel importante."
Conflicto
El conflicto es esencialmente esto: Las bacterias de los bordes exteriores de la biopelícula son las más vulnerables dentro de su comunidad a los ataques químicos y antibióticos. Al mismo tiempo, también proporcionan protección a las células interiores. Pero las bacterias del borde exterior están más cerca de los nutrientes necesarios para el crecimiento. Así que si crecen sin control, pueden consumir todos los alimentos y matar de hambre a las células interiores protegidas.
Pero eso no sucede, porque la biopelícula se desarrolla una ingeniosa solución a este problema que los científicos llaman "codependencia metabólica." En esencia, las células interiores producen un metabolito necesario para el crecimiento de las bacterias en el exterior. Esto proporciona a las células internas la capacidad de poner periódicamente freno al crecimiento de las externas, que de otra manera consumirían toda la comida y harían morir de hambre a las células a las que están protegiendo.
Al impedir periódicamente el crecimiento de la periferia, las células internas se aseguran de que tienen suficiente acceso a los nutrientes. Al mantener las células internas protegidas con vida, el biofilme tiene una probabilidad mucho mayor de sobrevivir el tratamiento con antibióticos.
Esta estrategia permite que las bacterias con necesidades en conflicto se turnen, como conductores que se aproximan a una intersección de diferentes direcciones. En muchos sentidos, el conflicto social interno dentro de las comunidades bacterianas no es diferente a los conflictos que los grupos opuestos de los individuos deben resolver a fin de mantener las naciones o comunidades.
Comunicación química
"Aquí tenemos bacterias simples que son genéticamente idénticas", agrega Süel, "y sin embargo, en el proceso de formación de una comunidad, desarrollan áreas distintas, como un castillo medieval con muros de protección comandado por soldados que pueden brindar protección a las familias campesinas para garantizar la supervivencia de su clan".
Las bacterias, sigue, "no son "conscientes" de esta división del trabajo, ninguna de las bacterias están haciendo nada conscientemente. Es algo que simplemente surge de la complejidad de un sistema con interacciones sociales".
Süel y sus colegas, que trabajan en una disciplina emergente de la biología que emplea las matemáticas y la física llamada "biología cuantitativa", se centraron en el desarrollo de nuevos métodos para medir y modelar matemáticamente sistemas biológicos.
"Hemos desarrollado nuevas técnicas para medir con precisión el crecimiento de biopelículas, y luego hemos perturbado cuantitativamente el sistema", dice Süel. "Y lo que encontramos fue que la vía metabólica en cuestión pudo haber sido seleccionada para este proceso por la evolución porque se trata de una pequeña molécula, amonio, que puede difundirse, es decir, puede entrar y salir de la célula de forma rápida y puede ser compartida entre las bacterias".
Las bacterias esencialmente se lanzan señales unas a otras con este metabolito de amonio, lo que les permite comunicarse químicamente entre sí a distancias muy largas.
Patente
Debido a que el descubrimiento ofrece una nueva manera de controlar el crecimiento de biopelículas mediante la eliminación de la co-dependencia de las bacterias interiores y exteriores, haciéndolas egoístas en lugar de altruistas, la UC San Diego ha presentado una solicitud de patente para licenciar el descubrimiento.
El descubrimiento podría aplicarse para remediar enfermedades provocadas por biopelículas, como las infecciones de los hospitales, señalan los autores.
Además, "el conflicto social estudiado es directamente aplicable a los conflictos que surgen en las sociedades humanas", añade Süel. "Todos nos enfrentamos al dilema social donde el apoyo a los demás, incluso a nuestros competidores, en última instancia puede hacer nuestra sociedad más fuerte. Podemos ser capaces de aprender más acerca de cómo resolver nuestros propios conflictos sociales mediante el estudio de las sociedades bacterianas".
"Aquí tenemos bacterias simples que son genéticamente idénticas", agrega Süel, "y sin embargo, en el proceso de formación de una comunidad, desarrollan áreas distintas, como un castillo medieval con muros de protección comandado por soldados que pueden brindar protección a las familias campesinas para garantizar la supervivencia de su clan".
Las bacterias, sigue, "no son "conscientes" de esta división del trabajo, ninguna de las bacterias están haciendo nada conscientemente. Es algo que simplemente surge de la complejidad de un sistema con interacciones sociales".
Süel y sus colegas, que trabajan en una disciplina emergente de la biología que emplea las matemáticas y la física llamada "biología cuantitativa", se centraron en el desarrollo de nuevos métodos para medir y modelar matemáticamente sistemas biológicos.
"Hemos desarrollado nuevas técnicas para medir con precisión el crecimiento de biopelículas, y luego hemos perturbado cuantitativamente el sistema", dice Süel. "Y lo que encontramos fue que la vía metabólica en cuestión pudo haber sido seleccionada para este proceso por la evolución porque se trata de una pequeña molécula, amonio, que puede difundirse, es decir, puede entrar y salir de la célula de forma rápida y puede ser compartida entre las bacterias".
Las bacterias esencialmente se lanzan señales unas a otras con este metabolito de amonio, lo que les permite comunicarse químicamente entre sí a distancias muy largas.
Patente
Debido a que el descubrimiento ofrece una nueva manera de controlar el crecimiento de biopelículas mediante la eliminación de la co-dependencia de las bacterias interiores y exteriores, haciéndolas egoístas en lugar de altruistas, la UC San Diego ha presentado una solicitud de patente para licenciar el descubrimiento.
El descubrimiento podría aplicarse para remediar enfermedades provocadas por biopelículas, como las infecciones de los hospitales, señalan los autores.
Además, "el conflicto social estudiado es directamente aplicable a los conflictos que surgen en las sociedades humanas", añade Süel. "Todos nos enfrentamos al dilema social donde el apoyo a los demás, incluso a nuestros competidores, en última instancia puede hacer nuestra sociedad más fuerte. Podemos ser capaces de aprender más acerca de cómo resolver nuestros propios conflictos sociales mediante el estudio de las sociedades bacterianas".
Referencia bibliográfica:
Jintao Liu, Arthur Prindle, Jacqueline Humphries, Marçal Gabalda-Sagarra, Munehiro Asally, Dong-yeon D. Lee, San Ly, Jordi Garcia-Ojalvo, Gürol M. Süel: Metabolic co-dependence gives rise to collective oscillations within biofilms. Nature (2015). DOI: 10.1038/nature14660.
Jintao Liu, Arthur Prindle, Jacqueline Humphries, Marçal Gabalda-Sagarra, Munehiro Asally, Dong-yeon D. Lee, San Ly, Jordi Garcia-Ojalvo, Gürol M. Süel: Metabolic co-dependence gives rise to collective oscillations within biofilms. Nature (2015). DOI: 10.1038/nature14660.