Introducción
Cierra los ojos e imagina bacterias. Tal vez te estés imaginando nuestro intestino Escherichia coli, o las bolas doradas y brillantes del estafilococo, o los tirabuzones de las espiroquetas de la enfermedad de Lyme. Independientemente de la especie y su forma, es probable que el ojo de su mente evoque una sola célula, o tal vez varias células de vida libre.
El problema de esta imagen, dice el microbiólogo julia schwartzman, es que no refleja cómo es probable que viva la mayoría de las bacterias. A menudo, las bacterias usan moléculas pegajosas para anclarse a una superficie, creciendo en colectivos grandes y estables llamadas biopelículas. La placa de los dientes es una biopelícula; también lo son las infecciones en los catéteres, el verde viscoso de la escoria del estanque y la suciedad que obstruye el desagüe de la bañera.
Pero el trabajo reciente de Schwartzman, que realizó como becaria postdoctoral en el laboratorio de oto cordero en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, muestra que incluso las bacterias que flotan en el océano abierto, que carecen de un punto de anclaje para formar grandes conglomerados, existen en formas multicelulares.
“Vimos estas estructuras que eran simplemente increíbles”, dijo.
Como Schwartzman, Cordero y sus colegas demostraron en su artículo reciente en Current Biology, estas formas multicelulares surgieron porque las bacterias desarrollaron un ciclo de vida mucho más complejo que el que se suele observar en los organismos unicelulares.
Compañía para la cena
Schwartzman llegó a estos descubrimientos sobre la multicelularidad en las bacterias marinas mientras intentaba aprender algo más fundamental: cómo comen.
En mar abierto, a menudo la única fuente de energía para los microbios marinos es un carbohidrato gelatinoso llamado alginato. A diferencia de la glucosa, la fructosa y otros azúcares simples que pueden cruzar fácilmente una membrana celular, el alginato está formado por hebras largas y enrolladas que a menudo son más grandes que las bacterias que se alimentan de ellas. Schwartzman quería saber más sobre cómo las bacterias se dan un festín de manera eficiente, ya que las enzimas digestivas que secretan para descomponer el alginato podrían diluirse y arrastrarse fácilmente en las aguas del océano abierto.
Es por eso que ella y Ali Ebrahimi, otro postdoctorado en el laboratorio de Cordero, comenzaron a medir el crecimiento de la bacteria marina luminiscente. Vibrio espléndido en frascos de caldo tibio cargado de alginato. En muchos experimentos de microbiología, los científicos proporcionan a los microbios una mezcla heterogénea de nutrientes para alentar a las células a dividirse lo más rápido posible, pero los frascos de Schwartzman y Ebrahimi forzaron la Vibrio bacterias subsisten con cantidades relativamente pequeñas de polímeros de alginato de gran tamaño, tal como lo hacen en el mar.
Sin embargo, cuando Schwartzman comenzó a recopilar datos, pensó que había cometido un error de principiante. A medida que las bacterias se multiplican, transforman el caldo de cultivo transparente de color ámbar en un estofado turbio. Al medir la turbidez, Schwartzman pudo extrapolar la cantidad de microbios en el matraz y construir una curva de crecimiento para estimar qué tan rápido se dividían las células. Los bacteriólogos han estado estimando las tasas de crecimiento de esta manera durante décadas. Como posdoctorado, Schwartzman había perdido la cuenta de cuántas veces había hecho esto a lo largo de los años.
La curva de crecimiento para ella. Vibrio Sin embargo, las culturas no mostraban la línea ascendente suave habitual, sino más bien un garabato lleno de baches como la pista de una montaña rusa. No importa cuántas veces repitió el proceso, la bacteria no produjo la turbidez esperada en el caldo.
Un globo de nieve microscópico
Para comprobar lo que estaba pasando, Schwartzman depositó una gota de la solución de cultivo en un portaobjetos de microscopio de vidrio y miró a través de la lente con un aumento de 40 veces. Lo que ella y Ebrahimi vieron no fueron enjambres de individuos Vibrio sino hermosos orbes en capas que consisten en cientos o miles de bacterias que viven juntas.
“No era solo una gota de bacterias”, dijo Schwartzman. “Es una cosa esférica, y puedes ver las células mezclándose en el medio”.
Trabajos posteriores demostraron que las esferas huecas eran VibrioLa solución al complicado reto de comer en el mar. Una bacteria individual puede producir solo cierta cantidad de enzima; descomponer el alginato es mucho más rápido cuando Vibrio pueden agruparse. Es una estrategia ganadora, dice Schwartzman, hasta cierto punto. si hay demasiados Vibrio, el número de bacterias supera al alginato disponible.
