Los biofilms son comunidades de bacterias que se encuentran sobre todo tipo de superficies en nuestro entorno. Estas agrupaciones microscópicas son abundantes en los medios acuáticos, tanto en las superficies deslizantes de las rocas de los lagos como en la capa de limo que se acumula en el interior de las tuberías. Los biofilms también habitan en algunas partes de nuestro cuerpo, como la piel y la superficie de los dientes. Biólogos de la Universidad de California en San Diego, en colaboración con un equipo de investigación de la Universidad Pompeu Fabra de Barcelona, han descubierto que estas comunidades bacterianas presentan una capacidad de eyección hasta ahora desconocida. El estudio se publica este martes en Nature Microbiology.
Los científicos de la Universidad de California en San Diego, liderados por el profesor Gürol Süel, han documentado por primera vez el fenómeno de eyección de los biofilms mientras estudiaban una bacteria conocida como bacilo del heno (Bacillus subtilis). Hasta ahora se creía que los biofilms que llegaban al final de su ciclo vital simplemente se disolvían y desaparecían. Al analizar similares capacidades de eyección en el reino animal, a los investigadores les sorprendió descubrir que los únicos organismos que presentan mecanismos comparables son las medusas.
"Hemos descubierto que, al final de su ciclo vital, estos biofilms bacterianos expulsan con fuerza algunas células específicas de la comunidad", explica Süel. “El biofilm percibe que está en peligro, y por eso expulsa a células de la comunidad como si fueran cápsulas de escape”.
Los investigadores, liderados por los doctorandos Todd Kwang-Tao Chou y Alejandra Dau-Martínez, obtuvieron imágenes de los biofilms con una resolución a escala de célula individual, lo que les permitió estudiar, como nunca hasta ahora, la matriz extracelular (MEC), la red de moléculas que conecta las células entre sí y les proporciona ayuda.
La modelización matemática desarrollada en colaboración con compañeros del Laboratorio de Biología de Sistemas Dinámicos (DSB) de la Universidad Pompeu Fabra permitió a los investigadores descifrar los mecanismos físicos que intervienen en el proceso de eyección, hasta entonces desconocidos. "Hemos diseñado un modelo matemático para confirmar que la eyección bacteriana es consecuencia de los cambios que se producen en el biofilm", explica Jordi Garcia-Ojalvo, catedrático del Departamento de Medicina y Ciencias de la Vida de la UPF, donde dirige el laboratorio DSB.
Cambiar las secreciones para preparar la eyección
Posteriormente, los investigadores determinaron que las fuerzas mecánicas que provocan la eyección son una red de polímeros autogenerada en forma de hidrogel. Concretamente, la producción de un polímero formado por ácido poli-y-glutámico (y-PGA) forma un hidrogel que puede absorber hasta mil veces su peso en agua. Al hincharse, el γ-PGA impulsa las células situadas en el interior a través de las capas externas para liberarse del biofilm.
“La secreción de γ-PGA hace que el entorno de las bacterias sea más fluido y que, de manera similar al flujo de lava durante una erupción volcánica, el biofilm se deforme hasta que consigue expulsar algunas de las bacterias que lo forman”, explica Júlia Vicens, investigadora del laboratorio DSB de la UPF y responsable del trabajo teórico.
Según los investigadores, esta capacidad de eyección permite a los biofilms en situación de carencia de nutrientes u otras amenazas garantizar la supervivencia de la comunidad, mediante la liberación de células móviles que pueden desplazarse y colonizar nuevos entornos.
“El biofilm sabe que va a morir, así que expulsa a algunas de sus células para que puedan sobrevivir y tener una nueva oportunidad”, señala Süel.
Tras analizar detalladamente el proceso de eyección, los investigadores confirmaron los resultados controlando y manipulando la función mediante la genética y las reacciones químicas. Cabe destacar que el equipo demostró que es posible provocar la ruptura del biofilm mediante la sobreproducción de γ-PGA.
Dado que los biofilms bacterianos son muy resistentes a los antibióticos y representan una amenaza creciente para la salud pública, forzar su ruptura podría abrir la puerta a nuevas aplicaciones en el futuro, como método innovador para eliminar comunidades bacterianas perjudiciales sin tener que recurrir a los fármacos.
"Hemos demostrado que los biofilms se pueden desintegrar sin necesidad de antibióticos ni sustancias químicas tóxicas; simplemente mediante la sobreproducción de γ-PGA", afirman los investigadores en su estudio. Los resultados también podrían ser útiles para entender, desde un punto de vista conceptual, la propagación del cáncer, puesto que los tumores comparten características con los biofilms bacterianos, incluida la metástasis, proceso mediante el cual los tumores liberan células cancerosas.
Autores del estudio
Todd Kwang-Tao Chou, Alejandra Dau-Martinez, Júlia Vicens-Figueres, Arvind Gouttumukkala, Leticia Galera-Laporta, Jordi Garcia-Ojalvo i Gürol M. Süel.
Este estudio ha contado con el apoyo del Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de Estados Unidos (beca R35 GM139645), la Oficina de Investigación del Ejército de Estados Unidos (becas W911NF-22-1-0107 y W911NF-1-0361), la Fundación Bill y Melinda Gates (INV-067331), el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades y la Agencia Estatal de Innovación/FEDER (España) (proyecto PID2024-160263NB-I00), el Consejo Europeo de Investigación (beca Synergy 101167121 (CeLEARN)) y el programa ICREA Academia 2024 (proyecto 0167 ICREA 2024, Departamento de Investigación y Universidades, Generalitat de Cataluña).
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