Comunidades microbianas del suelo, falta de nutrientes, sistemas complejos y cambios de comportamiento

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Fuente: Colaje Imágenes Google

Las comunidades del suelo pueden cambiar abruptamente de comportamiento al enfrentarse a estrés ambientales. Tales cambios pueden ser inesperados y sorprendentes. En los sistemas complejos se trata de un proceso frecuente que da lugar a la emergencia de comportamientos y estructuras asombrosas. Así pues a Sistemas dinámicos complejos,comportamientos complejos, (Sistemas dinámicos no lineales). Obviamente la falta de nutrientes en el suelo resulta ser una fuerza motora muy poderosa. En los siguientes post que editamos hace ya algunos años, os explicamos un caso fascinante, es decir como microorganismos unicelulares generan estructuras pluricelulares con diferenciación de pseudo-órganos: (i) La Inteligencia de los Mohos del Suelo y su Papel en los Ecosistemas; (ii) Mohos Mucilaginosos del Suelo: La Difusa Frontera entre los Organismos Unicelulares y Pluricelulares (iii)  Mohos Mucilaginosos del Suelo: La Difusa Frontera entre los Organismos Unicelulares y Pluricelulares y (iv) Los Mohos Mucilaginosos del Suelo: Ciclo de Vida en Videos.

Hoy os explicamos un caso relacionado con un organismo aún más simple, esa bacteria del suelo a la que se denomina Bacillus subtilis. Cuando escasea su alimento, los biofilms (biopelículas) que forman crecen hasta un umbral en los que súbitamente comienzan a oscilar, de alguna manera, como os muestro en la figura que encabeza este post. Tales dinámicas oscilatorias son bastante habituales en los sistemas complejos. Si me permitís que sea aún más coloquial….. “falta la comida debajo del suelo y se genera espontáneamente una gran revolución estructural”, como lo harían en la biota aérea e incluso las sociedades humanas.

Antes de finalizar debemos rectificar algún aserto redactado por el plumillas de turno. Veamos, los biofilms son o suelen ser comunidades que asocian en una matriz muchas bacterias de diferentes clases, no afectando a una sola, por lo general.  Y peor aún, cuando uno lee la noticia, da la impresión que los biofilms tan solo los produce Bacillus subtilis. Se trata de una aserción totalmente falsa. Por ejemplo, el color oscuro de algunos clastos y fragmentos de roca de los desiertos (pavimentos) resultan ser biopelículas bacterianas compuestas por numerosas especies. Empero desde el punto de vista de la salud pública, la multirresistencia bacteriana a los antibióticos, la generan bacterias patógenas que, a menudo, se protegen en el seno de biopelículas que se adhieren a muchas superficies.

En cualquier caso, os recomiendo leer la nota de prensa que os deparará algunas sorpresas inesperadas.   También he recogido dos vídeos sencillos, aunque en inglés, sobre comportamiento oscilatorio.

Juan José Ibáñez

Continúa…….

Videos sobre comportamiento oscilatorio

https://www.youtube.com/watch?v=_qhYDuJt8fI

Descubren una nueva forma de comportamiento complejo en comunidades bacterianas

Un estudio muestra un comportamiento dinámico de las bacterias, que las acerca a otros sistemas más complejos.

Un equipo de investigadores liderado por Jordi Garcia-Ojalvo, director del Laboratorio de Dinámica de Sistemas Biológicos de la Universidad Pompeu Fabra, ha identificadoun nuevo comportamiento dinámico en comunidades bacterianas, similar al de otros sistemas complejos como el cerebro o las comunidades sociales.

En este trabajo, publicado en la revista PNAS, los científicos han estudiado comunidades de bacterias Bacillus subtilis, conocidas de forma genérica como biofilms, que coexisten en condiciones de estrés y son notablemente resistentes y difíciles de erradicar.

Han descubierto que las colonias de bacterias empiezan a oscilar de forma abrupta cuando el biofilm supera un tamaño determinado. Este requisito de un tamaño mínimo es característico de fenómenos emergentes, como el desarrollo de un brote epidémico en una población, que requiere un número mínimo de infectados, o la generalización del uso de una tecnología cuando se sobrepasa un número crítico de usuarios.

El análisis de un modelo matemático sencillo, junto a experimentos de microscopía y microfluídica, ha mostrado que los biofilms se ven sometidos a una transición discontinua entre un estado de crecimiento constante y uno de crecimiento oscilatorio, que el mismo equipo de científicos ya describió en un artículo en el 2015 como un mecanismo para afrontar la falta de nutrientes causada por el crecimiento del biofilm.

