Un equipo de investigación de Princeton ha identificado bacterias que pueden detectar la velocidad del flujo de fluidos.
Muchos tipos de células pueden detectar el flujo, así como nuestras células de la piel pueden sentir la diferencia entre una suave brisa y un fuerte viento. Pero dependemos de sentir la fuerza involucrada, el empuje del aire contra nosotros. Sin ese empuje, no podemos distinguir la velocidad; cuando las ventanas están cerradas, nuestra piel no puede sentir ninguna diferencia en la fuerza aérea, ya sea que estemos sentados en una oficina, un automóvil a alta velocidad o un avión en crucero. Pero ahora, un equipo de investigadores de Princeton tieneahora descubrió que algunas bacterias pueden detectar la velocidad del flujo independientemente de la fuerza. Su artículo aparece en el diario en línea Microbiología de la naturaleza.
"Hemos diseñado bacterias para que sean velocímetros", dijo Zemer Gitai, profesor de biología Edwin Grant Conklin de Princeton y autor principal del artículo. "Aquí hay una aplicación: en realidad podemos usar estas bacterias como sensores de flujo. Si lo deseapara saber la velocidad de algo en tiempo real, podemos decirte "
La bacteria con el velocímetro incorporado Pseudomonas aeruginosa , es un patógeno omnipresente, que se encuentra en y en los cuerpos, en corrientes de agua, en el suelo y en todos los hospitales. El Centro para el Control y la Prevención de Enfermedades clasifica a Pseudomonas como una "amenaza grave", responsable de más de 50,000 asociados con la atención médicainfecciones por año, de las cuales 6.700 son resistentes a los antibióticos y 440 son fatales.
"En algunos hospitales, los cirujanos usan desinfectantes químicos - Purell, esencialmente - en lugar de frotar porque Pseudomonas ama crecer en tuberías", dijo Gitai. De hecho, Pseudomonas está casi siempre rodeado de fluidos, ya sea en una corrienteo en cualquiera de los sistemas del cuerpo humano que involucran flujo el torrente sanguíneo, el tracto urinario, el tracto gastrointestinal, incluso los pulmones o en sistemas de plomería o equipos médicos como catéteres, uno de los principales vectores de infecciones posquirúrgicas.
"Esa es una noticia vieja", dijo Gitai. "Lo que encontramos es que no solo las Pseudomonas encuentran flujo, sino que en realidad pueden sentir y responder a ese flujo. Eso es un gran problema. Si están en flujo, puedencambiar su 'comportamiento', si lo desea, en base a sentir que están fluyendo "
Joseph Sanfilippo, un investigador postdoctoral asociado en el laboratorio de Gitai, y Alexander Lorestani, un alumno graduado de 2017, son los autores principales del artículo. Juntos, determinaron que las bacterias pueden detectar e incluso medir la velocidad de flujo de los fluidos cercanos para activarun conjunto de genes. Llamaron a esos genes "fro", por "operón regulado por flujo".
"La respuesta de Fro no es solo un interruptor de encendido / apagado; en realidad está sintonizado a la velocidad", dijo Sanfilippo. "Es más como un interruptor más tenue que un interruptor de luz".
Luego realizaron una bioingeniería de una conexión entre fro y un gen que hace que Pseudomonas brille, de modo que la respuesta genética de fro pueda verse bajo un microscopio, creando así un velocímetro visual en tiempo real. Cuanto más rápido sea el flujo, más brillante será el resplandor.
Usando esa herramienta, Sanfilippo pudo determinar el rango de velocidades a las que responde Pseudomonas, con un resultado sorprendente: "Resulta que coinciden perfectamente con el rango de velocidades de fluidos que se conocen en el torrente sanguíneo y el tracto urinario", dijo Gitai.
Dada la escala microscópica de las bacterias y las cámaras de flujo del tamaño de un mechón de cabello en las que realizaron pruebas 50 micras de alto por 500 micras de ancho, los investigadores no midieron la velocidad en millas tradicionales por hora o metros porsegundo, pero en cambio midió la "velocidad de corte", la velocidad a la que las capas adyacentes de fluido se cruzan entre sí. Eso se mide en unidades "por segundo" sin distancia.
Descubrieron que fro no respondía a tasas de cizallamiento por debajo de 8 por segundo, más lento que la mayoría de los fluidos encontrados en el cuerpo humano, pero que sintonizó su respuesta a tasas de cizallamiento entre 40 y 400 por segundo, luego se estabilizópor encima de eso. Como referencia, la velocidad de corte en venas humanas de tamaño promedio es de aproximadamente 100 por segundo.
