NeoFronteras

Un par de resultados enfocan el asunto de la esporulación y germinación de bacterias con puntos de vista distintos.

Las noticias sobre las que vamos ahora a hablar relacionan entre sí la guerra fría, la teoría de juegos, la computación, el cáncer, las bacterias, la cooperación y un tipo de IBM que pensó que cualquier tipo de cálculo lleva implícito un gasto de energía.
El primer resultado del que hablaremos es un estudio presentado en el congreso anual de la Sociedad Americana de Química. Según este estudio las bacterias juegan una versión del clásico dilema del prisionero. En este punto quizás sea necesario rememorar que es el dilema del prisionero.
El dilema del prisionero se descubrió durante la guerra fría en RAND, un think tank creado en un principio por las fuerzas armadas norteamericanas y que todavía existe.
El dilema del prisionero se estudió a la luz de la teoría de juegos, una disciplina desarrollada por Von Neumann y mejorada por John F. Nash (sí el de la película “Una mente maravillosa”). La teoría de juegos trata de proponer las mejores estrategias de cara a ciertas situaciones o conflictos y trata de explica los sistemas organizativos en la cooperación.
Así por ejemplo, con la teoría de juegos se puede explicar por qué el personaje de James Deen hace bien en desertar en el juego de “Gallina” y no estrellarse junto con el auto que conducía, aunque en la vida real muriera en un accidente de tráfico. También explica por qué nos colamos en el metro, seguimos en un matrimonio fracasado y por qué es mejor seguir en el puesto de caza de venados en lugar disparar al primer conejo que aparece. Incluso algunos lo han usado con cierto éxito para ganar al póquer Texas holdem.
El dilema del prisionero fue descubierto por Merrill Flood y Melvin Dresher en 1950 mientras que trabajaban en RAND. Trata de dos ladrones a los que captura la policía por cometer un delito, pero sobre los que no tienen pruebas concluyentes a no ser que alguno confiese. Se les interroga por separado y se les ofrece un trato. Si uno de ellos culpa al compañero saldrá libre y el otro irá un año a la cárcel siempre y cuando éste no le delate. Si ambos se callan (cooperar, en el lenguaje de la teoría de juegos) ambos van un mes a la cárcel, pero si ambos hablan (desertar, en el lenguaje de la teoría de juegos) van tres meses a prisión. Es un juego que no es de suma cero. El problema es que los compinches no se pueden comunicarse entre sí y el “juego” es a una sola mano o jugada.
El dilema del prisionero no tiene solución racional. Es decir, no hay una estrategia tomada de modo racional que su adopción no conlleve al arrepentimiento a posteriori por haber tomado esa decisión al final del juego. En este caso lo más racional es desertar, pero en ese caso ambos van a la cárcel por más tiempo que si hubieran cooperado. Pero si uno coopera se arriesga a que el otro no lo haga.
El dilema del prisionero se usó como modelo de la guerra nuclear, un “juego” al que también se jugaría a una sola mano y que tampoco era de suma cero. Era para sentirse aterrorizado ante la posibilidad de que una decisión “racional” llevara a la guerra nuclear total entre superpotencias. Aunque Neumann estaba deseando que tal cosa ocurriera con tal de borrar a la Unión Soviética del mapa. Neumann murió agónicamente de un cáncer en los huesos después de haber desarrollado la computación moderna, la reformulación de la Mecánica Cuántica y muchas otras cuestiones científicas como la teoría de juegos. A Nash se le empezó a manifestar su esquizofrenia (quizás las paranoias de espías que se ven en la película estuvieran provocadas por sus relaciones con RAND) y quedó fuera del mundo científico durante una larga temporada. Tiempo más tarde fue recuperado gracias a los fármacos (aunque esas drogas siempre matan esa chispa de inteligencia extra de los que pacientes) y recibió el premio Nóbel. Pese a sus 84 años sigue trabajando y proporcionando contribuciones, la última un trabajo sobre teoría de juegos en 2011.
El dilema del prisionero tiene solución si se juega interactivamente, de este modo se puede forzar la cooperación de la otra parte. Hay programas de ordenador que así lo demuestran.
Pero volvamos a nuestras bacterias. Resulta que determinadas especies de bacterias tienen una estrategia de supervivencia curiosa. Si la bacteria se encuentra en dificultades por la falta de alimento o porque las condiciones ambientales no son las idóneas puede transformarse en una espora.
Ciertas especies de bacterias pueden cooperar entre sí a través de mensajes químicos cuando se encuentran formando colonias de millones de individuos. Así por ejemplo unas bacterias que hasta un momento dado eran inocuas para la piel pueden intercambiar mensajes químicos y alcanzar el consenso de que su número es lo suficientemente grande como para iniciar una infección. Las bacterias pueden formar comunidades en forma de biopelículas que son difíciles de tratar y que producen enfermedades crónicas como la fibrosis cística, la endocarditis o infecciones urinarias.
A veces se envían mensajes del estado de estrés o inclinaciones a través de la colonia. Investigar este tipo de cosas puede ser fundamental para el avance de la Medicina en el área. Quizás este tipo de comunicación celular también esté relacionada con la división incontrolada del cáncer o su metástasis. Su estudio puede ser importante la hora de obtener medicamentos que combatan esta enfermedad sin los efectos secundarios de los actuales.
Pero antes de poder llegar a esas metas médicas hay que hacer mucha investigación básica, como la que José Onuchic (Rice University) y sus colaboradores de la Universidad de Tel Aviv han realizado recientemente. El modelo microbiano que han usado es Bacillus subtilis, un microorganismo común que se encuentra formando colonias de miles de millones de individuos en el suelo y que se usa en investigaciones diversas.

Cultivo de bacilos. Fuente: Eshel Ben-Jacob, Tel Aviv University.

