MADRID, 27 Mar. (EUROPA PRESS) -
Para aprovechar las bacterias para su uso en la medicina o la industria, o simplemente para entender mejor cómo se desarrollan y se propagan, resulta útil determinar la consistencia de sus acciones con el tiempo. Ahí es donde entra en juego la matemática: un equipo de científicos rastreó matemáticamente la batalla de dos ejércitos de bacterias del cólera por el sustento y el territorio para obtener información que podría, algún día, llevar a nuevas terapias dirigidas a combatir las infecciones.
Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia (Georgia Tech), en Atlanta, Estados Unidos, aplicaron a las bacterias las ecuaciones físicas existentes desarrolladas para describir con precisión las interacciones de átomos y moléculas y encontraron que esos cálculos podían predecir con precisión que dos ejércitos de bacterias del cólera se separarían el uno del otro en fases, como el aceite y el agua, cuando se encontraron en el campo de batalla.
"Los modelos predijeron exactamente cuándo ocurriría la separación de fases, y luego observamos que sucedió tal y como predijo la matemática", cuenta Brian Hammer, profesor asociado en la Escuela de Ciencias Biológicas de Georgia Tech, destacando en un artículo que se publica este lunes en 'Nature Communications', que las interacciones bacterianas resultaron ser casi tan calculables como las reacciones químicas.
Las bacterias del cólera se encuentran comúnmente en el agua pegadas a otros microbios en las cáscaras de cangrejos y al minúsculo krill, de forma que las personas que beben ese agua puede morir en horas por los vómitos severos y la diarrea que causan los gérmenes. El ímpetu por aplicar las matemáticas al duelo del cólera provenía de la forma en que se libra la guerra sobre las cáscaras de cangrejo, que contienen un material llamado quitina que activa una función similar a un arpón en 'Vibrio cholerae'.
"Estaba estudiando este asombroso sistema biológico --relata Hammer-- y estaba buscando una manera de visualizarlo". Will Ratcliff, profesor asistente, y Samuel Brown, profesor asociado, se asociaron con Peter Yunker, profesor asistente en la Escuela de Física de Georgia Tech para la investigación. Los dos primeros habían estado aplicando microscopía y matemáticas para estudiar la dinámica de la evolución de la levadura y sugirieron que Hammer pusiera el método a prueba.
La mayoría de los microbiólogos piensan que las bacterias del cólera usan unos apéndices similares a arpones para matar las bacterias contra las que compiten y no para destruir las células humanas. El arma venenosa se llama sistema de secreción tipo VI (T6SS), y es común. "Este sistema de arpón está en alrededor de un cuarto de las bacterias gram-negativas --describe Hammer--. Así que este duelo bacteriano está sucediendo a tu alrededor".
Las bacterias gram-negativas tienen paredes más delgadas, que pueden ser perforadas más fácilmente, mientras las bacterias gram-positivas presentan paredes más gruesas, menos susceptibles a los arpones, y las células humanas pueden ser aún más difíciles de penetrar. El mecanismo de apuñalamiento no se limita a patógenos como el cólera, sino que muchas bacterias inofensivas también lo utilizan; pero se sabe más sobre el mecanismo en los patógenos porque las bacterias dañinas son más a menudo el foco de estudios científicos que las inofensivas, según Hammer.
MATAN A BACTERIAS ENEMIGAS PERO NO A LAS DE SU MISMA CEPA
El arpón del cólera apuñala aleatoriamente todas las bacterias que entran en contacto con él, incluyendo otras bacterias, pero las 'Vibrio cholerae' de la misma cepa son inmunes a las puñaladas del otro, lo que revela que matan a sus enemigos, pero no a su propia clase. El asesinato también parece ir de la mano con el comportamiento social cooperativo: los investigadores descubrieron que las bacterias que son buenas matando juntas también son buenas a la hora de compartir y construir una comunidad.
Comienzan con la creación de un conjunto común de alimentos. "Las bacterias hacen mucha de su digestión fuera de sus células --explica Hammer--. Pero tener todo ese alimento tirado alrededor es arriesgado. Necesitan una estrategia para asegurarse de que todo el esfuerzo de masticar y digerir los alimentos les beneficie a ellas y a sus familiares y no a otras que les saqueen". Cuando una cepa de bacterias mata a los invasores, preserva los frutos de su trabajo y se multiplica, transmitiendo sus genes.
El investigador postdoctoral de la Universidad de Brown, en Estados Unidos, Luke McNally, también autor de este trabajo, examinó los genomas de muchos tipos de bacterias (además del cólera) que usan arpones venenosos. Algunas cepas tenían seis o siete arpones y algunos arpones presentaban múltiples venenos y parecía haber una correlación entre las armas y la cooperación. "Descubrimos que cuanto más armamento tenía una cepa bacteriana en su genoma, más parecía que fuera apta para compartir", destaca Hammer.
Bajo el microscopio, las cepas de bacterias que luchaban parecían un poco como gotas de aceite y agua separándose en una superficie plana. Los investigadores las mancharon de dos colores diferentes, rojo y azul, para que pudieran distinguirse. "Empezamos con dos variedades bien mezcladas --cuenta Hammer--. En broma llamamos a esto el modelo de ensalada, porque agitas el aceite y el agua, y se mezclan bien mezclados, y lo dejas reposar, y se separan".
Cuando están bien mezcladas, las dos cepas de cólera aparecen como una masa púrpura, pero al pelearse unas con otras y conquistar territorios separados, se dividen en manchas rojas y manchas azules. Existen diferencias significativas entre el funcionamiento de los sistemas químicos y los sistemas vivos. Por ejemplo, las bacterias también se reproducen y se multiplican y las moléculas no, pero la matemática básica que funciona para los materiales, también funcionó para las bacterias.
"El tipo de curva que observamos describiendo nuestros resultados nunca había sido utilizado para describir sistemas vivos antes --subraya Hammer--. Empíricamente, se ha utilizado para describir metales que sufren separación de fases". Los modelos predictivos basados en la fórmula, denominados ecuaciones del "Modelo A", resultaron ser extremadamente precisos. "Las simulaciones matemáticas se superponen casi perfectamente con los datos observados", afirma Hammer.
"En el intestino, muchas bacterias útiles son grampositivas, pero puede haber un pequeño número de bacterias gram-negativas estropeando la comunidad intestinal, y tal vez, bacterias diseñadas con armas como arpones podrían deshacerse sólo de las gram-negativas", plantea Hammer como posible aplicación futura de este trabajo. Además, un material externo como la quitina, que cambia la función del arpón en las bacterias del cólera, podría administrarse junto con bacterias asesinas para activar su armamento, y luego desactivarlo cuando la quitina desaparece.
