Los físicos determinan qué controla el crecimiento de biopelículas

Desde la placa que se adhiere a los dientes hasta la espuma de la piscina, las biopelículas se encuentran en casi todas partes. Estas colonias de bacterias crecen en dispositivos médicos implantados, nuestra piel, lentes de contacto y nuestros intestinos y pulmones. Se pueden encontrar en alcantarillas y sistemas de drenaje, en la superficie de las plantas e incluso en el océano.

«Algunas investigaciones sugieren que hasta el 80% de las infecciones en el cuerpo humano son causadas por bacterias que crecen en biopelículas», dice Awaz Pokhrel, Ph.D., Instituto de Tecnología de Georgia. Estudiante y autor principal de un nuevo estudio que utiliza la física para investigar cómo crecen estas biopelículas.

Se publicó un artículo titulado «Bases biofísicas del crecimiento de colonias bacterianas». Física de la naturaleza Esta semana, muestra que la aptitud de una biopelícula (la capacidad de crecer, expandirse y absorber nutrientes del medio o sustrato) está influenciada en gran medida por el ángulo de contacto que forma el borde de la biopelícula con el sustrato. El estudio encontró que esta geometría tenía la mayor influencia de todas en la aptitud física, incluida la velocidad a la que se reproducen las células.

«Eso fue una gran sorpresa para nosotros», dice el autor correspondiente Peter Yunker, profesor asistente en la Escuela de Física de Georgia Tech. «Esperábamos que la geometría desempeñara un papel importante, y pensamos que sería importante descubrir exactamente la geometría para comprender por qué la tasa de expansión del rango, por ejemplo (la tasa a la que la biopelícula se extiende sobre la superficie a lo largo del tiempo) es constante , pero no comenzamos el proyecto pensando que la geometría fuera el único factor importante».

Comprender cómo crecen las biopelículas (y qué factores contribuyen a su tasa de crecimiento) podría conducir a conocimientos fundamentales para controlarlas con aplicaciones para la salud humana, como frenar la propagación de infecciones o crear superficies más limpias.

«Esta oportunidad de utilizar la física para aprender sobre sistemas biológicos complejos me entusiasmó», dijo Pokhrel, que tiene un doctorado. estudiante en el laboratorio de Yunker, añade. «Especialmente en un proyecto que tiene tantas aplicaciones. La combinación de la salud humana y la importancia de una investigación apasionante fue realmente interesante para mí.»

Un nuevo método

Aunque las biopelículas son omnipresentes en la naturaleza, ha resultado difícil estudiarlas. Debido a que estas «ciudades microbianas» están formadas por individuos diminutos, los científicos han luchado por obtener imágenes de ellas con éxito.

Eso cambió en 2015, cuando Yunker comenzó a preguntarse si la interferometría, una técnica de imágenes comúnmente utilizada en física y ciencia de materiales, podría aplicarse a las biopelículas.

«Dada mi experiencia en física, estaba familiarizado con su uso en aplicaciones de materiales», recuerda Yunker. «Pensé que sería interesante aplicar esta técnica de manera más amplia, porque sabemos por décadas de física que las interfaces de superficie contienen mucha información sobre los procesos que las crean».

La técnica demostró ser simple, efectiva y eficiente en términos de tiempo, y permitió la determinación de colonias bacterianas a escala nanométrica. «Básicamente, esto nos permite obtener una imagen de la topografía (la forma de la superficie de la población bacteriana) con súper resolución», añade Yunker.

Aprovechando la interferometría, el equipo comenzó a realizar nuevos experimentos con biopelículas, investigando cómo cambiaban las formas de las colonias con el tiempo. La coautora Gabi Steinbach, ex becaria postdoctoral en el laboratorio de Yunker y ahora coordinadora de investigación científica en la Universidad de Maryland, descubrió que cada colonia tenía una forma específica cuando era joven: un casquete esférico, una esfera como un corte desde arriba. , o una gota de agua. Es una forma que aparece con frecuencia en la física y que despertó el interés del equipo.

