Tsunami bacteriano

No es la primera vez que hablamos en este blog de Myxococcus xanthus. Esta interesante bacteria social exhibe una panoplia de comportamientos fascinantes lo que hace que sea un organismo modelo en Biología de Sistemas. El último descubrimiento tiene que ver con su capacidad de "hacer olas".

Ciclo biológico de Myxococcus xanthus. En condiciones idóneas, la mixospora germina. La célula vegetativa se mueve mediante deslizamiento y produce una gran cantidad de enzimas extracelulares lo que le permite alimentarse de materia orgánica o de otras bacterias. La población crece en número y se va enjambrando(swarming) gracias a que las células usan un tipo de señal química para coordinarse y mantenerse en contacto físico. Cuando los nutrientes comienzan a escasear, el enjambre comienza a formar olas y a extenderse por sus bordes para así conseguir más nutrientes o presas. Finalmente, el agregado forma un cuerpo fructífero en el que se formaran las mixosporas. Fuente de la imagen: Kaiser D.

Lo que ha encontrado un grupo investigadores de la Universidad de Texas, es como los movimientos individuales de cada una de las bacterias se ven amplificados dentro del enjambre formando olas de gran fuerza que hacen que el conjunto se mueva hacia adelante al unísono. El comportamiento de formación de olas parece estar asociado a la existencia de bacterias-presa. Es decir, si hay comida en el borde de la colonia, el oleaje es mucho más fuerte. Los resultados han sido publicados en PLOS Computational Biology

Imaginemos una célula en el borde de la colonia. Si se mueve hacia adelante probablemente no encontrará a ninguna otra célula de M. xanthus, así que no recibe ninguna señal química y eso le impele a seguir adelante. Pero si se mueve hacia atrás lo más seguro es que se choque con una M. xanthus compañera, así que recibe un estímulo para que se de la vuelta y continúe en dirección contraria. De esta forma el resultado neto es que el enjambre se mueve constantemente en sus bordes.

a: Células de Myxococcus xanthus moviéndose en grupos mediante movilidad social (flecha negra) o moviéndose individualmente (flecha blanca). Las células prefiere seguir las sendas dejadas por otras células. b Un enjambre de M. xanthus mostrando las características olas en el proceso de consumir a un cultivo de Escherichia coli. La longitud de onda de las olas es de 100 micras. c: Detalle de las olas de distinta densidad formadas por las células de M. xanthus. Fuente de la imagen: Zusman et al.

Pero además, puede dar lugar a que el enjambre se auto-organice en unas olas de densidad alterna que muestran un comportamiento de movilidad colectiva oscilante. No es un sistema de reacción-difusión típico ya que las ondas de sentido opuesto no se aniquilan unas a otras, sino que lo que hacen es atravesarse entre si. Este comportamiento de formación de olas (rippling behavoir) puede modelarse matemáticamente en un ordenador y solo necesita tres ingredientes para funcionar:

1. Cuando dos células chocan físicamente intercambian una señal y una de ellas se da la vuelta.
2. Un periodo mínimo refractario después del cual una célula que se haya dado la vuelta, no puede dar la vuelta otra vez.
3. Una interacción física que permita a las células alinearse localmente.

Para comprobar que las predicciones del modelo funcionaban lo siguiente que hicieron fue observar al microscopio la formación de olas en presencia de una bacteria presa (nuestra vieja amiga Escherichia coli). Confirmaron así las relaciones existentes entre la longitud de onda de las olas, el periodo refractario y la velocidad del movimiento celular. Pero además se encontraron con que podían explicar un comportamiento que se había observado. Cuando un enjambre se encuentra con una zona en la que los nutrientes abundan, el movimiento del enjambre se detiene pero la velocidad de formación de olas aumenta debido al incremento de las señales provocadas por el contacto célula-célula. Eso permite que las células depredadoras permanezcan mucho más tiempo en contacto con la presa y se devore eficientemente la comida disponible. También han conseguido demostrar que es imprescindible el contacto físico entre las bacterias para provocar que una se de la vuelta, algo bastante llamativo ya que lo que esperaban era algún tipo de señal química difundible. El mecanismo molecular de este "toque" aún es desconocido, pero resulta bastante interesante pues permitiría diseñar algún tipo de interruptor por contacto para regular funciones en mecanismos nanotecnológicos o en microorganismos diseñados por biología sintética.

