11 de Noviembre de 2022
MICROBIOLOGÍA

Las bacterias oceánicas forman esferas pluricelulares

Para poder consumir carbohidratos flotantes voluminosos, las bacterias marinas se unen formando una «bola de nieve microscópica».

Sección transversal de una estructura esférica formada por cientos de bacterias Vibrio. Las diferencias artificiales de color, que reflejan la cantidad de nitrógeno presente, revelan que se trata de una esfera hueca con células unidas entre sí en el exterior y células móviles en el interior. [Julia Schwartzman, Ali Ebrahimi y Grayson Chadwick]

Cierre los ojos e imagínese una bacteria. Puede que la primera que le venga a la mente sea una Escherichia coli intestinal, un estafilococo redondo y brillante, o una espiroqueta de la enfermedad de Lyme en forma de tirabuzón. Lo más seguro es que haya pensado en una única célula, o puede que varias que vivan de forma independiente.

Según la microbióloga Julia Schwartzman, el problema de esta imagen es que no es real para la mayoría de las bacterias. A menudo, utilizan moléculas pegajosas para anclarse a una superficie, gracias a lo cual forman grupos estables de gran tamaño conocidos como biopelículas. Un ejemplo es la placa de los dientes; también lo son las infecciones que aparecen en los catéteres, el verde viscoso de la espuma de los estanques y la mugre que obstruye el desagüe de la bañera.

Pero el reciente trabajo de Schwartzman, que realizó como becaria posdoctoral en el laboratorio de Otto Cordero, en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, demuestra que incluso las bacterias que flotan en el océano abierto, y que, por lo tanto, carecen de un punto de anclaje a partir del cual formar grandes conglomerados, crean agrupaciones pluricelulares.

«Vimos unas estructuras increíbles», señala Schwartzman.

El equipo de Schwartzman y Cordero demostró que estas formas surgieron porque el ciclo biológico de estas bacterias es mucho más complejo que el que solemos observar en los organismos unicelulares. Lo explicaron en un artículo reciente publicado en Current Biology.

Cenar en compañía

Schwartzman observó la capacidad de las bacterias de formar agrupaciones pluricelulares mientras estudiaba un aspecto mucho más fundamental de la vida de estos seres unicelulares: su alimentación.

En el mar abierto, el alginato (un carbohidrato gelatinoso) es la única fuente de energía utilizada por los microbios marinos. A diferencia de la glucosa, la fructosa y otros azúcares simples que pueden atravesar sin problemas la membrana celular, el alginato está formado por largas hebras enrolladas que suelen ser más grandes que las bacterias que se alimentan de ellas. Schwartzman quería averiguar cómo se alimentaban, ya que las enzimas digestivas que segregan para descomponer el alginato podrían diluirse y ser arrastradas por las aguas del mar abierto.

Por esa razón, Schwartzman y Ali Ebrahimi, otro posdoctorado del laboratorio de Cordero, empezaron a cuantificar el crecimiento de Vibrio splendidus, una bacteria marina luminiscente, en matraces que contenían caldo caliente en el que disolvieron alginato. En los experimentos que se realizan con microorganismos es habitual proporcionarles una mezcla de nutrientes para que las células se dividan a gran velocidad, pero en los matraces preparados por Schwartzman y Ebrahimi la bacteria Vibrio tenía que subsistir con cantidades relativamente pequeñas de polímeros de alginato de gran tamaño. Con ello pretendían simular las mismas condiciones que se encuentran en el mar.

Sin embargo, cuando empezaron a recoger datos, pensaron que había cometido algún error de novato. Cuando las bacterias se multiplican, transforman el caldo de cultivo transparente y de color ámbar en un guiso turbio. Si se mide esa turbiedad, se puede extrapolar el número de microbios presentes en el matraz y construir una curva de crecimiento para estimar la rapidez con la que se dividen las células. Los bacteriólogos llevan décadas calculando las tasas de crecimiento de este modo. Como posdoctoranda, la propia Schwartzman había realizado ese mismo procedimiento muchísimas veces durante los últimos años.

Sin embargo, la curva de crecimiento de los cultivos de Vibrio no era ascendente, sino que seguía un trazado caótico, como una montaña rusa. No importaba cuántas veces repitiera el proceso, el caldo no se volvía turbio.

Una bola de nieve microscópica

Para averiguar qué ocurría, Schwartzman colocó una gota de la solución del cultivo en un portaobjetos y miró a través de un microscopio de 40 aumentos. No vieron enjambres de Vibrio individuales, sino hermosas esferas compuestas por capas en las que vivían cientos o miles de bacterias.

«No se trataba de una masa informe de bacterias», señaló Schwartzman. «Era una forma esférica en la que se podía apreciar cómo se mezclaban las células en su parte central.»

Trabajos posteriores demostraron que, en el mar, Vibrio creaba esas esferas huecas para facilitar su alimentación. Una bacteria individual solo puede producir una cantidad determinada de enzimas. Pero si se agrupa, la descomposición del alginato se acelera. Es una estrategia ganadora, señala Schwartzman, pero solo hasta cierto punto. Si hay demasiados individuos, no habrá suficiente alginato para todos.

