Adentro Versus Afuera: Una Nueva Forma de Cooperación Bacteriana

ARRIBA: Colonias esféricas de la bacteria Vibrio superblentus  Julia Schwartzman

Julia Schwartzman, microbióloga del MIT, fue desconcertado. Ella estaba estudiando las condiciones bajo las cuales las bacterias cooperan usando Vibrio espléndidas 12B01, una cepa de una especie que se alimenta de algas común en el agua del océano. Pero a pesar de que estaba realizando lo que ella describe como el experimento más simple, se le ocurrió hacer crecer V. espléndido en un matraz de vidrio que contenía azúcares grandes y complejos derivados de algas, las curvas de crecimiento de sus colonias estaban mal.

En cultivo, las bacterias suelen crecer exponencialmente. Y al principio, eso fue lo que vio Schwartzman. Pero luego la tasa de crecimiento se volvería loca, dice ella, subiendo y bajando erráticamente de tal manera que se formaron picos irregulares en sus curvas inicialmente suaves. En lugar de esta hermosa curva de crecimiento exponencial, los resultados se veían terribles, le dice a The Scientist. 

Frustrada, decidió mirar lo que estaba pasando bajo el microscopio. Si bien esperaba que las bacterias se acumularan en grupos desordenados, V. esplendoroso se había convertido en esferas nítidas, casi perfectas. Estas extrañas colonias, descritas el 30 de junio en Current Biology,  resultaron ser una forma previamente desconocida de autoorganización bacteriana. Y aunque estas células agrupadas comparten los mismos genes, Schwartzman y sus colegas descubrieron que las expresaban de manera diferente en función de su ubicación en la esfera, asumiendo funciones marcadamente diferentes en su comunidad en miniatura.

Este es un estudio realmente genial. Destaca la diferenciación bacteriana utilizando un sistema increíblemente limpio. La diferenciación bacteriana es un proceso biológico muy importante que apenas estamos empezando a comprender, escribe Josephine Chandler, microbióloga de la Universidad de Kansas que no participó en el trabajo, en un correo electrónico a The Scientist.&nbsp ;

La vista óptica (L) y la proyección 3D (R) de una sección transversal de un cúmulo en etapa III muestran el espacio que queda después de que las células centrales se han ido. La barra de escala es de 5 m REIMPRESA CON PERMISO DE CURR BIOL, DOI:10.1016/J.CUB.2022.06.011, 2022.

Aunque las esferas no se esperaban, Schwartzman dice que esperaba que la bacteria cooperar. Eso se debe a que los microbios necesitarían descomponer el combustible que ella les proporcionaba, los polisacáridos grandes, en pedazos diminutos y digeribles. Una sola bacteria podría secretar enzimas que destruyen el azúcar en su entorno acuoso, pero luego tendría que buscar el azúcar descompuesto dondequiera que se haya desviado. Juntas, las bacterias pueden descomponer y sorber azúcares grandes de manera más eficaz.

Por lo general, las bacterias participan en este tipo de cooperación formando biopelículas y otros agregados, en los que están pegados entre sí por una matriz extracelular densa. De esta forma, pueden compartir nutrientes e información genética. De hecho, Schwartzman había observado previamente que V. esplendoroso se agrupan cuando se suspenden en medios líquidos, pero las colonias que formaron las bacterias esta vez fueron mucho más ordenadas y organizadas de lo que ella esperaba. Al observar estas colonias a través de un microscopio, los investigadores se dieron cuenta de que, a medida que las células se dividían y creaban un grupo compacto, comenzaban a adquirir diferentes propiedades según su ubicación en el grupo. Los que estaban a lo largo de los márgenes se movieron muy poco, creando una capa estática, mientras que los del centro continuaron moviéndose. Luego, ambos tipos de células continuaron creciendo y dividiéndose hasta que las células interiores finalmente se abrieron paso a través de sus compañeras externas, dejando una esfera hueca. Después de la ruptura, los autores especulan que las células que quedan en el caparazón mueren mientras que las que escapan forman nuevas colonias, señalando que este comportamiento de explosión, que los científicos describieron como un proceso de tres etapas, es similar a cómo los hongos y otros organismos se propagan. 

UNA BOLA DIVIDIDA: Vibrio superblaus forman colonias esféricas que cooperan para descomponer azúcares grandes. Etapa I: Las células forman un grupo homogéneo. Etapa II: a medida que aumentan en número, comienzan a diferenciarse en células internas (núcleo) y externas (cubierta) con distintos perfiles de expresión génica. Ruptura: Eventualmente, la falta de nutrientes clave hace que las células centrales se liberen del caparazón, donde es probable que formen nuevas colonias. Etapa III: La salida de las células centrales deja una capa hueca, que probablemente se extinga. PDFMODIFICADO DE ISTOCK.COM, ZUPERIA

Este comportamiento alternante de crecimiento y estallido probablemente condujo al rebote que Schwartzman vio en las curvas de crecimiento, dice ella. A medida que las células formaban esferas, aumentaba el número de bacterias. Luego, el crecimiento se detuvo repentinamente después de que las colonias se rompieron, especula.

Después de observar los dos fenotipos que crean colonias tan estructuradas, Schwartzman empleó una serie de técnicas para comprender cómo emergen. La secuenciación del ARN reveló que las poblaciones del núcleo y la cubierta eran transcripcionalmente diferentes. Las células en el caparazón bombeaban estructuras de proteínas filamentosas llamadas píldoras tipo 4 que pueden expandirse y retraerse. Schwartzman las compara con velcro activo. Esta es probablemente la forma en que estas células externas se adhieren entre sí y mantienen la estructura contenida. la colonia podría usar a medida que crecía.

Los investigadores también querían entender cómo la colonia estaba compartiendo recursos. Usando una técnica llamada nanoSIM, cultivaron las bacterias en presencia de un isótopo de nitrógeno pesado y midieron qué tan bien asimilaban las células este nitrógeno. Descubrieron que el caparazón absorbía más nitrógeno que el núcleo, lo que significa que probablemente había un gradiente de nutrientes en toda la colonia. Es probable que otros nutrientes, como el oxígeno, también estuvieran menos disponibles para las células en el núcleo.

La capa pegajosa es importante para mantener unidas a todas las células en un vecindario para que puedan obtener recursos y cooperar, explica Schwartzman. . Pero esta coexistencia pacífica no dura. Las celdas del medio absorben más recursos, principalmente carbono, que son necesarios para el crecimiento y la propagación futura. Mientras tanto, estas células centrales también se ven privadas de otros nutrientes vitales. Eventualmente, estallan y forman sus propias colonias.

Creemos que es un muy buen ejemplo de lo que se llamaría una división del trabajo, dice Schwartzmana fenómeno raro en la naturaleza, dicen los investigadores, incluso entre las bacterias . 

En la naturaleza, explican, es probable que estas bacterias utilicen la estrategia de división del trabajo para aprovechar las fiestas temporales. V. espléndidos pasan la mayor parte de sus vidas como células individuales flotando en el agua del océano en busca de alimento, dicen los investigadores. Una vez que encuentran una fuente abundante, la estrategia de división del trabajo les permite descomponer y almacenar azúcares complejos de manera rápida y eficiente.

Ver: Sugerencias sobre el moho mucilaginoso similar al cáncer en Multicellularitys Origins