Comparación entre la simulación del modelo y un cultivo de M. xanthus. En el tiempo 0 las células están distribuidas homogéneamente. Fuente de la imagen: Zhang et al.

Enlaces relacionados: Micro-Cazadores: la manada de lobos de M. xanthus por Raven en su blog Micro Gaia.



Zhang H, Vaksman Z, Litwin DB, Shi P, Kaplan HB, & Igoshin OA (2012). The Mechanistic Basis of Myxococcus xanthus Rippling Behavior and Its Physiological Role during Predation. PLoS computational biology, 8 (9) PMID: 23028301

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

Artículos seleccionados: El sistema de motor hibrido de las mixobacterias.

Lo que sigue es la traducción de un interesante comentario escrito por Merry Joule, coautora junto con Moselio Schaechter del estupendo blog Small Things Considered.

Si hay algo que fascina a los microbiólogos es el comportamiento social mostrado por las myxobacterias desde que fueron aisladas por Roland Thaxter en 1892. Viajando en "manadas de lobos" (*) estas bacterias se deslizan a lo largo de las superficies sólidas como el agar. En masse son capaces de secretar tal cantidad de enzimas extracelulares que lisan y digieren a cualquier otra bacteria, su presa potencial, que se encuentre en su camino. Una de las grandes cuestiones sobre su forma de vida es cómo las células individuales se mueven dentro del enjambre de bacterias. En una reciente revisión, Dale Kaiser ha cubierto la pregunta desde un extremo al otro -tanto desde el punto de vista genético como molecular. Pero no hay que dejar que las páginas llenas de detalles le desanimen a uno. Incluso con una lectura superficial, se disfrutará de la historia que desvela.


En pocas palabras trata de lo siguiente. Myxococcus xanthus se "desliza" usando dos motores, uno en cada polo de la célula. En el polo de cabeza hay un motor basado en el pilus tipo IV que impulsa la célula hacia delante, en el polo trasero el empuje se produce por la expulsión a chorro de un moco a través de pequeños agujeros (ver "Bichos con propulsión a chorro"). Ambos tipos de motores son complejos, cada uno compuesto por unas 20 proteínas que forman una elaborada estructura. Los dos motores funcionan tan bien, que las células van mucho más deprisa que la suma de las velocidades medidas en mutantes con un solo motor.

Esquema del motor pilus tipo IV. Hay siete proteínas del tipo pilinas que no se muestran por motivos de claridad. Las proteínas que forman el pilus son retraidas hacia el interior y así se crea la fuerza de tracción (origen de la imagen).

Las células pueden producir los pili en cualquiera de los polos, pero sólo lo hacen en el polo de cabeza. Cuando los pili extendidos se pegan a un grupo de células de M. xanthus, estos se retraen, tirando de la célula hacia el grupo. Eso quiere decir que las células deben de estar a menos de lo que mide un pilus para hacer su trabajo. Las puntas de los pili no se pegan a cualquier lugar, sino sólo a las fibras de un polisacárido extracelular específico de estas bacterias.

Fotografía de microscopía de barrido de células de M. xanthus mostrando las fibrillas extracelulares (origen de la imagen)

Sobre el empuje. Las primeras observaciones de los caminos mucosos visibles en las placas de agar sugerían que estás bacterias podían impulsarse gracias a la secreción de dicha mucosidad. De hecho, hay razones para pensar que este mecanismo de cohete es plausible. Las fotografías de microscopía electrónica de transmisión del polo trasero de la célula muestran que hay más de un centenar de agujeros en la membrana externa, denominados toberas, desde los cuales pueden expulsarse estrechos y amorfos filamentos de polisacárido. Estos finos filamentos se fusionan para formar la brillante cinta de senda mucosa visible en microscopia de contraste de fase. El otro polo de la célula también tiene su grupo de toberas, pero están inactivas.