"Las velocidades a las que responde son las velocidades que atraviesan su cuerpo en este momento", dijo Sanfilippo.
"Los autores combinan su experiencia en bioingeniería y biofísica para fabricar estas ingeniosas cámaras de flujo con biología de vanguardia secuenciación de ARN para comprender algunas preguntas fundamentales en microbiología", dijo Joanne Engel, jefa de enfermedades infecciosas y profesora demicrobiología e inmunología en la Universidad de California-San Francisco, que no participó en esta investigación.
"La capacidad de reunir a los investigadores de diversos campos ayuda a impulsar la investigación hacia adelante en formas nuevas y creativas", dijo. "Como es probable que este mecanismo de detección se encuentre en toda la biología, puede tener amplias aplicaciones e incluso puede ser útilpara desarrollar nuevos medicamentos antibióticos para tratar infecciones bacterianas, especialmente infecciones sanguíneas como sepsis "
una respuesta independiente de la fuerza
Sanfilippo y sus colegas habían asumido inicialmente que la sensibilidad al flujo de Pseudomonas debe depender de su capacidad para sentir la fuerza, así como todos intuitivamente entendemos que una mano en la ventana de un automóvil sentirá más fuerza cuando conduzcamos a velocidades más altas.El vínculo intuitivo entre el flujo y la fuerza ha llevado a un punto ciego universal en el campo, dijo Gitai.
"Otros investigadores han descubierto que diferentes bacterias pueden responder al flujo de fluidos, y han asumido efectivamente que era la fuerza", dijo Gitai. "La intuición era tan fuerte que debería ser la fuerza, que de hecho la gente no lo hizo".t molestarse en probar esto explícitamente "
Una forma de probar esa suposición provino de Howard Stone, el profesor Donald R. Dixon '69 y Elizabeth W. Dixon de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial y coautora del artículo. Stone propuso un experimento que demostraría sila bacteria estaba respondiendo a la fuerza: envíela a materiales de diferentes viscosidades o espesores que fluyen a la misma velocidad.
Si vierte agua sobre tu mano, luego vierte miel sobre ella a la misma velocidad, la miel más viscosa empujará más fuerte contra tu piel, por lo que tu mano sentirá más fuerza. Sanfilippo realizó experimentos con fluidos hasta 10 veces más viscososque el medio predeterminado y descubrió que para responder solo a la velocidad de corte la velocidad, no a la fuerza de los fluidos más gruesos.
"Hacer ese experimento adicional, lo llamamos el experimento de Howard, realmente fue clave", dijo Sanfilippo. Eso permitió a los investigadores decir de manera concluyente que Pseudomonas estaba ajustando sus respuestas exclusivamente a la velocidad de los materiales que fluyen, algo que tienenunca antes se había documentado. Para distinguir esto de otros tipos de detección mecánica que se han documentado en bacterias, el equipo acuñó el término "reosensibilidad" o detección de flujo para describir el fenómeno.
"Estamos lanzando un mini campo aquí", dijo Gitai. "Pensar en cómo viven las bacterias en el flujo es un área completamente poco explorada. Nos encantaría que las personas lo vean con otras bacterias. Y como dijimos, ha habido una gran suposición en los estudios de mamíferos de que todo depende de la fuerza: nos encantaría que las personas lean nuestro artículo y luego regresen y revisen algunos de esos supuestos y cambien la viscosidad en sus sistemas ".
Aún no está claro cómo Pseudomonas se beneficia al conocer la velocidad de los fluidos circundantes, dijo Gitai, pero probablemente esté relacionado con la versatilidad del patógeno; él lo llama la navaja suiza de bacterias.
"Pseudomonas tiene un enorme arsenal de diferentes formas en que puede atacar", dijo Gitai. "Una idea es que quiere saber cuándo es apropiado usar qué herramienta en su arsenal. Si tiene una quemadura, y está simplemente sentado"en tu piel, quizás los genes que puede usar para lastimarte son diferentes a los genes que usaría para lastimarte en tu tracto urinario o en tu sangre. Y esa es la gran idea aquí, que - antropomorfizarlo -puede saber si hay flujo alrededor, y eso puede ayudarlo a ajustar su respuesta a su entorno "
El equipo de investigación de Princeton también incluyó a Matthias Koch, investigador asociado postdoctoral en el Instituto Lewis-Sigler de Genómica Integrativa; Benjamin Bratton, investigador asociado en biología molecular; y Albert Siryaporn, ex investigador postdoctoral en el laboratorio de Gitai, quienahora es profesor asistente en la Universidad de California-Irvine.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Original escrito por Liz Fuller-Wright. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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