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Descubren una nueva forma de comportamiento complejo en comunidades bacterianas

Descubren una nueva forma de comportamiento complejo en comunidades bacterianas

El estudio, publicado en la revista PNAS, muestra un comportamiento dinámico de las bacterias, que las acerca a otros sistemas más complejos.

22.08.2018

Un equipo de investigadores liderado por Jordi Garcia-Ojalvo, director del Laboratorio de Dinámica de Sistemas Biológicos de la UPF, ha identificado un 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.

Los investigadores han identificado un nuevo comportamiento dinámico en comunitades bacterianas, similar al de otros sistemas complejos

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. 

Han descubierto que las colonias de bacterias empiezan a oscilar de forma abrupta cuando el biofilm supera un tamaño determinado

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.

Artículo de referencia:

Rosa Martinez-Corral, Jintao Liu, Gurol Suel, and Jordi Garcia-Ojalvo. Bistable emergence of oscillations in structured cell populations. PNAS, August 2018  https://doi.org/10.1073/pnas.1805004115

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