Un estudi de l'Institut de Biologia Integrativa de Sistemes (I2SysBio), situat en l'àrea científic-empresarial del Parc Científic UV i centre mixt del Consell Superior d'Investigacions Científiques (CSIC) i la Universitat de València (UV), demostra que els bacteris Escherichia coli, que habiten en l'intestí humà i són molt rellevants per a la salut, creixen de manera predictible seguint les lleis de la física després d'haver patit exposició a antibiòtics. Els resultats, publicats en la revista Nature Communications, evidencien el paper de les forces mecàniques i la geometria cel·lular en els processos de divisió bacteriana, i obrin noves vies per a entendre el comportament microbià i desenrotllar tractaments antibiòtics més eficaços.
Durant situacions d'estrés com les generades per l'exposició a antibiòtics, els bacteris poden interrompre la seua divisió cel·lular i començar a créixer en forma de filaments. És un mecanisme de resistència bacteriana conegut com ‘filamentació’, freqüent en infeccions com les del tracte urinari. Este creixement genera tensions mecàniques que corben i deformen els filaments. L'estudi, liderat per l'investigador de l'I2SysBio Javier Buceta, demostra que estos bacteris tendixen a corbar-se de manera predictible segons les lleis de la física. “Este comportament no és aleatori, respon a una mecànica estudiada que regula com es distribuïx la tensió en la cèl·lula en créixer”, explica l'investigador del PCUV.
El treball se centra en la filamentació induïda per antibiòtics i demostra, per primera vegada en bacteris filamentosos com a E. coli, que esta curvatura no sols afecta a l'estructura externa de la cèl·lula (la seua forma), sinó que també modifica processos biològics claus per a la seua supervivència i comportament. Per exemple, el canvi en la forma cel·lular altera l'activitat d'una xarxa de proteïnes anomenada Min, que ‘escaneja’ la cèl·lula per a determinar el lloc correcte de divisió.
"Este fenomen, que lliga la resposta biològica amb el comportament mecànic, està relacionat amb fenòmens de transport a l'interior de la cèl·lula, ja que la curvatura modifica com es mouen i s'agrupen les proteïnes en la membrana cel·lular. Això suposa la primera demostració d'un efecte de mecano-biologia en bacteris filamentosos", Javier Buceta, investigador de l'I2SysBio
Mitjançant un enfocament multidisciplinari, l'estudi mostra com en les zones de major curvatura s'observa una menor concentració d'ADN i de la proteïna MinD, així com una major activitat de la maquinària de divisió cel·lular. “Este fenomen, que lliga la resposta biològica amb el comportament mecànic, està relacionat amb fenòmens de transport a l'interior de la cèl·lula, ja que la curvatura modifica com es mouen i s'agrupen les proteïnes en la membrana cel·lular. Això suposa la primera demostració d'un efecte de mecano-biologia en bacteris filamentosos”, assegura Buceta.
En este sentit, el treball evidencia que, una vegada desapareix l'estrés, la cèl·lula tendix a dividir-se en els punts de màxima curvatura, la qual cosa indica que conserva una ‘petjada’ de les tensions patides. Esta ‘memòria mecànica’ actua com un marcador intern que guia futures divisions quan les condicions tornen a ser favorables.
Sobre les implicacions d'estes troballes, Marta Nadal, estudiant de doctorat i primera autora de l'article, sosté que “esta perspectiva mecano-biològica obri noves línies d'investigació en biomedicina, on es podrien explorar teràpies que interferisquen amb les seues propietats físiques o estructurals”.
“A més, entendre com els bacteris retenen ‘memòria’ de situacions adverses pot ser crucial per a anticipar el seu comportament després de tractaments antibiòtics, ajudant a previndre recaigudes o resistències. En l'àmbit de la salut pública, este coneixement podria aplicar-se al disseny d'estratègies per al control d'infeccions persistents o recurrents, especialment en un context de creixent resistència als antibiòtics”, afirma Nadal.
"Entendre com els bacteris retenen ‘memòria’ de situacions adverses pot ser crucial per a anticipar el seu comportament després de tractaments antibiòtics, ajudant a previndre recaigudes o resistències. En l'àmbit de la salut pública, este coneixement podria aplicar-se al disseny d'estratègies per al control d'infeccions persistents o recurrents, especialment en un context de creixent resistència als antibiòtics", Marta Nadal, estudiant de doctorat en l'I2SysBio i primera autora de l'article
“El nostre treball va més enllà dels mecanismes bioquímics tradicionals i revela que la física és un director fonamental en la seua divisió”, indica Iago López Grobas, investigador postdoctoral ‘Marie Curie’ en el grup i colíder de la investigació. “En essència, aportem una nova peça al puzle: la forma física del bacteri no és una simple conseqüència del seu creixement, sinó un senyal actiu que guia el seu destí. Això és crucial per a entendre com els bacteris es dividixen de manera eficaç fins i tot en condicions adverses, un coneixement que pot ser explotat per a desenrotllar estratègies que interrompen este procés i vencen la resistència», afig.
“Ens intriga explorar si altres estímuls físics de l'entorn, com a camps elèctrics o altres forces mecàniques, també poden induir alteracions i ‘memòries’ similars en el procés de divisió. L'objectiu és crear un mapa complet de com els bacteris integren els senyals físics del seu entorn per a prendre decisions cel·lulars, obrint la porta a noves estratègies de lluita contra les infeccions”, finalitza López Grobas.
La filamentació és un mecanisme clau de supervivència dels bacteris quan comencen a formar ‘biofilms’, comunitats estructurades de bacteris que s'adherixen a les superfícies i que tenen un impacte negatiu en múltiples sectors com la salut o la indústria alimentària. “Entendre com la mecànica cel·lular determina la forma i el comportament de filaments podria servir per a dissenyar materials més efectius a l'hora d'evitar o controlar la formació de biofilms”, avança Buceta. “Per exemple, per a fabricar catèters amb propietats estructurals que interferisquen amb la filamentació bacteriana i puguen desestabilitzar localment els biofilms incipients”, conclou.
Font: Delegació CSIC Comunitat Valenciana