Cómo las comunidades bacterianas crean patrones caleidoscópicos y arrojan luz sobre el comportamiento colectivo

Separación caleidoscópica: Desarrollo de patrones de bioconvección formados por dos poblaciones bacterianas marcadas con fluorescencia de diferentes especies (una marcada en verde, la otra en rojo), mezcladas en proporciones iguales y observadas hasta 30 minutos después de la mezcla (Instituto Weizmann)

* Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

Una región desértica en el norte de México despertó la imaginación del Prof. Joel Stavans, físico que estudia la física de los procesos biológicos y está particularmente interesado en las comunidades bacterianas naturales. Descubrió un entorno acuático único en la Cuenca de Cuatro Ciénegas, ubicada en el estado mexicano de Coahuila. Esta zona alberga una extraordinaria diversidad de formas de vida, incluyendo comunidades microbianas excepcionales que prosperan en condiciones extremas similares a las que existían en la Tierra durante el Precámbrico, hace unos 700 millones de años.

Stavans y el Dr. Rinat Arbel-Goren, científico sénior de su laboratorio en el Departamento de Física de Sistemas Complejos del Instituto de Ciencias Weizmann, se unieron a expediciones de investigación para recolectar muestras de la región. Al regresar a Israel con varias de estas especies antiguas, se les unió el Dr. Oscar Gallardo-Navarro, microbiólogo mexicano experto en este entorno único, quien realizó una investigación postdoctoral en Weizmann.

En un experimento, Gallardo-Navarro se sorprendió al descubrir que, a pesar de crecer en condiciones estáticas, los cultivos bacterianos formaban zonas dinámicas, tanto turbias como transparentes, visibles a simple vista: patrones distintivos creados por cada especie bacteriana. Estos patrones, observados en las muestras, determinaron todo el estudio.

Una bacteria Bacillus cereus recolectada en la cuenca de Cuatro Ciénegas en México: capturada con un microscopio AFM, la imagen revela flagelos que permiten la natación (Instituto Weizmann)

Como se informó recientemente en Nature Communications, el grupo de investigación de Stavans descubrió que diferentes especies bacterianas, que nadan hacia zonas con mayor concentración de oxígeno, generan patrones únicos de autoorganización. En otras palabras, cada especie creó su propio diseño espacial: algunas crearon formaciones hexagonales, otras crearon estructuras alargadas o serpenteantes. Estos hallazgos amplían nuestra comprensión del movimiento colectivo en sistemas naturales como bandadas de aves, bancos de peces y colonias de hormigas, y también podrían tener implicaciones para el estudio del comportamiento humano colectivo e incluso en el campo de la robótica.

“Los llamativos patrones que observamos son el resultado de un proceso conocido como bioconvección”, explica Stavans. “Ya sea en un lago natural o en una placa de cultivo en el laboratorio, las bacterias, que no pueden sobrevivir sin oxígeno, nadan hacia la superficie del agua, donde los niveles de oxígeno son más altos. Dado que las bacterias son más densas que el agua, la gravedad las empuja hacia abajo una vez que alcanzan la superficie, generando corrientes de convección. Esto representa una interacción entre fuerzas opuestas: la gravedad empuja hacia abajo y la necesidad biológica de oxígeno de las bacterias empuja hacia arriba. Además, el movimiento ascendente y descendente facilita la natación a través de las corrientes de agua que crea, formando un ciclo autosostenible”.

La bioconvección es un fenómeno científico bien documentado, pero este estudio revela una nueva dimensión: una notable diversidad de patrones específicos de cada especie. “Las investigaciones anteriores se centraban principalmente en bacterias modelo cultivadas en laboratorio”, afirma Stavans, “y nadie había considerado examinar en detalle los patrones distintivos de comportamiento colectivo que exhiben las diferentes especies y cepas bacterianas de una misma comunidad natural".

(de izq. a der.) Dra. Rinat Arbel-Goren, Prof. Joel Stavans y Dr. Oscar Gallardo-Navarro (Instituto Weizmann)

Dado que todas las especies provenían del mismo hábitat y comunidad, nos preguntamos: ¿Qué pasaría si las mezcláramos también en el laboratorio? —dice Arbel-Goren—. Nos esperaba una gran sorpresa: no se mezclaron. En cambio, mantuvieron la segregación espacial dentro del cultivo.

Los investigadores mezclaron minuciosamente diversas especies bacterianas en diferentes proporciones y observaron con asombro cómo surgían nuevos patrones de bioconvección, patrones moldeados por las interacciones entre los diseños únicos producidos por cada especie. Los científicos etiquetaron las especies con diferentes colores fluorescentes y rastrearon, con gran precisión, la ubicación de cada una dentro del impresionante caleidoscopio que se formó.

Desconcertado por cómo y por qué se produjo una segregación tan espectacular, el equipo descartó la atracción o repulsión biológica entre las especies como causa; después de todo, sin bioconvección, no se observó segregación espacial. Las diferencias morfológicas entre especies tampoco pudieron explicar el fenómeno. Los investigadores plantearon la hipótesis de que podría deberse a las características de motilidad distintivas de cada especie. Al analizar el comportamiento natatorio de las diferentes bacterias, descubrieron que cada especie tenía su propia velocidad media y frecuencia de cambio de dirección. Cuanto mayor era la diferencia entre las características natatorias de dos especies, más marcada era la segregación espacial observada.

Cinco especies, un patrón sorprendente: Desarrollo de patrones de bioconvección formados por cinco poblaciones bacterianas diferentes, dos de las cuales fueron marcadas con fluorescencia (Instituto Weizmann)

“Es sorprendente ver cómo las diferencias microscópicas en el movimiento, del orden de dos micrones, dan lugar a patrones visibles en áreas más de mil veces mayores”, afirma Stavans.

Los investigadores creen que esta segregación evolucionó como una estrategia para minimizar las colisiones entre bacterias que nadan juntas, permitiendo que cada especie satisfaga mejor sus necesidades de oxígeno dentro de su hábitat compartido. Estos hallazgos podrían aplicarse no solo a las comunidades bacterianas de la Cuenca de Cuatro Ciénegas, sino también a los ecosistemas microbianos de todo el mundo.

Además, señala Stavans, los resultados podrían ser relevantes para un campo que los físicos denominan física de la materia activa, que estudia sistemas en los que el comportamiento colectivo surge del movimiento autopropulsado de componentes individuales, aunque estos no necesariamente se comuniquen entre sí.

Tantas especies, tantos patrones: Patrones de bioconvección únicos formados por diferentes especies bacterianas en el estudio, desde vetas sinuosas hasta intrincadas formas hexagonales. Barra de escala: 2 mm (Instituto Weizmann)

Números científicos: Las diferencias microscópicas en el movimiento bacteriano (del orden de 2 micrones) dan lugar a patrones visibles en áreas más de 1.000 veces más grandes.

También participaron en el estudio el Prof. Elías August de la Universidad de Reykjavik y la Dra. Gabriela Olmedo-Álvarez del CINVESTAV Unidad Irapuato, México.

El profesor Joel Stavans ocupa la Cátedra Siegfried e Irma Ullmann. Su investigación cuenta con el apoyo de los becarios Maurice y Vivienne Wohl.