Física chilena descubre cómo bacterias se organizan para alimentarse y limpiar su colonia

Se llama alfombra activa a cualquier agrupación de microorganismos o cilios que se acumulan sobre una superficie, cubriendo una amplia extensión.

Los cilios (o también conocidos como “pelitos”) de los pulmones o las fosas nasales son una alfombra activa, como también las bacterias que se aglutinan sobre un espacio formando densas colonias y que se han convertido en una de las mayores preocupaciones de la salud ambiental, humana y de industrias como la alimentaria.

Hasta ahora, se sabe que las bacterias que forman alfombras activas logran una barrera protectora poderosa contra las agresiones externas, lo que facilita su supervivencia, al punto que pueden ser cientos de veces más resistentes a los desinfectantes convencionales o antibióticos que las bacterias que están solas o en libre tránsito.

La doctora en Fluodinámica, Francisca Guzmán, investigadora del Núcleo Milenio Física de la Materia Activa (DFI-FCFM-UChile) y académica de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Chile, lleva cuatro años desentrañando los mecanismos que permiten a bacterias y cilios funcionar colectivamente en estas alfombras activas, logrando resultados que podrían impactar áreas como la medicina, el medioambiente y la biotecnología.

En 2018, junto a Arnold Mathijssen (EE.UU.) y Harmut Löwen (Alemania), la doctora Guzmán descubrió -a través de la física- cómo estas alfombras microbianas logran reponer los “alimentos” que consumen al estar aglomeradas: se autoorganizan para realizar un trabajo colaborativo y sincronizado, lo que les permite crear fuertes flujos -incluso más allá del tamaño de la colonia- para transportar nutrientes y oxígeno hacia el lugar donde están y así reponer sus energías.

“Es como si abriéramos el tapón de la tina. Se produce un flujo que arrastra todo y eso es justamente lo que hacen las bacterias cuando forman alfombras activas. Nadan organizadas y producen un flujo que arrastra nutrientes sobre ellas, lo que les permite, por ejemplo. reproducirse, activarse, etc.”, dice Guzmán.

En su última investigación, publicada en Nature Communications, la investigadora y su equipo crearon un modelo matemático que predice cómo ocurre el transporte de partículas en organismos vivos (difusión vertical), a través de alfombras activas.

El modelo reveló que, a la hora de transportar moléculas, las alfombras activas (cilios o bacterias) no hacen movimientos al azar: producen movimientos sincronizados para mover en una dirección determinada partícula, según sus necesidades: alimentarse, obtener oxígeno, expulsar patógenos, etc. Pero -a ratos- también generan movimientos desordenados o aleatorios para producir una suerte de levitación o resuspensión de las partículas que están sobre su superficie, mecanismo que usan para realizar una autolimpieza de la alfombra activa.

“Lo que nos muestran nuestros dos trabajos es que los microorganismos encontraron una forma de optimizar el transporte en la microescala en un ambiente súper abarrotado: se organizan y sincronizan para atraer hacia sí los nutrientes o mover las partículas que necesitan y luego se desordenan para realizar una autolimpieza de la alfombra activa para que cuando se vuelvan a resincronizar puedan moverse con libertad para lo que necesiten”, explica la investigadora.

Este año, en tanto, la doctora Guzmán, junto al doctor Hugo Ulloa (Depart. Of Earth & Environm, Scien, Upenn) y Arnold Mathijssen (Depart. Of Physics and Astronomy, Upenn) están estudiando cómo actúan las alfombras activas de algas en ambientes polares.

Los resultados de estas investigaciones en alfombras bacterianas podrían impactar en medicina, ayudando a bloquear los mecanismos que usan estos microorganismos para alimentarse y así, evitar que obtengan sus nutrientes y se vuelvan fuertes y resistentes a los antibióticos, por ejemplo. Mientras que en el caso de los cilios -presentes en sistemas como el digestivo, reproductor o respiratorio- los descubrimientos podrían contribuir a controlar infecciones, de forma menos invasiva, al facilitar el mecanismo que tienen estas alfombras de autolimpieza, evitando así, por ejemplo, que se acumulen patógenos sobre ellos.

Por último, en biotecnología, explica Guzmán, estos nuevos conocimientos podrían ayudar a controlar la formación de alfombras activas de algas, lo que podría servir para la generación de hidrógeno verde, al usarlas como biomasa; o para mejorar su producción para consumo en centros de reproducción, aumentando la recirculación de los nutrientes y evitando la acumulación de plásticos contaminantes que obstaculizan su crecimiento.