Para resolver ese problema, las bacterias desarrollan un ciclo biológico más complejo, compuesto por tres fases. En la primera, una célula individual se divide repetidamente y las células hijas se amontonan en grupos cada vez más grandes. En la segunda fase, las células agrupadas se reorganizan creando una esfera hueca. Las células más externas se pegan entre sí. El resultado es algo parecido a una bola de nieve microscópica. Las células del interior se vuelven más móviles, y, mientras nadan, consumen el alginato atrapado. En la tercera fase, la frágil capa exterior se rompe, y se liberan las células interiores bien alimentadas para comenzar de nuevo el ciclo.

De hecho, Vibrio se convierte en una mezcla heterogénea de células, en la que las bacterias utilizan diferentes genes para controlar su comportamiento en cada fase. A medida que las células interactúan con sus vecinas, lo que surge es «un sorprendente grado de complejidad», señala Schwartzman, que dirigirá su propio laboratorio en la Universidad del Sur de California en enero. «Las bacterias reciben constantemente información de su entorno, y a veces responden modificándolo.»

Esta complejidad resulta beneficiosa en varios aspectos. Al alterar su ciclo biológico para incluir una etapa pluricelular, las bacterias pueden digerir el alginato de forma eficiente: su número aumenta y la esfera hueca ayuda a concentrar las enzimas. Mientras tanto, la estructura adoptada por el conjunto impide que nazcan demasiadas células. Las células externas pierden la oportunidad de reproducirse, pero su ADN sigue vivo en la siguiente generación, ya que todas las células de la esfera son clones.

¿Cuán común es la pluricelularidad?

Para Jordi van Gestel, que estudia la evolución del desarrollo microbiano en el Laboratorio Europeo de Biología Molecular y no participó en la investigación, este «es un artículo muy interesante». Van Gestel afirma que los resultados refuerzan la idea de que, lejos de ser la excepción, lo normal es que los microbios formen grupos, y añade: «Ilustra a la perfección lo complejo que es el ciclo biológico de una bacteria tan sencilla».

Las bacterias que crecen sobre superficies suelen formar estructuras complejas conocidas como biopelículas. Las superficies sólidas ayudan a que las células se puedan organizar. [Amateria1121-Reconocimiento-CompartirIgual 3.0 Unported (<a href="https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.es_ES">CC BY-SA 3.0</a>)]

Anahit Penesyan, microbióloga de la Universidad Macquarie, en Sídney, cree que el trabajo de Schwartzman y Cordero desafía las ideas preconcebidas sobre las bacterias. «Tenemos muy arraigada la idea de que un microbio es una sola célula», afirma, y, por consiguiente, las investigaciones no se centran en los comportamientos complejos derivados de la vida pluricelular. «Es como analizar una semilla de planta o una espora y tratar de inferir cómo es la planta entera.»

El caso de Vibrio se suma a la creciente lista de microbios que pueden agruparse al menos durante una parte de su vida. El año pasado, investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia descubrieron que unas levaduras unicelulares de su laboratorio desarrollaron una enorme forma pluricelular en tan solo dos años. Y en octubre, un equipo de Japón descubrió que unas bacterias crecían formando estructuras pluricelulares en las paredes de las cuevas; cuando, debido a las corrientes subterráneas, las rocas quedan sumergidas, las estructuras expulsan células especializadas a modo de semillas para colonizar otros lugares.

Tanto Schwartzman como van Gestel creen que la capacidad de crear estas agrupaciones evolucionó en una etapa temprana de la historia de la vida y que la comparten con los antiguos primos de las bacterias, las arqueas, también unicelulares. Piensan que es solo cuestión de tiempo que se encuentren otras especies con propiedades similares. Schwartzman ya ha empezado a buscarlas.

James Shapiro, microbiólogo jubilado de la Universidad de Chicago, tiene claro que las encontrará.

En la década de 1980, Shapiro y otros expertos microbiólogos, como Bonnie Bassler, de la Universidad de Princeton, demostraron que el estilo de vida unicelular de las bacterias más estudiadas era, en muchas ocasiones, un artefacto de los matraces artificiales en los que crecían. En un artículo publicado en 1998 en la revista Annual Review of Microbiology, Shapiro propuso que las bacterias no son unicelulares solitarias. «Llegué a la conclusión de que todas las bacterias son organismos pluricelulares.»

A lo largo de sus cuatro décadas de carrera, Shapiro vio cómo su hipótesis pasaba de ser casi herética a indiscutible: «Al principio, dejó perplejo a muchos especialistas, pero ahora es algo aceptado por todos. La pluricelularidad es una propiedad inherente a las bacterias».

Carrie Arnold/Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con el permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión pública de la ciencia.

Referencia: «Bacterial growth in multicellular aggregates leads to the emergence of complex life cycles»; Julia A. Schwartzman et al. en Current Biology, vol. 32, n.º 14, págs. 3059-3069.e7, 25 de julio de 2022.

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