Las oscilaciones son un ejemplo de comportamiento dinámico que se da en muchos tipos de sistemas complejos. Se producen en el latido rítmico del corazón, en los ciclos económicos o en las oscilaciones climáticas. “La transición abrupta hacia las oscilaciones que hemos observado ahora permitiría a la comunidad de bacterias hacer frente de manera eficiente a situaciones de estrés por escasez de nutrientes, por ejemplo”, explica Rosa Martinez-Corral, la primera autora del artículo.

Incluso antes del punto de transición, han visto que perturbaciones como la reducción temporal de nutrientes pueden producir oscilaciones, lo que se conoce como biestabilidad. Este comportamiento es similar al que tiene lugar cuando se graba información en memorias magnéticas, donde los estados 0 y 1 de un bit coexisten, y pueden pasar del uno al otro mediante una perturbación externa. En el caso de los biofilms, uno de los estados correspondería al crecimiento constante y el otro al crecimiento oscilatorio.

“A menudo, el estado de un sistema varía cualitativamente como resultado de cambios en alguno de los factores que regulan su comportamiento, y es, por lo tanto, esencial conocer cómo se pueden producir este tipo de transiciones, tal y como se ha visto en este estudio”, dice Jordi Garcia-Ojalvo, catedrático de Biología de Sistemas del Departamento de Ciencias Experimentales y de la Salud (DCEXS). “Este hecho señala la importancia de estudiar sistemas simples para entender los fenómenos en sistemas más complejos”, concluye.

Referencia bibliográfica:

Rosa Martinez-Corral et al., 2018. Bistable emergence of oscillations in structured cell populations. PNAS. DOI: 10.1073/pnas.1805004115

Ver este resumen en esta tesis sobre Bacillus subtillis y comportamientos oscilatorios de Dinámica de circuitos de regulación genética en bacterias Espinar Calvo, María Lorena. Universidad Politécnica de Catalunya.

Resumen (fragmentos):

 El objetivo de esta Tesis es el estudio de diferentes comportamientos celulares dinámicos en Escherichia coli y Bacillus subtilis. Es interesante comprender cómo estos organismos sencillos poseen mecanismos complejos para responder al entorno en el que se encuentran. Dicha respuesta está regulada por complicadas redes de regulación formadas por genes y proteínas, donde al igual que los instrumentistas de una orquesta, cada elemento de las redes genéticas debe tomar parte en armonía, en el momento justo y la cantidad adecuada para dar lugar a la respuesta celular apropiada. La Parte I introduce (….) El Capítulo 1 (…)El Capítulo 2 describe (….) El Capítulo 3 describe (…) El Capítulo 4 describe ciertos aspectos de la dinámica celular como el comportamiento oscilatorio o excitable de algunos sistemas biológicos, y las herramientas matemáticas usadas para contrastar los datos experimentales. La Parte II corresponde a los resultados. El Capítulo 5 describe (….) El Capítulo 6 describe los resultados del estudio de la forma en que el circuito genético que regula la competencia en B. subtilis integra múltiples señales simultáneas. Se caracterizó experimentalmente y con un análisis de bifurcación del modelo matemático del circuito, la respuesta en células individuales e in vivo a señales químicas de diferente intensidad que controlan la expresión constitutiva de los genes que forman el circuito, y a la variación del número de copias de uno de estos genes. El Capítulo 7 describe los resultados del estudio del proceso de toma de decisión celular en B. subtilis, basado en la decisión de estas bacterias por optar entre los programas de diferenciación en competencia genética y esporulación, los cuales compiten entre sí en el tiempo. El análisis simultáneo y en células individuales de ambos programas permitió descubrir por qué las bacterias optan por uno u otro mediante un mecanismo de carrera molecular entre estos dos programas en competición. El Capítulo 8 describe los resultados del estudio de la adaptación celular al estrés mediante esporulación y la toma de decisión de una forma robusta en B. subtilis. Se analizó de forma cuantitativa la expresión de los genes implicados en la progresión hacia la formación de esporas y se desarrolló un modelo matemático poblacional para estudiar el efecto de la reversibilidad en el proceso de adaptación celular a cambios en los niveles de estrés. La Parte III (…) Los resultados obtenidos contribuyen a la comprensión de determinados comportamientos en E. coli y B. subtilis. Estas bacterias, sencillas si se comparan con organismos superiores, ofrecen la posibilidad de estudiar mecanismos utilizados por sistemas más complejos, pero que para su estudio se requieren técnicas complicadas. El estudio en células individuales de la dinámica de redes de regulación mediante las técnicas utilizadas nos permite el análisis in vivo y en tiempo real de lo que sucede con dichas redes en el interior de las células respecto al exterior celular. [-]

Bacillus subtilis es una bacteria Gram positiva, Catalasa-positiva, aerobio1 comúnmente encontrada en el suelo. Miembro del Género Bacillus, B. subtilis tiene la habilidad para formar una resistente endospora protectora, permitiéndole tolerar condiciones ambientalmente extremas.

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