«El casquete esférico es muy interesante en física porque tiene una forma que minimiza la superficie», añade Pokhrel. «Tenía curiosidad por saber por qué el material biológico estaba creciendo en esta forma, y ​​comenzamos a preguntarnos si había algo de física involucrada, tal vez la geometría estaba involucrada. Y eso me hizo pensar que podríamos desarrollar un modelo. Y eso me emocionó mucho. . «

El secreto de las matemáticas.

Sin embargo, los investigadores pronto se toparon con un obstáculo. «Aunque podemos ver que las colonias inicialmente eran casquetes esféricos, a medida que crecían se desviaron de esa forma», dice Pokhrel. «Y la forma que adquirieron fue difícil de explicar con la geometría del casquete esférico existente».

«El núcleo no creció lo suficientemente rápido como para mantener la forma del casquete esférico, y queríamos conectar todo esto con la expansión del rango (la velocidad a la que la colonia se propaga por la superficie)», añade Yunker. «Pero de alguna manera sabíamos que la geometría desempeñaba un papel muy importante».

Finalmente, Thomas Day, un ex estudiante de posgrado en el laboratorio de Yunker, ahora becario postdoctoral en la Universidad del Sur de California y uno de los autores del artículo, señaló un curioso problema de geometría llamado el problema del anillo de la servilleta.

«Tan pronto como empezamos a pensar en el problema de los servilleteros, pudimos empezar a desarrollar un conjunto de herramientas matemáticas», afirma Yunker, aunque la solución no requirió mucha mano de obra. «No pudimos encontrar a nadie que hubiera visto antes un servilletero con forma de casquete esférico, porque su aplicación es muy rara».

Pokhrel, junto con dos coautores, fue responsable de elaborar la geometría. Descubrieron que las células en el borde de la forma crecían exponencialmente y se extendían más hacia arriba en el medio, pero las células en el centro crecían hacia arriba, sin crear la misma forma que un huevo en una sartén, mientras que la clara del huevo se expandía hacia afuera. sólo la yema creció.

Este fue un descubrimiento revolucionario: dado que las células en el centro solo contribuían a la altura de la biopelícula, el equipo solo necesitaba calcular cuántas células había en el borde de la biopelícula y cuántas células necesitaban estar en forma para crecer y extenderse. . .

Después de incorporar sus hallazgos en un modelo matemático, el equipo descubrió que el ángulo de contacto es el factor más importante: el ángulo que forma la punta de la biopelícula cuando toca la superficie de crecimiento. Una sola cualidad geométrica es más importante para el crecimiento de una biopelícula que la velocidad a la que regenera las células.

Conexión Física-Biología

En total, el proyecto tardó más de tres años desde su concepción hasta su publicación. «Awaz realmente hizo un esfuerzo increíble, mira este trabajo», dice Yunker. «Han pasado muchos años y muchas, muchas pruebas. Pero el producto final vale la pena al 100%».

El equipo espera que la investigación allane el camino para futuros estudios que podrían conducir a aplicaciones como el control del crecimiento de biopelículas para ayudar a prevenir infecciones.

«De cara al futuro, aún quedan muchas vías de investigación», afirma Pokhrel. «Por ejemplo, al observar experimentos de competencia entre biopelículas, ¿las colonias altas cambian su ángulo de contacto para que se propaguen más rápido? ¿Qué papel juega esta geometría en la competencia?»

«La biología es compleja», dice Yunker. En la naturaleza, la superficie de crecimiento de una biopelícula no es tan estable como la superficie de un laboratorio y las colonias pueden tener diferentes adaptaciones o contener más de una especie. «Pero primero debemos entender qué sucede cuando la temperatura y la disponibilidad de nutrientes son constantes».

Y aunque el modelo se basa en cómo se comportan las biopelículas en un entorno de laboratorio controlado, es un primer paso fundamental para comprender cómo podrían comportarse en la naturaleza.