Los microbiólogos han adoptado durante mucho tiempo el lenguaje de los asentamientos humanos para describir cómo viven y crecen las bacterias: "invaden" y "colonizan". Las relaciones que habitan muy cerca son "colonias".
Al combinar la tecnología de imágenes de súper resolución con un algoritmo computacional, un nuevo estudio en Comunicaciones de la naturaleza confirma que esta metáfora es más adecuada de lo que los científicos podrían haberse dado cuenta. Los hallazgos muestran que, a medida que las bacterias individuales se multiplican y crecen en una biopelícula densa y pegajosa, como la comunidad que forma la placa dental, sus patrones de crecimiento y dinámica reflejan los que se venen el crecimiento de las ciudades.
"Tomamos esta vista de 'nivel satelital', siguiendo cientos de bacterias distribuidas en una superficie desde su colonización inicial hasta la formación de biopelículas", dice Hyun Michel Koo, profesor de la Facultad de Medicina Dental de Penn y autor principal del"Y lo que vemos es que, notablemente, las características espaciales y estructurales de su crecimiento son análogas a lo que vemos en la urbanización".
Esta nueva perspectiva sobre cómo crecen las biopelículas podría ayudar a informar los esfuerzos para promover el crecimiento de microbios beneficiosos o romper y matar las biopelículas indeseables con productos terapéuticos.
La idea para la investigación surgió de conversaciones entre Koo; Geelsu Hwang, profesor asistente de Penn Dental Medicine que aplica ingeniería a problemas de salud oral; y Amauri Paula, físico que trabajó como profesor visitante en el laboratorio de Koo.
"Por lo general, cuando las personas estudian biopelículas, analizan una sola célula en un campo de visión estrecho a medida que se multiplica, se convierte en un grupo y comienza a acumularse", dice Koo. "Pero nos preguntamos si seguimos varias células individuales simultáneamente sipodríamos identificar algunos patrones a grandes escalas de longitud "
Hwang desarrolló potentes herramientas de imágenes de lapso de tiempo, empleando microscopía de escaneo láser confocal capaz de analizar la topografía de la superficie y rastrear las bacterias que pueblan una superficie hacia la célula individual en tres dimensiones a lo largo del tiempo. Mientras tanto, Paula trabajó para construir un algoritmo que pudiera analizar elcomportamiento de este crecimiento en el tiempo.
Para su estudio, usaron el microbio Streptococcus mutans , un patógeno oral responsable de causar caries cuando forma una biopelícula conocida más comúnmente como placa dental y libera ácidos que deterioran el esmalte dental.
Distribuyeron las bacterias en un material similar al esmalte dental y siguieron a cientos de microbios individuales durante varias horas a medida que se dividían y crecían.
En general, los patrones de crecimiento recuerdan la formación de áreas urbanas, encontró el equipo. Algunos "colonos" individuales crecieron, expandiéndose en pequeñas "aldeas" de bacterias. Luego, a medida que los límites de las aldeas crecieron y, en algunos casos, se encontraron, se unieron para formar pueblos más grandes y eventualmente "ciudades". Algunas de estas ciudades se fusionaron para formar "megaciudades" más grandes.
Sorprendiendo a los investigadores, sus resultados mostraron que solo creció un subconjunto de las bacterias. "Pensamos que la mayoría de las bacterias individuales terminarían creciendo", dice Koo. "Pero el número real fue inferior al 40%, con eldescanse muriendo o siendo engullido por el crecimiento de otras microcolonias ".
Tampoco esperaban una falta de inhibición cuando se produjo esta inmersión. Pensaron que, al encontrarse las diferentes microcolonias, podrían competir entre sí, lo que podría hacer que los dos bordes se repelen.
"En cambio, se fusionan y comienzan a crecer como una sola unidad", dice Koo.
Tanto en las bacterias individuales como a escala de biopelícula, los investigadores confirmaron que la secreción similar al pegamento conocida como sustancias poliméricas extracelulares EPS permitió a las bacterias empaquetarse estrecha y firmemente en la biopelícula. Cuando introdujeron una enzima que digirió EPS,comunidades disueltas y devueltas a una colección de bacterias individuales.
"Sin EPS, pierden la capacidad de empacar densamente y formar estas 'ciudades'", dice Koo.
Finalmente, los investigadores experimentaron para ver cómo la adición de un "amigo" o "enemigo" microbiano influiría en el crecimiento de la bacteria original. El "enemigo" fue Streptococcus oralis , una bacteria que puede inhibir el crecimiento de S. mutans . Esta adición perjudicó dramáticamente la capacidad de S. mutans para formar "ciudades" más grandes, como vecinos disruptivos que pueden afectar el crecimiento colectivo de la comunidad.
El "amigo" - el hongo Candida albicans, con el que Koo y otros han encontrado para interactuar S. mutans en biopelículas y para contribuir a la caries dental, no afectó la tasa de crecimiento de la biopelícula, pero ayudó a tender un puente sobre las microcolonias adyacentes, permitiendo el desarrollo de "ciudades" más grandes
Koo advierte acerca de llevar la metáfora de urbanización del crecimiento de biopelículas demasiado lejos, pero subraya las lecciones útiles que pueden resultar de estudiar el sistema de manera integral y al observar los eventos bajo las vistas de "primer plano" y "ojo de pájaro".
"Es una analogía útil, pero debe tomarse con un grano de sal", dice Koo. "No estamos diciendo que estas bacterias sean antropomórficas. Pero tomar esta perspectiva del crecimiento de biopelículas nos da una imagen multiescala y multidimensional de cómocrecen que no hemos visto antes "
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Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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