Los investigadores de Princeton han revelado por primera vez la mecánica de cómo las bacterias acumulan masas viscosas, llamadas biofilms, célula por célula. Cuando están encerradas en biofilms en el cuerpo humano, las bacterias son mil veces menos susceptibles a los antibióticos, produciendo ciertas infecciones,como neumonía, difícil de tratar y potencialmente letal.
En un estudio publicado el 6 de septiembre en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias , ingenieros y biólogos de la Universidad de Princeton rastrearon una sola célula bacteriana a medida que se convirtió en una biopelícula madura de 10,000 células con una arquitectura ordenada. Los hallazgos deberían ayudar a los científicos a aprender más sobre el comportamiento bacteriano y abrir nuevas formas de atacar las biopelículas con drogas.
"Nadie se asomó dentro de una biopelícula viva y vio cómo se desarrollaba célula por célula", dijo Bonnie Bassler, autora principal del artículo y profesora de Squibb en Biología Molecular en Princeton, así como investigadora del Instituto Médico Howard Hughes ".Con este documento, ahora podemos entender por primera vez cómo las comunidades de bacterias forman una biopelícula ".
El descubrimiento se hizo posible gracias a un método especial de microscopía creado por primera vez en Princeton por un ex asociado de investigación postdoctoral, Knut Drescher, que permitió la obtención de imágenes de células individuales, permitiendo a los investigadores seguir una biopelícula incipiente en tiempo real.
"Hemos utilizado una técnica de vanguardia para ver el núcleo de una biopelícula viva y en crecimiento", dijo Jing Yan, asociado de investigación postdoctoral, autor principal del nuevo estudio. Junto con la membresía en el laboratorio de Bassler, Yanpertenece al grupo de fluidos complejos dirigido por el coautor principal del estudio Howard Stone, el profesor Donald R. Dixon '69 y Elizabeth W. Dixon de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial en Princeton. Yan es asesorado por el autor principal del artículo Ned Wingreen, el HowardA. Profesor anterior de Ciencias de la Vida y director interino del Instituto Lewis-Sigler de Genómica Integrativa de Princeton.
"La investigación que produjo este documento se encuentra en la frontera entre la ciencia de los materiales, la ingeniería, la física y la biología y representa una colaboración fantástica en toda la Universidad de Princeton", dijo Bassler.
Junto con Yan, Bassler, Stone y Wingreen, un quinto coautor del artículo es Andrew Sharo, ex estudiante universitario del Departamento de Física de Princeton y ahora en la Universidad de California-Berkeley.
Los investigadores eligieron Vibrio cholerae por su modelo de organismo de biofilm debido a su larga historia de estudio y amenaza para la salud humana, que causa la enfermedad diarreica del cólera. Una bacteria curva, en forma de bastón V. cholerae vive como una celda de natación libre en agua salobre o agua salada. Cuándo V. cholerae cuando entra en contacto con una partícula alimenticia, quizás en la cáscara de un cangrejo o un camarón, o una célula intestinal humana durante la enfermedad, la bacteria se adhiere y comienza a reproducirse. Los miembros de la colonia en expansión secretan una sustancia similar al pegamento para evitarlavarse y protegerse de las bacterias competidoras.
Los esfuerzos anteriores para profundizar en cómo interactúan las células en una biopelícula floreciente habían fallado debido a una resolución óptica insuficiente; básicamente, lo que una célula estaba haciendo en la masa opaca no podía distinguirse de sus vecinos.
Los investigadores de Princeton superaron este problema de varias maneras. Primero, modificaron genéticamente la cepa bacteriana para que las células produjeran proteínas que brillan intensamente cuando se iluminan con colores de luz específicos. Las proteínas seleccionadas ofrecen la fluorescencia más brillante disponible, haciendo que cada célula sea más fácil de detectar.seleccione, mientras reduce la intensidad de la luz potencialmente dañina para las células requerida para el experimento.
El equipo luego utilizó un microscopio confocal, un dispositivo que se enfoca en una sola porción de una muestra desde una cierta distancia. Al hacer cientos de tales observaciones, las imágenes se pueden apilar juntas para crear una imagen tridimensional de la muestra completa."Es como mirar profundamente en el interior de una biopelícula sin tener que abrirla", dijo Yan.
Otro impulso para el equipo de investigación provino de algoritmos informáticos desarrollados originalmente para campos como la ciencia de los materiales. Los algoritmos diferenciaron fuentes de luz agrupadas estrechamente, en este caso las muchas agrupadas V. cholerae células en una biopelícula espesante.
Lo que el equipo de Princeton vio fue notable. Al principio, la colonia bacteriana se expandió horizontalmente en la superficie dada en el experimento. A medida que cada célula se dividía, las células hijas resultantes se unían firmemente a la superficie junto con sus células progenitoras.Sin embargo, las bacterias de la descendencia, las células en el corazón de la colonia en expansión se vieron obligadas a separarse de la superficie y apuntar verticalmente. La colonia bacteriana pasó de una masa plana y bidimensional a una masa tridimensional en expansión, todo unido pormugre en la biopelícula en desarrollo.
El equipo de Princeton profundizó un poco más en la genética detrás de este comportamiento celular. Un solo gen, denominado RbmA, es clave para el comportamiento en el que las nuevas células se conectan de tal manera que desarrollen una biopelícula tridimensional. Cuando los investigadores desactivarongen, se formó una biopelícula grande, difusa y flexible. Sin embargo, cuando RbmA se desempeñó de manera normal, se produjo una biopelícula más densa y más fuerte a medida que las células permanecieron unidas entre sí.que podría ser el objetivo de una intervención terapéutica.
El trabajo en curso ahora mide las fuerzas físicas experimentadas por las células que se elevan en el centro de la biopelícula para que la mecánica general pueda resolverse con precisión. "Actualmente estamos tratando de desarrollar un modelo matemático sobre cómo la colonia bacteriana crece en el tiempo y cómo el espaciolas características están vinculadas a las características mecánicas típicas de la biopelícula ", dijo Stone.
Los investigadores también planean aplicar su nueva técnica de microscopía para investigar otras bacterias formadoras de biopelículas detrás de la enfermedad humana. Un ejemplo: Pseudomonas aeruginosa , la principal causa de infecciones pulmonares mortales para personas con fibrosis quística. Otro patógeno es Staphylococcus aureus , comúnmente llamado estafilococo. Curiosamente, la mecánica de cómo estas dos bacterias producen biopelículas debería diferir de V. cholerae . Aunque P. aeruginosa las celdas tienen forma de barra V. cholerae , tienen protuberancias que los ayudan a gatear sobre las superficies. Mientras tanto, las células de estafilococos son esféricas, por lo que no pueden conectarse por sus polos.
Las técnicas que Yan y sus colegas fueron pioneros podrían ayudar a los investigadores médicos a aprender sobre la efectividad de los medicamentos con miembros genéticamente diferentes de la misma biopelícula bacteriana y con biopelículas de varias arquitecturas. El trabajo futuro podría sugerir formas de descomponer mejor la película protectora para que los antibióticos puedan ser completamentepenetrar y eliminar los gérmenes que causan enfermedades.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Princeton, Escuela de Ingeniería . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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