Descubren una “memoria mecánica” en bacterias

Unos científicos han descubierto en bacterias Escherichia coli, que habitan en el intestino humano y que son muy relevantes para la salud, algo calificable de “memoria mecánica”.

El estudio en el que se ha hecho este hallazgo es obra de un equipo de especialistas del Instituto de Biología Integrativa de Sistemas (I2SysBio, centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Valencia (UV)) y también de expertos del Centro de Tecnología Nanofotónica de la Universidad Politécnica de Valencia, en España todas estas entidades.

El estudio demuestra que las bacterias Escherichia coli crecen de forma predecible siguiendo las leyes de la física tras haber sufrido una exposición a los antibióticos. Los resultados de la investigación evidencian el papel de las fuerzas mecánicas y la geometría celular en los procesos de división bacteriana, y abren nuevas vías para entender el comportamiento microbiano y para desarrollar tratamientos antibióticos más eficaces.

Durante situaciones de estrés como las generadas por la exposición a antibióticos, las bacterias pueden interrumpir su división celular y comenzar a crecer en forma de filamentos. Es un mecanismo de resistencia bacteriana conocido como ‘filamentación’, frecuente en infecciones como las del tracto urinario. Este crecimiento genera tensiones mecánicas que curvan y deforman los filamentos. El estudio, liderado por el investigador del I2SysBio Javier Buceta, demuestra que estas bacterias tienden a curvarse de forma predecible según las leyes de la física. “Este comportamiento no es aleatorio, responde a una mecánica estudiada que regula cómo se distribuye la tensión en la célula al crecer”, explica el investigador del CSIC.

Respuesta biológica y comportamiento mecánico

El trabajo se centra en la filamentación inducida por antibióticos y demuestra, por primera vez en bacterias filamentosas como E. coli, que esta curvatura no solo afecta a la estructura externa de la célula (su forma), sino que también modifica procesos biológicos esenciales para su supervivencia y comportamiento. Por ejemplo, el cambio en la forma celular altera la actividad de una red de proteínas llamada Min, que escanea la célula para determinar el sitio correcto de división.

Mediante un enfoque multidisciplinar, el estudio muestra cómo en las zonas de mayor curvatura se observa una menor concentración de ADN y de MinD (una de las tres proteínas principales que forman la red Min), así como una mayor actividad de la maquinaria de división celular. “Este fenómeno, que liga la respuesta biológica con el comportamiento mecánico, está relacionado con fenómenos de trasporte en el interior de la célula, ya que la curvatura modifica cómo se mueven y se agrupan las proteínas en la membrana celular. Esto supone la primera demostración de un efecto de mecanobiología en bacterias filamentosas”, asegura Buceta.

En este sentido, el trabajo evidencia que, una vez desaparece el estrés, la célula tiende a dividirse en los puntos de máxima curvatura, lo que indica que conserva una huella de las tensiones sufridas. Esta memoria mecánica actúa como un marcador interno que guía futuras divisiones cuando las condiciones vuelven a ser favorables.

Bacteria de E. coli en un substrato con forma de espiral. El (falso) color indica la presencia de la proteína MinD. (Imagen: M. Nadal, I. Lopez-Grobas y J. Buceta)

Nuevos tratamientos antibióticos

Sobre las implicaciones de estos hallazgos, Marta Nadal, del I2SysBio y primera autora del estudio, sostiene que “esta perspectiva mecanobiológica abre nuevas líneas de investigación en biomedicina, donde se podrían explorar terapias que interfieran con sus propiedades físicas o estructurales”.

“Además, entender cómo las bacterias retienen memoria de situaciones adversas puede ser crucial para anticipar su comportamiento tras tratamientos antibióticos, ayudando a prevenir recaídas o resistencias. En el ámbito de la salud pública, este conocimiento podría aplicarse al diseño de estrategias para el control de infecciones persistentes o recurrentes, especialmente en un contexto de creciente resistencia a los antibióticos”, afirma Nadal.

La forma de la bacteria guía su destino

“Nuestro trabajo va más allá de los mecanismos bioquímicos tradicionales y revela que la física es un director fundamental en su división”, indica Iago López Grobas, investigador postdoctoral Marie Curie en el grupo y colíder de la investigación. “En esencia, aportamos una nueva pieza al puzle: la forma física de la bacteria no es una simple consecuencia de su crecimiento, sino una señal activa que guía su destino. Esto es crucial para entender cómo las bacterias se dividen de manera eficaz incluso en condiciones adversas, un conocimiento que puede ser explotado para desarrollar estrategias que interrumpan este proceso y venzan la resistencia", añade.

“Nos intriga explorar si otros estímulos físicos del entorno, como campos eléctricos u otras fuerzas mecánicas, también pueden inducir alteraciones y memorias similares en el proceso de división. El objetivo es crear un mapa completo de cómo las bacterias integran las señales físicas de su entorno para tomar decisiones celulares, abriendo la puerta a nuevas estrategias de lucha contra las infecciones”, finaliza López Grobas.

La filamentación es un mecanismo clave de supervivencia de las bacterias cuando empiezan a formar biopelículas (biofilms), comunidades estructuradas de bacterias que se adhieren a las superficies y que tienen un impacto negativo en múltiples sectores como la salud o la industria alimentaria. “Entender cómo la mecánica celular determina la forma y el comportamiento de filamentos podría servir para diseñar materiales más efectivos a la hora de evitar o controlar la formación de biofilms”, avanza Buceta. “Por ejemplo, para fabricar catéteres con propiedades estructurales que interfieran con la filamentación bacteriana y puedan desestabilizar localmente los biofilms incipientes”, concluye.

El estudio se titula “E. coli filament buckling modulates Min patterning and cell division”. Y se ha publicado en la revista académica Nature Communications. (Fuente: CSIC)