Campeonato de micro-Forzudos

Muchas bacterias se mueven. Unas lo hacen mediante flagelos, otras mediante deslizamiento y otras utilizando la propulsión a chorro. Pero hay otra forma de moverse y es "trepando" por las superficies a base de fuerza bruta.

Seguramente todo el mundo habrá visto alguna secuencia en la que un escalador trepa por una pared de roca utilizando tan sólo la fuerza de sus brazos (y si no, arriba he insertado una). El escalador alarga su brazo, hace presa con su mano y asciende al contraer su brazo. Bueno, pues hay bacterias que también tienen una especie de brazo contráctil. Se le conoce como pili de tipo IV (o T4P).

El T4P es un filamento flexible compuesto de miles de subunidades ensambladas entre si de una proteína denominada pilina (también llamada PilA). Además, puede haber unas cuantas decenas o centenas de estas estructuras distribuidas por la superficie celular. Estas estructuras le sirven a la bacteria para muchas cosas además de para trepar. Están involucradas en la comunicación intercelular por la formación los "nanocables" de los que hablamos en una entrada anterior, en el establecimiento de biofilms, y en la interacción con el hospedador en el caso de bacterias simbiontes, sean estas mutualistas o parásitas.

Modelo estructural de los procesos de ensamblaje y retracción en el pili de Tipo IV. La proteína PilA (óvalos púrpuras) es sintetizada en el citoplasma. PilA queda insertada en la membrana citoplasmática después de que la proteasa PilD procese el péptido líder. Posteriormente, un sistema formado por varias proteínas (PilC, PilB, etc.) permite el ensamblaje de PilA en el espacio periplásmico. El pili así formado se extrude por el poro formado por la proteína PilQ. En el extremo distal está la adehsina C1/Y1, un tipo de proteína que actúa como un gancho. La proteína PilT (ovalo grande rojo) está localizada en la membrana plasmática y es la responsable del desensamblaje de PilA y por lo tanto de la fuerza de retracción.

Los filamentos T4P son estructuras largas y delgadas pero que tienen una gran resistencia a la tensión. Por eso pueden ser usadas para trepar. El extremo distal del pili se engancha a la superficie gracias a un tipo de proteína llamada adhesina. Entonces, las subunidades de pilina son desensambladas en el otro extremo que está en el interior de la célula. La remoción de la pilina se produce gracias a PilT, una proteína con actividad ATPasa. El efecto de la despolimerización es una retracción del pili, lo que permite que la célula trepe por la superficie. A este movimiento contráctil se le conoce en inglés por el término "twitching motility" que podría traducirse por movimiento espasmódico.

Una población de Pseudomonas aeuroginosa en pleno movimiento contractil

¿Cuánta fuerza puede desarrollar la contracción de un pili? Es una buena pregunta y para eso necesitamos algún sistema para medirlo. En el caso del brazo de un escalador usaríamos un dinamómetro. Así que para medir la fuerza de T4P hay que usar un dinamómetro pero a escala nanotecnológica. Es lo que se conoce como pinzas ópticas, de las también hemos hablado anteriormente en el blog.

El sistema experimental desarrollado por el grupo de la doctora Berenike Maier para medir dichas fuerzas ha consistido en inmovilizar a las bacterias en un portaobjetos para microscopio recubierto de una fina capa de poliestireno. Luego permitieron la adhesión de unas bolas de látex al extremo distal del pili. Las bolas de látex pueden ser localizadas gracias a las pinzas ópticas., así que si se mueve la bolita es porque el pili que la tiene sujeta se contrae. Ahora sólo falta calcular la fuerza aplicada gracias a la medición del tiempo del desplazamiento y la distancia recorrida por la bolita.

Diseño experimental para medir la fuerza generada durante la retracción del filamento de T4P. La célula se inmoviliza en un portaobjetos cubierto con poliestireno. La pinza óptica atrapa a la bola de látex. Cuando el filamento T4P está unido a la bola y se retrae, se produce un desplazamiento (d) de la bola desde el centro de la trampa óptica. Si movemos el portaobjetos una distancia x se contrarresta la fuerza ejercida por T4P, con lo que d permanece constante y así podemos medir la fuerza del pili. La gráfica inferior muestra los resultados de un experimento tipo sobre la fuerza (F) de retracción del pili en el tiempo. Las unidades son d: nanómetros, t: segundos, F: picoNewtons. (Fuente: Clausen et al. ).

Los investigadores realizaron una especie de campeonato de micro-forzudos. En una esquina tenían al campeón Neisseria gonorrhoeae (el patógeno de la gonorrea), con una fuerza registrada de 110 picoNewtons (pN). Y en la otra esquina al aspirante, Myxococcus xanthus, una bacteria del suelo. En la competición el aspirante superó al poseedor del título con una marca de 150 pN.

¿Eso es mucho o poco? Nada mejor que una buena comparación. En nuestras células también tenemos proteínas contráctiles, siendo las más famosas la actina y la miosina de los músculos. Pues bien, los valores de fuerza desarrollada para los filamentos de ambas proteínas es de 7'7 y 2'5 pN respectivamente. Aparte de quedar claro quiénes son los alfeñiques, también se demuestra que el pili de Tipo IV es el motor linear más potente conocido por el hombre.

Esta entrada está basada en parte del material descrito en "Measuring the Strength and Speed of the Microbial Grappling Hook" escrito por Amber Pollack-Berti en el blog "Small things considered".


Esta entrada participa en el VII carnaval de la Física







Clausen, M., Jakovljevic, V., Sogaard-Andersen, L., & Maier, B. (2009). High-Force Generation Is a Conserved Property of Type IV Pilus Systems Journal of Bacteriology, 191 (14), 4633-4638 DOI: 10.1128/JB.00396-09