Pues bien, si este microorganismo se enfrenta a unas condiciones ambientales duras determinadas, por ejemplo por la sequía o por la radiación, se pone de acuerdo con otros compañeros liberando productos químicos para hacer saber a los vecinos su situación y responder a esas condiciones.
La respuesta al estrés ambiental de este bacilo es de dos tipos. La primera respuesta consiste en esporular, es decir en transformarse en espora, un estado similar a la hibernación en la que la célula se enquista a la espera de tiempos mejores. La segunda respuesta consiste transformarse a un estado “competitivo”.
En la esporulación la bacteria puede arrojar el 50% de su ADN al ambiente y se cubre con un escudo celular que permite al microorganismo resistir durante décadas. En el proceso intervienen unos 500 genes y necesita unas 10 horas para completarse. Es un proceso drástico y traumático. Cuando las condiciones mejoran la espora “germina” y se transforma de nuevo en bacteria.
Lo interesante es que cuando llegan las malas condiciones casi todas las bacterias esporulan, pero un 1% o 2% ven que las demás se están transformando en esporas y deciden competir en las nuevas condiciones con menos competidores alrededor. Toman parte del ADN descartado por las bacterias que esporulan en un último esfuerzo de adaptarse al ambiente. Con esta estrategia evitan pasar por el costoso proceso de esporulación y viven normalmente. ¿Ve el lector ya la conexión entre las bacterias y el dilema del prisionero?
Pero esta estrategia de competir es arriesgada, pues si las condiciones no mejoran lo suficientemente rápido estas bacterias pueden morir antes de tener la oportunidad de esporular. Además las esporas que ya hay pueden decidir “volver a la vida” y luchar por los recursos.
El estudio de estos investigadores sugiere que el modo en que las células toman la decisión es consistente con la teoría de juegos. La esporulación es equivalente a cooperar en el dilema del prisionero, mientras que decidir competir es equivalente a desertar, una decisión egoísta que explota la desgracia de los demás.
Al igual que en el famoso dilema, la bacteria tiene que sopesar los pros y los contras de su decisión y se tiene que basar no solamente en su propio estrés, sino además en el ambiente, incluyendo lo que otras bacterias pueden decidir. En lugar de ser dos compinches en comisaría en este caso se trata de millones de bacterias tomando decisiones.
Gracias el uso de modelos matemáticos y de conceptos biológicos y físicos, estos investigadores han identificado las proteínas, genes y otras sustancias relacionadas con esta toma de decisiones y cómo interaccionan unas con otras. Ahora quieren estudiar este mismo tipo de cosas en células humanas.

Pero si el proceso de esporulación es bien conocido el de vuelta a la vida no lo está tanto. ¿Cómo extrae la espora información del exterior y cómo vuelve a la vida?
Se cree que esta estrategia es un mecanismo evolutivo de estrategia de optimización. Pero para Pankaj Mehta (Boston University) y David Schwab (Princeton University) en realidad este comportamiento se debería a las limitaciones energéticas impuestas sobre la espora metabolitamente en estasis. La esporulación y germinación serían el resultado de límites de computación en lugar de una estrategia de supervivencia óptima. Para argumentar este punto utilizan la teoría de la información y de la computación. Como se puede observar es un punto de vista distinto del que acabamos de ver.
La relación entre energía y computación fue investigada por Rolf Landauer en los años sesenta cuando se encontraba en IBM. A los lectores habituales de NeoFronteras les sonará este nombre porque recientemente publicamos una noticia sobre la determinación experimental del límite de Landauer. Los procesos de cómputo consumen energía que termina disipándose en forma de calor. Incluso en el sistema más óptimo posible siempre habrá una disipación debido al borrado de información. En el lado no optimizado están nuestros microprocesadores. Algo que se aprecia en verano sobremanera cuando nuestro portátil nos calientan en exceso las piernas.
La energía juega un papel en todo proceso de cómputo. Si esto es así debe de haber límites a los procesos biológicos determinados por los límites teóricos de los límites computacionales. Así que Mehta y Schwab pensaron que los límites computacionales también deben jugar un papel en los procesos biológicos en los que se manipula información y energía. Teniendo en cuenta que en algunos aspectos los sistemas biológicos son a veces más eficientes que nuestros microprocesadores quizás se pudiera estudiar este aspecto en algún caso en concreto.
Se fijaron en el sistema de procesado de información sencillo: el que determina la concentración de sustancias en el exterior celular.

Las células tienen receptores de proteínas en las membranas que se unen a la sustancia que se necesita medir. En un momento dado puede haber un determinado número de receptores que estén unidos a la sustancia en cuestión. Cuanto mayor sea la concentración de la sustancia mayor será esa proporción de receptores “ocupados”.
El receptor “ocupado” comunica su situación añadiendo un grupo fosfato a una proteína del interior celular y esto la hace pasar de estado inactivo a activo. Esta proteína activada puede interaccionar con otras moléculas de la célula y trasmitir de ese modo la información del exterior al interior celular a través de una red de comunicación bioquímica.
Mehta y Schwab han calculado la energía consumida es este proceso y su relación con el flujo de información en la célula, llegando a una expresión matemática. Concluyen que una célula necesita gastar energía para poder saber qué es lo que pasa en el exterior. Además, para poder mantener esa información, la célula necesita seguir gastando energía, pues esa información puede ser destruida en el ambiente celular. Digamos que una célula opera en este aspecto de manera similar a la memoria RAM de nuestros computadores.
Quizás este modelo no expliquen bien la germinación de esporas bacterianas, pero el estudio de cómo los límites de la computación afectan a los procesos biológicos puede ser un campo interesante.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3793

Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo en ArXiv
Foto de B. subtilis de cabecera: I, Science.