A pesar de su naturaleza viscosa, los parches pegajosos de bacterias llamadas biopelículas a menudo forman patrones intrincados y parecidos a un estallido estelar a medida que crecen. Ahora, los investigadores de la Universidad de Princeton han combinado la experiencia en biología molecular, ingeniería mecánica y modelado matemático para desentrañar los procesos físicos subyacentesestas curiosas arrugas
"En cierto punto, aparecen patrones: rayas, zigzags y anillos", dijo el coautor Ned Wingreen, el profesor Howard A. Prior en Ciencias de la Vida y profesor de biología molecular y el Instituto Lewis-Sigler de Genómica Integrativa"Ha sido una de esas cosas que personalmente siempre me ha intrigado".
El estudio, publicado el 19 de marzo en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias, ayuda a iluminar cómo crecen las bacterias en diversos entornos, y también podría ayudar a las investigaciones sobre las fuerzas físicas que rigen el crecimiento y la transformación de los tejidos humanos.
"Esto se suma a un trabajo que proviene de una perspectiva mecánica que dice que lo que estamos viendo es la implementación de leyes físicas", dijo Wingreen. "Nos ayudará a comprender en qué medida algunos de estos patrones influyen en la biopelículapropiedades que son importantes desde el punto de vista biológico y médico "
El trabajo es el último en provenir de una colaboración entre cuatro miembros de la facultad que investigan biopelículas desde múltiples perspectivas. Junto con Wingreen, el equipo incluye a Andrej Košmrlj, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial; Howard Stone, Donald R. Dixon '69 y Elizabeth W. Dixon, profesora de ingeniería mecánica y aeroespacial, y Bonnie Bassler, profesora de Squibb en biología molecular. Previamente trabajaron juntos para desarrollar un método para pelar biofilms de las superficies.
En este estudio, los investigadores analizaron la formación de biopelículas de la bacteria Vibrio cholerae, que está muy extendida en ambientes acuosos y puede causar la enfermedad del cólera cuando es ingerida por humanos. En un sustrato blando, las biopelículas inicialmente crecen como una capa plana pero luego se vuelvenarrugado, con patrones radiales y en zigzag de picos y valles. El estudio mostró que estos patrones dependen de la relativa suavidad o rigidez del sustrato de la biopelícula, que los investigadores manipularon variando la concentración de agar, una sustancia derivada de algas comúnmente utilizada para rellenarPlacas de Petri.
En un sustrato más rígido, las arrugas aparecen primero en el centro de una biopelícula y se propagan hacia afuera, mientras que en un sustrato más suave las arrugas comienzan a formarse en los bordes y se propagan hacia el centro. En ambos casos, las biopelículas terminan con patrones de arrugas en zigzag en sus centrosy un patrón más ordenado de rayas radiales en sus bordes exteriores.
Este proceso es impulsado por un nexo de influencias, incluida la absorción de nutrientes de cada bacteria del sustrato, lo que conduce a un crecimiento desigual ya que los nutrientes se agotan en el centro de la biopelícula. Las bacterias producen nuevos componentes de la matriz extracelular a medida que crecen y también producenmoléculas que hacen que las bacterias se adhieran entre sí y al sustrato.
"Este es un proceso muy complicado que involucra crecimiento y mecánica", dijo el autor principal Chenyi Fei, un estudiante graduado en el Instituto Lewis-Sigler. "Para comprenderlo, construimos lo que llamamos un modelo quimio-mecánico. Tomamos en cuentacuenta los nutrientes y el crecimiento no uniforme de la biopelícula, y cómo esas características se traducen en las fuerzas mecánicas o tensiones que se acumulan ".
El modelo permitió a los investigadores predecir qué regiones de la biopelícula experimentarían el máximo estrés en determinados momentos y, por lo tanto, predecir dónde se formarían las arrugas. Las predicciones se correspondían bien con las mediciones experimentales de formas tridimensionales de biopelículas reales, dijoFei, cuyo trabajo de posgrado es asesorado por Wingreen y Bassler.
"Chenyi integró inteligentemente muchos mecanismos diferentes que normalmente se estudian por separado", dijo Košmrlj.
Un aspecto clave del modelo es la adopción de análisis de ingeniería clásicos de inestabilidades mecánicas, que se han aplicado previamente a problemas tales como el pandeo de las vías del tren en temperaturas extremas. Un tipo similar de inestabilidad hace que los materiales blandos como las biopelículas formen arrugas.
"En el siglo anterior, las inestabilidades mecánicas se estudiaban con el objetivo de prevenir los mecanismos de falla en las estructuras", dijo el coautor Sheng Mao, ex investigador postdoctoral en Princeton, que ahora es profesor asistente en la Universidad de Pekín ".Pero en una nueva ola de estudios, estamos tratando de explotar estas inestabilidades mecánicas para crear estructuras sintonizables para diversos fines ", como el desarrollo de materiales blandos para tratar lesiones y enfermedades mediante la ingeniería de tejidos".
Además de avanzar en el conocimiento de cómo las células en crecimiento interactúan con sustratos blandos, los investigadores planean aprovechar sus hallazgos para investigar más a fondo los ciclos de vida bacterianos, incluida la etapa de dispersión en la que algunas células bacterianas se desprenden de una biopelícula, salen de la estructura ycolonizar nuevas áreas.
Las bacterias como V. cholerae "son oportunistas", dijo Wingreen. "Entran, agarran un territorio, se expanden, comen todo lo que pueden y luego se van. Pero este último aspecto, la dispersión, está poco estudiado, y la física yla mecánica de dispersión ofrecerá algunos desafíos interesantes "
Este trabajo fue apoyado en parte por el Instituto Médico Howard Hughes, los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. Y la Fundación Nacional de Ciencias, incluido un premio NSF al Centro Princeton de Materiales Complejos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton, Escuela de Ingeniería . Original escrito por Molly Sharlach. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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