¿Cuánta fuerza producen las bacterias? Ahora se ha medido

Las bacterias migran utilizando una variedad de curiosos mecanismos ambulatorios. Estas migraciones les permiten seguir a sus presas, formar biopelículas y simplemente agregarse.

Y eso plantea una pregunta curiosa. Dada esta capacidad de moverse, ¿cuánta fuerza producen las bacterias a medida que avanzan? En otras palabras, ¿qué tan fuerte pueden presionar?

Hoy recibimos una respuesta gracias al trabajo de Joshua Shaevitz, Benedikt Sabass y Howard Stone en la Universidad de Princeton. Estos muchachos han desarrollado un método para medir las pequeñas fuerzas involucradas y muestran que cuando se trata de empujar y empujar, las bacterias golpean muy por encima de su peso.

Una célula bacteriana típica tiene una longitud de unos pocos micrómetros y una masa del orden de 10 a 15 kilogramos. Bajo la fuerza de la gravedad, una sola celda ejercería una fuerza de alrededor de 10 femtonewtons. Esa no es una fuerza fácil de medir.

Shaevitz y compañía lo intentan usando una técnica conocida como microscopía de fuerza de tracción. Esto se basa en la observación de que las bacterias deforman cualquier material blando a su alrededor a medida que se mueven. Entonces, al medir estas deformaciones, es posible calcular las fuerzas detrás de ellas.

El experimento implica colocar las bacterias en un material similar a un gel suave y luego usar un microscopio para fotografiarlas mientras se mueven. El material en cuestión es una fina capa de gel elástico suave hecho de poliacrilamida recubierta de quitosano. Esto tiene propiedades materiales bien caracterizadas, lo que hace que sea sencillo calcular cuánta fuerza se requiere para deformarlo.

Pero cuando las deformaciones son pequeñas, son difíciles de ver. Por eso, el gel también contiene microesferas de dos colores diferentes que se mueven a medida que el material se deforma y son más fáciles de ver. A medida que las células se mueven por la superficie, cualquier cambio en la posición de las microesferas se puede utilizar para calcular las deformaciones que provoca este movimiento.

Shaevitz y compañía llevan a cabo sus experimentos sobre Myxococcus xanthus bacterias, que se mueven usando dos mecanismos diferentes. El primero es una especie de movimiento de deslizamiento en el que la membrana celular en contacto con la superficie actúa como la oruga de un tanque a medida que la criatura se mueve. Una sola celda deslizante produce fuerzas de unos pocos piconewtons (10-12 Newton), que apenas son suficientes para deformar el gel. Concluimos que el deslizamiento de las células individuales es un proceso de baja fricción que apenas afecta mecánicamente al medio ambiente, dicen Shaevitz y compañía.

Sin embargo, Myxococcus xanthus tienen otra forma más poderosa de moverse. Este es un tipo de mecanismo de gancho de agarre en el que cada célula produce pequeñas protuberancias similares a pelos llamadas pili que se extienden hacia adelante y se adhieren a la superficie. Al enrollarse en los pili, las bacterias se arrastran a velocidades de alrededor de un micrómetro por segundo, o aproximadamente la longitud de un cuerpo por segundo.

En este caso, Shaevitz y sus colegas dicen que la fuerza promedio generada por una sola celda es de aproximadamente 50 piconewtons, que es 10 veces mayor que la del movimiento deslizante.

Además, las bacterias generalmente se mueven en grupos, por lo que sus fuerzas colectivas pueden ser mucho mayores. Las mediciones muestran que los grupos de bacterias ejercen una fuerza de más de 100 piconewtons.

Es un trabajo interesante que revela al menos algunas de las capacidades de las bacterias como máquinas locomotoras.

Sin embargo, todavía hay preguntas importantes sin respuesta. Por ejemplo, la resolución de este tipo de microscopía de fuerza de tracción es de aproximadamente 0,5 micrómetros, lo que significa que no se pueden medir deformaciones más pequeñas. Entonces, esta técnica pierde cualquier dinámica que ocurra en una escala más pequeña.

También hay muchos otros misterios asociados con el movimiento bacteriano. Por ejemplo, nadie sabe por qué. Myxococcus xanthus puede moverse más rápido en agar blando que en agar rígido. Pero este tipo de trabajo debería ayudar a revelar respuestas.

Más allá de esto, una pregunta interesante es cómo aprovechar el movimiento bacteriano. Si este movimiento genera fuerzas, ¿por qué no usarlas para empujar palancas, operar interruptores, girar ruedas de hámster, transportar carga, etc.? No es difícil imaginar una verdadera Disneylandia de actividad bacteriana.

Por supuesto, la maquinaria a esta escala funciona de una manera completamente diferente a la escala humana: las fuerzas de inercia se vuelven insignificantes mientras que otros efectos, como las fuerzas de van de Waal, se vuelven muy importantes. Eso es algo que los diseñadores de dispositivos microelectromecánicos saben desde hace mucho tiempo, ¿quizás podrían ayudar?

De hecho, no está más allá de la imaginación que las fuerzas colectivas de las bacterias migratorias puedan algún día aprovecharse para llevar a cabo un trabajo útil en la escala micrométrica.

Ref: arxiv.org/abs/1701.00524 : Generación de fuerza colectiva por grupos de bacterias migratorias

esconder