Els biofilms són comunitats de bacteris que es troben sobre tota mena de superfícies arreu del nostre entorn. Aquestes agrupacions microscòpiques són abundants en els medis aquàtics, tant en les superfícies lliscoses de les roques dels llacs com en la capa de llim que s’acumula a l’interior de les canonades. Els biofilms també habiten en algunes parts del nostre cos, com ara la pell i la superfície de les dents. Biòlegs de la Universitat de Califòrnia a San Diego, en col·laboració amb un equip de recerca de la Universitat Pompeu Fabra de Barcelona, han descobert que aquestes comunitats bacterianes presenten una capacitat d’ejecció fins ara desconeguda. És una recerca publicada aquest dimarts 7 de juliol a publicat a Nature Microbiology.  

Els científics de la Universitat de Califòrnia a San Diego, liderats pel professor Gürol Süel, han documentat per primera vegada el fenomen d’ejecció dels biofilms mentre estudiaven un bacteri conegut com a bacil del fenc (Bacillus subtilis). Fins ara es creia que els biofilms que arribaven al final del seu cicle vital simplement es dissolien i desapareixien. En analitzar capacitats d’ejecció similars en el regne animal, als investigadors els va sorprendre descobrir que els únics organismes que presenten mecanismes comparables són les meduses. 

“Hem descobert que, al final del seu cicle vital, aquests biofilms bacterians expulsen amb força algunes cèl·lules específiques de la comunitat”, explica Süel. “El biofilm percep que està en perill, i per això expulsa cèl·lules de la comunitat com si fossin càpsules d’escapament”.

Els investigadors, liderats pels doctorands Todd Kwang-Tao Chou i Alejandra Dau-Martínez, van obtenir imatges dels biofilms amb una resolució a escala de cèl·lula individual, la qual cosa els va permetre estudiar, com mai, la matriu extracel·lular (MEC), la xarxa de molècules que connecta les cèl·lules entre si i els proporciona suport.

La modelització matemàtica desenvolupada en col·laboració amb companys del Laboratori de Biologia de Sistemes Dinàmics (DSB) de la Universitat Pompeu Fabra va permetre als investigadors desxifrar els mecanismes físics que intervenen en el procés d’ejecció, fins aleshores desconeguts. “Hem dissenyat un model matemàtic per confirmar que l’ejecció bacteriana és conseqüència dels canvis que es produeixen en el biofilm”, explica Jordi Garcia-Ojalvo, catedràtic del Departament de Medicina i Ciències de la Vida de la UPF, on dirigeix el laboratori DSB.

Canviar les secrecions per preparar l’ejecció

Després, els investigadors van determinar que les forces mecàniques que provoquen l’ejecció són una xarxa de polímers autogenerada en forma d’hidrogel. Concretament, la producció d’un polímer format per àcid poli-y-glutàmic (y-PGA) forma un hidrogel que pot absorbir fins a mil vegades el seu pes en aigua. En inflar-se, el γ-PGA impulsa les cèl·lules situades a l’interior a través de les capes externes per alliberar-se del biofilm.

“La secreció de γ-PGA fa que l’entorn dels bacteris sigui més fluid i que, de manera similar al flux de lava durant una erupció volcànica, el biofilm es deformi fins que aconsegueix expulsar alguns dels bacteris que el formen”, explica Júlia Vicens, investigadora del laboratori DSB de la UPF i responsable del treball teòric.

Segons els investigadors, aquesta capacitat d’ejecció permet als biofilms en situació de manca de nutrients o altres amenaces garantir la supervivència de la comunitat, mitjançant l’alliberament de cèl·lules mòbils que poden desplaçar-se i colonitzar nous entorns.

“El biofilm sap que morirà, així que expulsa algunes de les seves cèl·lules perquè puguin sobreviure i tenir una nova oportunitat”, assenyala Süel.

