Descubrimiento podría influir en los métodos para controlar las bacterias en las superficies médicas y otras

Una cola flexible le permite a las bacterias nadadoras adelgazar el líquido circundante y liberarse cuando están atrapadas a lo largo de paredes u obstáculos. Este hallazgo podría influir en cómo se controla el crecimiento bacteriano en las superficies médicas, industriales y agrícolas. El nuevo estudio de investigadores de la Penn State University, publicado en un número reciente de la revista Royal Society Interface, utilizó modelos matemáticos para entender cómo las bacterias con flagelos -una colección de hilados utilizados para propulsión que actúan juntos como una cola- superan fuerzas del flujo de un líquido y navegan entornos complejos.

"Las bacterias son los organismos más abundantes en el planeta y se encuentran a menudo en líquidos", dijo Mykhailo Potomkin, investigador asociado en matemáticas en Penn State y autor del estudio. "Sabemos por estudios experimentales recientes que las bacterias pueden reducir la viscosidad efectiva -la fricción interna- de una solución, lo que les ayuda a moverse más fácilmente".

"En soluciones donde la concentración de bacterias es grande, esto se debe a un movimiento colectivo de bacterias efectivamente adelgazando la solución, pero también se observó una disminución de la viscosidad en soluciones diluidas donde las bacterias son menos abundantes", agregó Potomkin. "Este efecto se ha explicado por la caída bacteriana -cambios aleatorios en la dirección de las bacterias- pero una disminución similar en la viscosidad también se informó en cepas de bacterias que no realizan este comportamiento. Nuestro trabajo sugiere que los flagelos de la bacteria pueden ser responsable".

Utilizando un modelo matemático, el equipo de investigación demostró que los flagelos flexibles permiten a las bacterias superar las fuerzas locales entre las moléculas, reduciendo la viscosidad y adelgazando eficazmente el líquido. Esta comprensión podría tener implicaciones importantes para la creación de materiales biomiméticos -materiales artificiales que imitan la biología- para alterar las propiedades de una solución con fines biomédicos o industriales.

"Para entender si podemos controlar la viscosidad de una solución, necesitamos entender cómo las bacterias la controlan", dijo Potomkin. "Los flagelos juegan un papel clave en este control. También investigamos cómo las bacterias utilizan flagelos para navegar por un entorno más complejo mediante la introducción de muros en nuestro modelo. Las bacterias tienden a acumularse en las paredes u obstáculos y a menudo se atascan nadando a lo largo de las paredes. Tener flagelos flexibles elásticos a veces puede ayudar a las bacterias a escapar de este tipo de atrapamiento, por ejemplo, cuando los nutrientes se añaden a la solución y aumenta la motilidad de las bacterias".

Las bacterias que se acumulan en dispositivos biomédicos (por ejemplo, catéteres) y tuberías industriales y agrícolas y drenajes en forma de biofilms son difíciles de eliminar y pueden ser resistentes a los biocidas y antibióticos. Entender cómo las bacterias pueden escapar de las paredes podría eventualmente informar formas de controlar o prevenir la formación de estos biofilms a menudo dañinos. Otra aplicación puede ser la capacidad de desarrollar mejores formas de atrapar bacterias, por ejemplo para identificar tipos de bacterias en un líquido o para filtrarlas.

"Nuestros resultados indican que si desea atrapar bacterias, las trampas sencillas pueden no ser suficientes", dijo Igor Aronson, titular de la Cátedra Huck y profesor de Ingeniería Biomédica, Química y Matemáticas en Penn State y autor principal en el documento. "Necesitaríamos producir algo más sofisticado, usar flagelos elásticos es una forma en que las bacterias móviles reaccionan a su ambiente para persistir en condiciones adversas".

Además de Potomkin y Aronson, el equipo de investigación incluye a Leonid Berlyand, profesor de matemáticas en Penn State, y Magali Tournus, investigadora postdoctoral en Penn State en el momento de la investigación y profesora actual en la Universidad de Aix Marseille en Francia. La investigación fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud y con el apoyo del Departamento de Energía de los Estados Unidos y los Institutos Huck de las Ciencias de la Vida.