Fotografía de microscopía electrónica de una envoltura celular de M. xanthus mostrando el agrupamiento de toberas en uno de los polos (origen de la imagen)

Las myxobacterias pueden dividirse y deslizarse al mismo tiempo. Cuando se forma el septo de división, una de las células hijas hereda el polo con el pilus activo de su madre y ensambla un motor de chorro en su nuevo polo. De la misma forma, la otra célula hija hereda el motor de chorro y ensambla un nuevo motor con pilus. El resultado es que las dos células hijas siguen desplazándose en la misma dirección en la que se movía la madre, sin perder el paso. Hay otro aspecto sorprendente: aproximadamente cada 7 minutos las células revierten su dirección de deslizamiento. El polo de cabeza que antes producía pili comienza a producir chorros de moco y viceversa. En solo un minuto se apagan los viejos motores y se encienden los nuevos.


Si alguna vez tienes que convencer a algún escéptico que no cree que las bacterias sean habilidosas ni complejas, puedes darle a leer una copia de este comentario.





(*) El término "manada de lobos" (wolf pack) tiene un significado algo especial en el idioma inglés. Además del grupo de cánidos cazadores también se refiere a las flotillas de submarinos alemanes que atacaban a los barcos aliados durante la Segunda Guerra Mundial. Los submarinos y las mixobacterias tienen en común el tener una forma bastante similar, y que ambos actúan como depredadores en grupo.

Myxobacterias. Bichos con propulsión a chorro

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Las myxobacterias o mixobacterias, tienen el honor de ser el grupo de procariotas más complejo que se conoce. Individualmente parecen una bacteria más: un bacilo heterotrófico que vive en los suelos y que genera una gran cantidad de enzimas extracelulares.

Sin embargo cuando se analiza más profundamente a este grupo de bacterias nos encontramos con unas cuantas cosas muy llamativas. La primera es que su genoma es enorme. Casi 10 Megabases (E. coli tiene 4,6 Mb). La segunda es que es una bacteria social. Eso quiere decir que puede comunicarse con otras células de su misma especie y actuar conjuntamente.

El organismo modelo de este grupo de bacterias es la especie Myxococcus xanthus. Ya en 1892 el microbiólogo Roland Thaxter describió que dichos micoorganismos tenían un ciclo biológico que recordaba al de algunos hongos eucariotas. Thaxter encontró que, ante la falta de nutrientes, estas bacterias se agregaban y formaban cuerpos fructíferos o esporangios. Dentro de dichos esporangios se encontraban células diferenciadas en mixosporas. Las mixosporas permanecían latentes hasta que volvía a haber nutrientes en el medio. Entonces germinaban desarrollando un nuevo bacilo.

Recientemente las mixobacterias han deparado una nueva sorpresa. Hasta ahora se sabía que estas bacterias se mueven por deslizamiento gracias a la secreción de un polisacárido mucoso. Se pensaba que dicho polisacárido actuaba como una especie de superficie sobre la cual las proteínas de la membrana externa se adherían y permitían el movimiento de una forma análoga a las orugas de un tanque. Sin embargo un grupo de la Universidad de Connecticut ha encontrado otra cosa muy distinta.

Las mixobacterias generan el polisacárido en los polos de la célula y lo secretan a través de unas aberturas. Hay unas 250 en cada polo de la bacteria. Si el polisacárido es sintetizado lentamente, se secreta también lentamente y la bacteria no se mueve. Pero cuando el polisacárido es creado más rapidamente, entonces no puede salir por las aberturas a la misma velocidad. Eso crea una compresión de dicha molécula que acaba saliendo de forma muy parecida a la espuma de un spray. Con ello se crea un impulso que permite el deslizamiento de la bacteria como si fuera un cohete.

Esta forma tan curiosa de propulsión ha despertado el interés de varios nanotecnólogos pues consideran que puede ser una buena forma de desplazar pequeños objetos, y de hecho ya hay un grupo de la Universidad de North Carolina que está intentado buscar aplicaciones.

A continuación dejo una serie de enlaces a películas en formato quicktime sobre este interesante grupo de bacterias:

Movimiento por deslizamiento

Movimiento por deslizamiento. Formación de caminos mucosos.

Comportamiento social: agregación

Comportamiento social: ondas

Comportamiento social: avance en el frente de agregación

Comportamiento social: cuerpo fructífero. Vista desde arriba Comportamiento social: cuerpo fructífero. Vista de perfil Germinación de un esporangio al completo Germinación de myxosporas Alimentación: lisis de bacterias del género Sarcina. Audio en "El podcast del microbio" .