El I2SysBio descubre una ‘memoria mecánica’ en bacterias ‘E. coli’, clave para comprender la resistencia a antibióticos

El Instituto de Biología Integrativa de Sistemas (I2SysBio), centro de investigación del PCUV, halla un patrón físico detrás de la filamentación, mecanismo de resistencia bacteriana frecuente en infecciones como las del tracto urinario

Un estudio del Instituto de Biología Integrativa de Sistemas (I2SysBio), ubicado en el área científico-empresarial del Parc Científic UV y centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universitat de València (UV), demuestra que las bacterias Escherichia coli, que habitan en el intestino humano y son muy relevantes para la salud, crecen de forma predecible siguiendo las leyes de la física tras haber sufrido exposición a antibióticos. Los resultados, publicados en la revista Nature Communications, 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 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 PCUV.

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 sólo afecta a la estructura externa de la célula (su forma), sino que también modifica procesos biológicos claves 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.

"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 mecano-biología en bacterias filamentosas", Javier Buceta, investigador del I2SysBio

Mediante un enfoque multidisciplinar, el estudio muestra cómo en las zonas de mayor curvatura se observa una menor concentración de ADN y de la proteína MinD, 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 mecano-biología 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.

Nuevos tratamientos antibióticos

Sobre las implicaciones de estos hallazgos, Marta Nadal, estudiante de doctorado y primera autora del artículo, sostiene que “esta perspectiva mecano-biológica 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.

"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", Marta Nadal, estudiante de doctorado en el I2SysBio y primera autora del artículo

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 ‘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.

Fuente: Delegación CSIC Comunitat Valenciana