Los científicos descubrieron una forma de transformar millones de bacterias depredadoras en turbas destellantes que recuerdan a "La noche estrellada" del pintor Vincent Van Gogh como resultado inesperado de experimentos en un circuito genético que las criaturas usan para distinguir entre amigos y enemigos.
Myxococcus xanthus se ha estudiado durante décadas como un sistema modelo para la cooperación social y la regulación de genes bacterianos. Mientras se estudia M. Xanthus mutantes que sobreexpresan dos proteínas que las células usan para reconocer a parientes cercanos, investigadores de la Universidad Rice y la Universidad de Wyoming descubrieron un comportamiento no reportado anteriormente: la autoorganización en círculos de un milímetro o más de diámetro.
La investigación se describe en un estudio publicado en línea en la Sociedad Estadounidense de Microbiología mSystems , y se incluirá una imagen del estudio en un próximo número de la revista de acceso abierto.
"Cuando sobreexpresas esa proteína, puedes ver que estos agregados circulares emergen después de cuatro horas, y a las 12 horas ocupan toda la placa de Petri", dijo el coautor del estudio Oleg Igoshin, profesor de bioingeniería enRice y científico principal del Centro de Rice de Física Biológica Teórica.
El grupo de investigación de Igoshin y el grupo de microbiología de Wyoming dirigido por el coautor Daniel Wall colaboraron durante cinco años en el estudio, realizando docenas de experimentos de laboratorio y computacionales para descubrir el mecanismo genético de los enjambres circulares.
M. Xanthus se alimentan de otras bacterias. Al carecer de órganos internos para digerir a sus presas, se agrupan en manadas familiares para engullir y devorar a las víctimas, que pueden incluir M. Xanthus que no son miembros de la familia.
Hace unos cinco años, Wall y el coautor del estudio Pengbo Cao, entonces estudiante de posgrado en su laboratorio y ahora asociado de investigación postdoctoral en el Instituto de Tecnología de Georgia, mostraron M. Xanthus utiliza un receptor de superficie llamado TraA y una proteína asociada llamada TraB para reconocer a los parientes. Cuándo M. Xanthus choca con un pariente cercano, el complejo TraAB actúa como una especie de pegamento, formando una unión pegajosa entre los dos. Cuando M. Xanthus se encuentra con no relacionado M. Xanthus , TraAB ayuda a envenenar a los no familiares
Mientras investigaba el mecanismo de TraAB, el equipo de Wall creó varias cepas mutantes, incluidas algunas que sobreexpresaban TraAB, produciendo más proteína de lo normal, y Cao notó que tenían una tendencia a formar grupos de células en unas pocas horas. Mientras que el equipo de Wall siguióCon los experimentos microbiológicos, se le preguntó al grupo de Igoshin si podía crear un modelo teórico que pudiera explicar el misterio.
"Lo interesante de nuestra teoría es que la única forma en que vemos estos agregados circulares en nuestras simulaciones es cuando hacemos que las células no se reviertan", dijo Igoshin. "En las células normales de tipo salvaje, van y vienen, de ida y vuelta, como un tren de cercanías. La cabeza se convierte en la cola y la cola se convierte en la cabeza. Y lo hacen cada ocho minutos más o menos ".
El modelo simulado M. Xanthus comportamiento basado en cambios en TraAB y otros circuitos de señalización y fue desarrollado por Igoshin y los coautores del estudio Rajesh Balagam y Zhaoyang Zhang, que entonces eran estudiantes graduados en su laboratorio.
"Nuestra primera idea fue que tal vez sean tan pegajosos que simplemente no se pueden revertir", dijo Igoshin. "Así que intentamos ver si las células pegajosas que normalmente se revierten formaban agregados circulares. Agregamos una adhesión muy, muy fuertea nuestras simulaciones, y no pasó nada. No hicieron círculos. Sin embargo, si en cambio inhibimos las inversiones, las simulaciones funcionaron. Surgieron agregados circulares ".
Los experimentos de seguimiento en Wyoming verificaron las células en los agregados no se revirtieron, pero eso generó aún más preguntas.
"De alguna manera, la sobreexpresión de TraAB en los agregados impidió que las células se invirtieran", dijo Igoshin. "Así que esto fue muy bueno para nosotros, porque esto es lo que predijo nuestro modelo. Pero esto también fue un poco desconcertante y completamente inesperado. Porque TraAB, hasta ahoracomo sabíamos, no tenía nada que ver con la regulación de reversión ".
Se descartaron algunas explicaciones posibles con experimentos de seguimiento. La evidencia sugirió que la adherencia de TraAB podría ser la clave.
"¿Pero cómo es que la adhesión suprime las reversiones?", Dijo Igoshin. Nuestra idea era que tal vez había algún tipo de señal dependiente del contacto entre las células que suprime las reversiones. Las células están en grupos densos y están en contacto con otrastodo el tiempo, pero esos contactos son transitorios. Pero si la sobreexpresión de TraAB realmente te vuelve pegajoso, tu vecino seguirá siendo tu vecino por más tiempo, y eso podría activar la señal que suprime las reversiones ".
Con esos cambios, el modelo comenzó a producir patrones muy similares a los que el equipo de Wall estaba viendo en sus experimentos con ingeniería M. Xanthus cepas. Para ver si el modelo podía predecir un comportamiento que aún no se había visto en experimentos, el equipo de Igoshin simuló lo que sucedería en colonias mixtas de M. Xanthus , incluidas mezclas de dos mutantes extra-pegajosos que no se reconocieron como parientes. El modelo predijo que formarían grandes enjambres rotativos que contienen mezclas de las dos cepas.
La predicción se confirmó en experimentos del equipo de Wall y se reveló la aplicación de colores falsos a las imágenes microscópicas de las colonias M. Xanthus 'pastiche de "La noche estrellada".
"Nuestro trabajo destaca cómo una bacteria social, conocida por sus ricas fuentes de productos naturales terapéuticos y como agentes de control biológico de cultivos, sirve como un modelo poderoso para estudiar comportamientos emergentes que también exhiben belleza artística", dijo Wall.
Otros coautores incluyen a Govind Sahb y Kalpana Subedib de la Universidad de Wyoming. La investigación fue apoyada por la National Science Foundation 1903275, 1951025 y los National Institutes of Health R35GM140886, R01GM101449.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Jade Boyd. Nota: el contenido puede editarse por estilo y longitud.
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