Para colonizar diferentes entornos, las bacterias afinan con precisión sus nanomotores

En casi 3.500 millones de años en la Tierra, las bacterias han perfeccionado el arte de colonizar todo tipo de hábitats, desde el revestimiento interno del sistema digestivo hasta el agua caliente de los géiseres. Pero en su búsqueda por dominar el mundo, las bacterias enfrentan un obstáculo crítico cuando navegan por diversos entornos: mantener sus dispositivos de navegación.

En un nuevo estudio publicado en la revista Conexiones con la naturalezaEn el estudio, los investigadores de la Universidad de Texas A&M encontraron que los apéndices que controlan la navegación bacteriana, llamados flagelos, se adaptan a los cambios en la viscosidad del fluido con mucha precisión. Esta adaptación permite que las bacterias continúen usando sus flagelos para buscar nutrientes, detectar superficies y establecer colonias en diferentes ambientes.

«Existe un gran interés en los campos biomédicos para comprender cómo las células bacterianas individuales pasan de una existencia solitaria a un estilo de vida comunitario», dijo el Dr. Pushkar Lilly, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Química Artie MacFerrin. «Para responder a esta pregunta, estamos estudiando el papel de los flagelos como centro de respuesta cuando las bacterias se encuentran con diferentes tipos de entornos».

Para navegar hacia los nutrientes, las bacterias usan la quimiotaxis, un proceso mediante el cual detectan los químicos y nadan en la dirección de concentraciones crecientes o decrecientes. El papel del flagelo en la navegación es bien conocido: se mueve de forma reversible entre las direcciones en sentido horario y antihorario para facilitar la atracción química. La rotación flagelar es impulsada por unidades de estator internas, similar a un estator que hace girar una parte móvil dentro de una parte eléctrica motor ventilador de techo.

Pero hay evidencia más reciente que sugiere que los flagelos también juegan un papel en la detección de cambios en la mecánica celular. medio ambiente—Un proceso llamado detección mecánica. Por lo tanto, si las bacterias experimentan un aumento en la resistencia a la rotación de sus flagelos, se sentirá como un aumento en la viscosidad del ambiente.

En respuesta, el motor de látigo recluta unidades de estator adicionales para compensar desarrollando más potencia. Sin embargo, la investigación también ha demostrado que tal aumento en la resistencia evita que los flagelos cambien las direcciones de rotación, lo que podría provocar el estancamiento del mecanismo de quimiotaxis.

«Esta observación fue un misterio», dijo Laila. «Es poco probable que la quimiotaxis estuviera restringida a un tipo de ambiente viscoso. Por lo tanto, nos preguntamos si ocurría alguna adaptación dentro del motor flagelar que restaurara la conmutación direccional y, por extensión, la quimiotaxis en diferentes ambientes viscosos».

Para sus experimentos, los investigadores seleccionaron una cepa de Escherichia coli con una proteína de quimiotaxis marcada con fluorescencia, CheY-P, que se une al motor flagelar para iniciar el cambio de flagelante. Los investigadores aplicaron una impedancia de motor y luego observaron el nivel de fluorescencia utilizando microscopios de alta potencia. Descubrieron que la fluorescencia cayó por debajo de la línea de base cuando eliminaron las proteínas del estator mediante técnicas genéticas.

En comparación, el nivel de brillo se mantuvo en la línea de base cuando los estatores continuaron entregando par para hacer girar el motor. Esto indica que la presencia de las unidades del estator mejoró la asociación CheY-P con el motor.

Con base en estas observaciones, el equipo planteó la hipótesis de que en entornos de alta viscosidad, el aumento del par mecánico proporcionado por estator Las unidades aumentan la unión de CheY-P al motor, manteniendo así un equilibrio en la función de conmutación de flagelos.

Lele señaló el fenómeno del ajuste fino del estado interno de adaptación a las cargas mecánicas cambiantes, teniendo poca semejanza con la adaptación de la sensibilización, donde Sistema nervioso Constantemente detecta su posición y velocidad para realizar cambios adaptativos para lograr la homeostasis o un estado fisiológico estable. Por ejemplo, los sistemas musculoesqueléticos de los insectos se adaptan internamente y se adaptan a cargas variables en sus extremidades para mantener su postura y cohesión cuando caminan por el suelo o el techo.

«Parece que la homeostasis en el cambio flagelar ayuda a las bacterias móviles a formar enjambres y colonizar diferentes ambientes», dijo Laila. «Elucidar la base de la relación observada entre la sensibilización mecánica y la concentración química será importante para prevenir la colonización bacteriana, las infecciones y la resistencia a los antibióticos en el futuro».