Després d’analitzar detalladament el procés d’ejecció, els investigadors van confirmar els resultats controlant i manipulant la funció mitjançant la genètica i les reaccions químiques. Cal destacar que l’equip va demostrar que és possible provocar la ruptura del biofilm mitjançant la sobreproducció de γ-PGA.

Atès que els biofilms bacterians són molt resistents als antibiòtics i representen una amenaça creixent per a la salut pública, forçar-ne la ruptura podria obrir la porta a noves aplicacions en el futur, com a mètode innovador per eliminar comunitats bacterianes perjudicials sense haver de recórrer als fàrmacs.

“Hem demostrat que els biofilms es poden desintegrar sense necessitat d’antibiòtics ni substàncies químiques tòxiques, simplement mitjançant la sobreproducció de γ-PGA”, afirmen els investigadors en el seu estudi. Els resultats també podrien ser útils per entendre, des d’un punt de vista conceptual, la propagació del càncer, ja que els tumors comparteixen característiques amb els biofilms bacterians, inclosa la metàstasi, procés mitjançant el qual els tumors alliberen cèl·lules canceroses.

Autors de l’estudi

Todd Kwang-Tao Chou, Alejandra Dau-Martinez, Júlia Vicens-Figueres, Arvind Gouttumukkala, Leticia Galera-Laporta, Jordi Garcia-Ojalvo i Gürol M. Süel.

Aquest estudi ha comptat amb el suport de l’Institut Nacional de Ciències Mèdiques Generals dels Estats Units (beca R35 GM139645), l’Oficina de Recerca de l’Exèrcit dels Estats Units (beques W911NF-22-1-0107 i W911NF-1-0361), la Fundació Bill i Melinda Gates (INV-067331), el Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats i l’Agència Estatal d’Innovació/FEDER (Espanya) (projecte PID2024-160263NB-I00), el Consell Europeu de Recerca (beca Synergy 101167121 (CeLEARN)) i el programa ICREA Acadèmia 2024 (projecte 0167 ICREA 2024, Departament de Recerca i Universitats, Generalitat de Catalunya).

Sobre l’Escola de Ciències Biològiques de la UC a San Diego

Tenim la missió d’impulsar el coneixement en l’àmbit de les ciències biològiques bàsiques i aplicar els resultats de la nostra recerca per millorar la salut de les persones, protegir el medi ambient i contribuir al desenvolupament econòmic. Treballem cada dia per assolir aquest objectiu formant i preparant una comunitat diversa d’estudiants que esdevindran els científics, metges, investigadors biomèdics i docents del futur, promovent iniciatives perquè els nostres estudiants de grau completin els estudis en un màxim de quatre anys i fomentant la comprensió pública de la biologia i la vocació científica entre el professorat i l’alumnat d’educació primària i secundària. Per a més informació, consulteu biology.ucsd.edu.

Sobre la UC a San Diego

A la Universitat de Califòrnia a San Diego treballem constantment per anar més enllà i superar les expectatives. Fundada el 1960, la UC a San Diego s’ha construït gràcies a acadèmics excepcionals que no tenen por d’assumir riscos ni de replantejar el coneixement establert. Actualment, la UC a San Diego figura entre les 15 millors universitats de recerca del món, i impulsa la innovació i el canvi per contribuir al progrés de la societat, afavorir el creixement econòmic i fer del món un lloc millor. Trobareu més informació al web www.ucsd.edu.

Sobre la Facultat de Medicina i Ciències de la Vida (MELIS) de la UPF

MELIS és un departament de recerca intensiva de la Universitat Pompeu Fabra (UPF), distingit amb tres guardons d’excel·lència María de Maeztu (2014, 2018, 2024). Ubicat al Parc de Recerca Biomèdica de Barcelona (PRBB), un dels principals centres biomèdics de la ciutat, MELIS acull més de 340 investigadors distribuïts en 40 grups, que cobreixen un ampli ventall de línies de recerca en biologia. Podeu trobar més informació sobre el departament al web www.upf.edu/web/biomed.