La bacteria resolvió el enigma al desarrollar un ciclo de vida más complejo. Las bacterias viven en tres fases distintas. Al principio, una célula individual se divide repetidamente y las células hijas se agrupan en grupos crecientes. En la segunda fase, las células agrupadas se reorganizan en una esfera hueca. Las células más externas se pegan entre sí, formando algo parecido a un globo de nieve microscópico. Las células del interior se vuelven más móviles, nadando mientras consumen el alginato atrapado. En la tercera fase, la capa exterior quebradiza se rompe, liberando las células internas bien alimentadas para comenzar el ciclo de nuevo.
En efecto, Vibrio convertirse en una mezcla heterogénea de células, con las bacterias utilizando diferentes genes para controlar su comportamiento en cada fase. A medida que las células interactúan con sus vecinas en la estructura, lo que emerge es "una cantidad sorprendente de complejidad", dijo Schwartzman, quien lanzará su propio laboratorio en la Universidad del Sur de California en enero. “Las bacterias obtienen constantemente información de su entorno y, a veces, responden de formas que cambian el entorno”.
Esta complejidad compensa Vibrio de varias maneras. Al alterar su ciclo de vida para incluir una etapa multicelular, las bacterias pueden digerir el alginato de manera eficiente: su número aumenta y la cubierta hueca ayuda a concentrar las enzimas. Mientras tanto, la estructura de la comunidad impide que nazcan demasiadas células. Las células en el caparazón pierden la oportunidad de reproducirse, pero su ADN sigue vivo en la próxima generación de todos modos, ya que todas las células en el orbe son clones.
¿Qué tan común es la multicelularidad?
La obra es “un hermoso papel”, según Jordi van Gestel, que estudia la evolución del desarrollo microbiano en el Laboratorio Europeo de Biología Molecular y no participó en la investigación. Van Gestel dice que los resultados refuerzan la idea de que, lejos de ser la excepción, la vida en grupo microbiana es la norma.
“Ilustra maravillosamente la complejidad del ciclo de vida en una bacteria tan simple”, dijo.
Anahit Penesyán, un microbiólogo de la Universidad Macquarie en Australia, dice que el trabajo de Schwartzman y Cordero ofrece un desafío útil a las ideas preconcebidas sobre las bacterias. “Está grabado en nuestra comprensión que un microbio es solo una célula”, dijo, y como consecuencia, los investigadores a menudo no buscan comportamientos complejos que puedan dominar la vida microbiana. “Es como mirar la semilla o la espora de una planta y tratar de inferir cómo es toda la planta”.
El nuevo Vibrio El hallazgo se suma a una lista creciente de microbios que pueden volverse multicelulares durante al menos parte de su vida. El año pasado, investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia informaron que las levaduras unicelulares en su laboratorio desarrollaron un enorme forma multicelular en solo dos años. Y en octubre, investigadores en Japón anunció su descubrimiento de bacterias que crecen en estructuras multicelulares en las paredes de las cuevas; cuando las rocas son sumergidas por corrientes subterráneas, las estructuras expulsan células especializadas como semillas para colonizar otros lugares.
Schwartzman y van Gestel creen que la capacidad para la multicelularidad evolucionó temprano en la historia de la vida y se comparte con los antiguos primos de las bacterias, las arqueas, que también parecen unicelulares. Piensan que es solo cuestión de tiempo hasta que los investigadores encuentren otras especies con propiedades similares, y Schwartzman ya ha comenzado a buscar.
James Shapiro, una microbióloga jubilada de la Universidad de Chicago, tiene pocas dudas de que lo encontrará.
A partir de la década de 1980, Shapiro y otras luminarias de microbiología como bonnie bassler en la Universidad de Princeton mostró que el estilo de vida unicelular de bacterias bien estudiadas era a menudo un artefacto de los entornos de matraces artificiales en los que crecían. En un artículo de 1998 existentes Revisión anual de microbiología, Shapiro argumentó que las bacterias no son solitarias unicelulares. “Llegué a la conclusión de que básicamente todas las bacterias son organismos multicelulares”, dijo.
Durante su carrera de cuatro décadas, Shapiro vio cómo su hipótesis se transformaba de casi herética a incontrovertible. “Al principio, solo recibía atención desconcertada, pero ahora se ha convertido en sabiduría convencional”, dijo. “La multicelularidad es una propiedad inherente de las bacterias”.
Nota del editor: Cordero es codirector de la Colaboración Simons sobre los principios de los ecosistemas microbianos. La investigación de Schwartzman, Cordero y sus colegas fue respaldada por esa colaboración de la Fundación Simons, que también patrocina esta revista editorialmente independiente.
