Uno de los temas mejor estudiados de la biología molecular es la quimiotaxis bacteriana, el movimiento de las células bacterianas en respuesta a estímulos químicos. Mientras que los científicos de la Universidad de California en San Diego pensaban que ellos, y la comunidad científica en general, sabían todo lo que había que hacersabían cómo y por qué se movían las células bacterianas, se sorprendieron al darse cuenta de lo poco que entendían acerca de cómo se movían las bacterias como grupo. Nuevos hallazgos sobre esta última investigación se publican como artículos raros consecutivos en Naturaleza 6 de noviembre de 2019
En el primer trabajo, el distinguido profesor de física y biología Terence Hwa, junto con el becario postdoctoral Jonas Cremer y otros investigadores de la Universidad de California en San Diego, trabajaron con la bacteria modelo E. coli para demostrar que la quimiotaxis proporciona un mecanismo para que las poblaciones bacterianas realicen unmodo altamente efectivo de exploración organizada en territorios circundantes desocupados. En lugar de iniciar la exploración cuando los nutrientes se agotaron en el entorno actual como comúnmente se cree, el equipo de investigación descubrió que las bacterias iniciaron la exploración cuando crecían felices en su entorno actual.
"De hecho, cuanto mejor es el medio ambiente, más activamente participan las bacterias en la exploración, lo que recuerda cómo las corporaciones bien formadas como Google® participan más activamente en la diversificación, a pesar de sus negocios centrales en auge", dijo Hwa.
Utilizando microscopios de alta velocidad, los investigadores pudieron rastrear el movimiento de bacterias individuales en una población de muchos miles que formaron el llamado "anillo de enjambre" de quimiotaxis, una "onda" fácil de ver que se expandehacia afuera después de que una gota de bacterias se introduce en un hábitat rico en nutrientes. Para su sorpresa, los investigadores observaron que el "anillo de enjambre" no era simplemente un pequeño grupo de bacterias distraídas como comúnmente se pensaba. En cambio, el anillo de bacterias incluía exploradores pionerosque se replicaron mientras migraban, dejando un rastro de descendencia.
"A diferencia de los rastros de hormigas, las bacterias que se arrastran no migrarían, sino que se replicarían en sus respectivas localidades detrás del anillo en expansión, llenando eventualmente todo el espacio encerrado por el anillo", explicó Hwa. "Estas bacterias parecen ser lo suficientemente inteligentes como para saberque el crecimiento exponencial no puede sostenerse en una localidad determinada por mucho tiempo. Por lo tanto, se envían exploradores pioneros mientras abundan los nutrientes, para que la población no se quede estancada cuando se agotan los nutrientes ".
Hwa señaló que, si bien los científicos sabían bien que las bacterias navegaban hacia concentraciones más altas de ciertas moléculas llamadas "quimioatrayentes", durante mucho tiempo se pensó que estas moléculas eran "atractivas" porque eran buenas fuentes de nutrientes. El equipo de Hwa,Sin embargo, mostraron que los potentes quimioatrayentes no eran buenas fuentes de nutrientes para las bacterias, y eran más potentes cuando se presentaban en dosis bajas acompañadas de buenos nutrientes. Esto llevó a los investigadores a darse cuenta de que los quimioatrayentes son más como aroma que alimento para las bacterias.
"Mostramos cómo las bacterias pioneras pueden moldear eficazmente los niveles bajos de quimioatrayentes en un gradiente para navegar el proceso de exploración, establecer la dirección y también mejorar la velocidad del movimiento de la población", dijo Cremer.
El equipo de investigación concluyó su trabajo comparando el modo navegado de exploración, asentamiento y replicación de la bacteria con el proceso de "expansión de rango" no guiado que no involucra quimiotaxis como comúnmente se supone en ecología ver Película 1. A medida que la población se propaga más rápido y produce másHwa y Cremer predicen que este proceso puede emplearse ampliamente en la naturaleza, mucho más allá del mundo bacteriano.
"No es difícil imaginar que una población de animales superiores puede usar una estrategia similar a la de las bacterias: modificar el entorno y generar señales que dirijan a la población a expandirse rápidamente en territorios desocupados"
Más rápido pero no necesariamente mejor
El segundo artículo publicado en Naturaleza se basa en las lecciones aprendidas del primero. En este documento, Hwa y Cremer, trabajando con científicos de la Academia de Ciencias de China en Shenzhen, China, estudiaron los fundamentos evolutivos de la estrategia de exploración navegada llevada a cabo por las bacterias quimiotácticas.
A través de una serie de experimentos de evolución de laboratorio que seleccionan E. coli que colonizan con éxito hábitats de diferentes tamaños, los investigadores estudiaron las ventajas de aptitud de las bacterias quimiotácticas a diferentes distancias desde una posición de inicio común.
"Para múltiples tipos de bacterias con un rango de velocidades, la sabiduría tradicional esperaría que las primeras especies que alcanzan un hábitat desocupado tengan una ventaja decisiva en la colonización de ese hábitat, en comparación con otras bacterias con un comportamiento de crecimiento similar", dijo Hwa. "nuestros experimentos de evolución mostraron sorprendentemente que más rápido no es necesariamente ventajoso. Mientras que las cepas más rápidas tienen ventajas a distancias lejanas, las cepas más lentas son ventajosas a distancias más pequeñas "
Estos hallazgos, junto con los resultados del primer documento, permitieron al equipo descubrir una restricción entre la velocidad de expansión de una población y el tamaño del hábitat que la población puede colonizar con éxito; es simplemente el tamaño que la población en expansiónel frente puede alcanzar en varios tiempos de replicación
Hwa explicó que esta restricción refleja una coordinación requerida entre la velocidad de expansión y la tasa de crecimiento de la población necesaria para colonizar con éxito los hábitats recién adquiridos.
"Si la expansión se produjera a una velocidad más rápida que la de los organismos para replicarse en la nueva tierra, terminarían perdiendo su derecho a la tierra incluso si la ocuparan primero", dijo Hwa. "Esto es quizás análogo"por qué el ejército de Genghis Khan podría barrer la mitad del mundo civilizado sin poder gobernar la tierra conquistada ".
La restricción propuesta fue validada cuantitativamente por los investigadores, quienes repitieron los experimentos de evolución en diferentes hábitats, permitiendo muchas combinaciones de velocidades y tasas de crecimiento. Según Hwa, predecir cuantitativamente el resultado de los experimentos de evolución es muy raro, pero el éxito deestos estudios pueden ofrecer la esperanza de enfoques más efectivos para investigar procesos evolutivos en el futuro.
Hwa también sugirió que el tipo de restricción que descubrieron en la estrategia de exploración podría aplicarse a otros tipos de sistemas de exploración, incluyendo tal vez el crecimiento de tumores o incluso la expansión de negocios.
Los coautores del primer artículo incluyen a Tomoya Honda de la División de Ciencias Biológicas y Ying Tang, Jerome Wong-Ng y Massimo Vergassola del Departamento de Física. En el segundo documento, Hwa y Cremer trabajaron con los coautores Weirong Liu, Dengjin Li yChenli Liu de la Academia de Ciencias de China.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Original escrito por Cynthia Dillon y Mario Aguilera. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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