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Bacterias cooperadoras en un medio bidimensional consiguen prosperar mejor y excluir a las bacterias oportunistas que podrían explotarlas.

En estas mismas páginas hemos tratado muchas veces el tema de la cooperación bajo distintos aspectos, desde los aspectos más matemáticos del dilema del prisionero a los aspectos más sociales dentro de lo que es el ser humano.
Algunos de los modelos de cooperación son biológicos, pero pueden involucrar sistemas vivos tan primitivos como las bacterias.
La célula eucariota surgió hace más de 1000 millones de años y la procariota (bacterias y arqueas) lleva aquí desde que surgió la vida en este planeta, hace unos 3800 millones de años.
Pero incluso un tipo de célula tan simple como la procariota puede llegar a cooperar. Así al menos lo pone de manifiesto un experimento con bacterias realizado por científicos del Instituto Max Planck y la Universidad Friedrich Schiller en Jena.
El nuevo estudio es el primero en usar con éxito modernas técnicas de análisis químico para visualizar la distribución espacial de metabolitos y así ver en donde se produce la cooperación.
Las bacterias pueden formar biopelículas o comunidades en las que varias especies intercambian nutrientes y liberan aminoácidos o vitaminas al ambiente en donde crecen, lo que permite a otras bacterias alimentarse.
Esta liberación de nutrientes tiene un costo para las bacterias que los producen, pero en contraprestación puede recibir de las demás otros nutrientes. Se produce, por tanto, un intercambio de metabolitos.
En esta situación pueden aparecer bacterias aprovechadas egoístas que se beneficien de este rico ambiente y que no contribuyan al mismo.
Lo interesante es que las bacterias oportunistas que no contribuyen activamente en este proceso son excluidas espacialmente a largo plazo de los efectos cooperativos del mismo.
La clave está en que las bacterias son unos seres muy pequeños cuya maquinaria metabólica es limitada. Si se da una especialización entre distintas bacterias a la hora de realizar las funciones bioquímicas, en lugar de hacerlas todas de forma autónoma, pueden obtener una ventaja competitiva y ahorrar mucha energía. Siempre y cuando no haya aprovechados, claro.
El grupo de investigadores dirigidos por Christian Kost ya demostró en el pasado que esta división metabólica del trabajo beneficiaba el crecimiento de la colonia. Ahora han extendido su investigación para estudiar en detalle el proceso mediante el cual algo así es viable en un mundo de aprovechados.
No es fácil explicar cómo una cooperación de este tipo se puede mantener a largo plazo si se da una presencia de bacterias no cooperativas, sobre todo si se tiene en cuenta la desventaja evolutiva que a primera vista tendrían las bacterias cooperadoras frente a las oportunistas. Al parecer la clave está en aislar espacialmente a esas bacterias egoístas.
Así que dispusieron cultivos bidimensionales bacterianos y estudiaron este intercambio recíproco entre distintas bacterias modificadas genéticamente. De este modo, dos especies distintas de bacterias liberaban aminoácidos al medio.
Bajo estas circunstancias y en un medio normal las no cooperadoras pueden crecer más rápido debido a que pueden aprovecharse del ambiente que les provee aminoácidos sin restricción a costas de las otras, que gastan energía en la síntesis de aminoácidos.
Sin embargo, los resultados muestran que en el medio bidimensional las bacterias no cooperadoras sólo pueden prosperar en los bordes de la colonia formada por bacterias cooperadoras, gracias a que estas bacterias cooperadoras se agregan entre sí excluyendo a las otras que no cooperan. Para ello es necesario un sistema no complicado que permita el reconocimiento de un par cooperador que estabilice la relación a largo plazo.
La aproximación utilizada se basa en la ecología sintética que usa ciertas mutaciones deliberadas para obtener cultivos que se puedan estudiar de una manera más sencilla y que permitan analizar las relaciones entre bacterias.
En el mundo natural aparecen mutaciones en las bacterias que les permiten evolucionar hacia la cooperación, de tal modo que hay colonias con varias especies de bacterias cooperando entre sí. Auque en algunos hábitats, como el suelo, está por demostrar que algo así se dé.
Además estos investigadores emplearon modelos computacionales que permitieron simular estas interacciones.
Finalmente usaron técnicas de imagen espectroscópicas que permitían visualizar dónde estaban los metabolitos en cuestión dentro del cultivo.
En la imagen de cabecera los cuadrados blancos muestran la concentración de aminoácidos, que es alta en la vecindad de las bacterias cooperadoras (la parte de arriba de la colonia), pero es indetectable en las cercanas de bacterias oportunistas (parte de abajo).
Todo esto permitió a los investigadores entender el fenómeno, que además ayuda a explicar por qué las bacterias crecen en colonias denominadas biopelículas formadas por bacterias cooperadoras.
Las biopelículas se dan, por ejemplo, en la placa dental, pero también en las prótesis e implantes, por lo que todo esto tiene valor médico. Lo curioso es que en estos casos hay distintas especies de bacterias y a veces consiguen eludir el efecto de los antibióticos y al sistema inmunitario.
El resultado principal de este estudio es que para que la cooperación bacteriana aparezca y con ello se consiga el efecto beneficioso para las bacterias (pero no para el paciente con infección) basta con que haya dos cepas bacterianas dispuestas a cooperar y una superficie bidimensional.
Se puede pensar que es posible desarrollar mecanismos que inhiban esta cooperación para el caso de ciertas infecciones, por lo que este hallazgo es importante en Medicina.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Imagen: S. Pande, F. Kaftan / Max Planck Institute for Chemical Ecology; S. Lang / Department of Bioinformatics, Friedrich Schiller University Jena.