En las comunidades microbianas naturales, las diferentes especies bacterianas a menudo intercambian nutrientes liberando aminoácidos y vitaminas en su entorno de crecimiento, alimentando así a otras células bacterianas. Aunque los nutrientes liberados son energéticamente costosos de producir, las bacterias se benefician de los nutrientes que proporcionan sus socios bacterianosPor lo tanto, este proceso es un intercambio cooperativo de metabolitos. Los científicos del Instituto Max Planck de Ecología Química y la Universidad Friedrich Schiller en Jena han demostrado que las bacterias, que no contribuyen activamente a la producción de metabolitos, pueden ser excluidas de los beneficios cooperativos.El equipo de investigación demostró que las interacciones cooperativas de alimentación cruzada que crecen en superficies bidimensionales están protegidas de ser explotadas por bacterias oportunistas que no cooperan. En estas condiciones, las bacterias que no cooperan están espacialmente excluidas de los aminoácidos intercambiados.efecto probablemente estabiliza cooperativo cross-feeding interacciones a largo plazo. El Diario ISME diciembre de 2015
El Grupo de Investigación "Ecología y Evolución Experimental" encabezado por el Dr. Christian Kost está investigando cómo han evolucionado las interacciones cooperativas entre organismos. En este contexto, los científicos estudian un tipo especial de división del trabajo que es muy común en la naturaleza, a saber, elintercambio recíproco de nutrientes entre bacterias unicelulares. Para estos pequeños organismos a menudo es ventajoso dividir el trabajo de ciertos procesos metabólicos en lugar de realizar todas las funciones bioquímicas de manera autónoma. Las bacterias que participan en este intercambio cooperativo de nutrientes pueden ahorrar una cantidad significativa de energía.
De hecho, en un estudio anterior, los investigadores ya pudieron demostrar que esta división del trabajo metabólico puede afectar positivamente el crecimiento bacteriano. En el nuevo estudio, abordaron la cuestión de cómo pueden persistir tales interacciones cooperativas si las bacterias que no cooperan consumenaminoácidos sin proporcionar nutrientes a cambio. La desventaja evolutiva que resulta para las células cooperativas podría conducir a un colapso de la interacción de alimentación cruzada.
Para verificar experimentalmente esta posibilidad, los científicos han monitoreado los cocultivos de bacterias cooperantes y no cooperantes. Para esto, diseñaron genéticamente "cooperadores" de dos especies bacterianas que liberaron mayores cantidades de ciertos aminoácidos en su ambiente ".De hecho, los no cooperadores crecieron mejor que los cooperadores en un medio líquido bien mezclado, porque en estas condiciones, tenían un acceso irrestricto a los aminoácidos en el medio. Sin embargo, su crecimiento se redujo considerablemente cuando se coloca en unsuperficie bidimensional ", dijo Kost, resumiendo los resultados de los experimentos. Un análisis más detallado reveló que las bacterias que no cooperan solo pueden existir en la periferia de las colonias que consisten en bacterias cooperantes.
Para su estudio, los científicos combinaron diferentes métodos y técnicas. La base formó un nuevo enfoque de investigación llamado "ecología sintética", en el que ciertas mutaciones se introducen racionalmente en los genomas bacterianos. Los mutantes bacterianos resultantes se cultivan conjuntamente y sus interacciones ecológicasParalelamente, los colegas de la Universidad Friedrich Schiller del Departamento de Bioinformática desarrollaron modelos informáticos para simular estas interacciones. Finalmente, los análisis químicos que utilizan imágenes de espectrometría de masas fueron fundamentales para visualizar los metabolitos bacterianos. Solo la combinación de métodos microbiológicos con análisis químico-analítico.los enfoques y las simulaciones por computadora permitieron a los científicos comprender y dilucidar este fenómeno.
"El hecho de que un principio tan simple pueda estabilizar efectivamente una interacción tan compleja sugiere que fenómenos similares pueden desempeñar un papel importante en las comunidades bacterianas naturales", afirma Christian Kost. Después de todo, las bacterias se producen predominantemente en las llamadas biopelículas, estas soncapas de limo adheridas a la superficie que consisten en muchas especies bacterianas. Los ejemplos conocidos incluyen bacterias que causan placa dental o comunidades bacterianas que se usan en plantas de tratamiento de aguas residuales. Además, las biopelículas son muy relevantes para la investigación médica: no solo desempeñan papeles importantes para muchas enfermedades infecciosasenfermedades al proteger los patógenos bacterianos de los antibióticos o las respuestas inmunes de los pacientes, pero también son muy problemáticos cuando se colonizan y se extienden sobre las superficies de los implantes médicos.
Este nuevo estudio ha aclarado que las bacterias cooperantes forman grupos de células y de esta manera excluyen a las bacterias no cooperantes de su comunidad. "La importancia de este mecanismo se debe al hecho de que no existe una condición complicada o de nueva evolución, como el reconocimientode posibles socios de cooperación, debe cumplirse para estabilizar efectivamente esta asociación a largo plazo. Dos cepas bacterianas cooperantes y una superficie bidimensional son suficientes para que se produzca este efecto protector ", explica Kost.
El estudio plantea muchas nuevas preguntas emocionantes que los investigadores planean abordar en el futuro. Por ejemplo, están interesados en saber si ocurren o no efectos sinérgicos similares cuando están involucrados más de dos socios bacterianos. En sus hábitats naturales, es probable quemás de dos especies bacterianas participan en tales interacciones cooperativas, lo que lleva a redes de interacción bastante complejas. Además, se generaron sintéticamente mutantes bacterianos productores de aminoácidos para este estudio. Si los "cooperadores" evolucionados naturalmente que se producen en un hábitat como el suelo muestran dinámicas similares, aún no se ha verificado. Dado que las bacterias ocurren con frecuencia en las biopelículas, la alimentación cruzada cooperativa probablemente esté mucho más extendida de lo que se pensaba anteriormente. Comprender los factores y mecanismos que promueven o inhiben el crecimiento bacteriano podría proporcionar pistas importantes sobre cómo combatir las bacterias dañinas opara usar mejor los beneficiosos
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Materiales proporcionado por Instituto Max Planck de Ecología Química . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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