Cuando las bacterias interactúan, emiten señales celulares que pueden desencadenar una respuesta en sus vecinos, haciendo que se comporten de diferentes maneras o produzcan diferentes sustancias. Por ejemplo, pueden comunicarse para coordinar el movimiento lejos del peligro o para emitir luz para protegerse de los depredadores.

En una nueva investigación publicada por Biophysical Reports, investigadores de la Universidad Estatal de Florida y la Universidad Estatal de Cleveland presentan un modelo matemático que explica cómo se comunican las bacterias dentro de un ecosistema más grande. Al comprender cómo funciona este proceso, los investigadores pueden predecir qué acciones podrían provocar ciertas respuestas ambientales de una comunidad bacteriana.

« Por lo general, los modelos de bacterias en ambientes sintéticos han involucrado muchas, muchas ecuaciones que describen muchas, muchas cosas, pero no eran realmente flexibles para diferentes aplicaciones », dijo el coautor Bhargav Karamched, profesor asistente en el Departamento de Matemáticas de FSU y el Instituto de Biofísica Molecular. « Lo que mis colaboradores y yo hemos hecho es crear un modelo matemático flexible que se puede aplicar a una variedad de entornos experimentales ».

Los modelos como el desarrollado por el equipo de Karamched ayudan a predecir cómo esas comunidades bacterianas coordinan la actividad, lo que permite a los diseñadores ajustar los parámetros de una comunidad, como el tamaño de la población de diferentes tipos de bacterias o los circuitos de retroalimentación, y adaptarlos para diferentes propósitos. Por ejemplo, en una población de dos tipos de bacterias, tener más de un tipo de bacteria puede ser peligroso para un organismo huésped, mientras que tener más del otro puede ser beneficioso. Obtener la mezcla correcta es crucial, y los modelos ayudan a los investigadores a diseñar y analizar las comunidades bacterianas que crean.

« Lo que falta en la biología sintética en este momento son estos modelos generales y flexibles que están listos para usar », dijo Karamched. « Es posible que esto no capture todos los detalles en una comunidad de bacterias, pero aún captura el marco general de lo que está sucediendo. Los científicos e ingenieros pueden usar eso para compararlo con su trabajo experimental y avanzar ».

Los investigadores también probaron su modelo con investigaciones publicadas anteriormente que examinaron cómo las bacterias se comunican a través de grandes espacios espaciales. La investigación anterior descubrió que las bacterias solo necesitaban un circuito de retroalimentación positiva para comunicarse entre sí. Pero el modelo de Karamched y sus colaboradores predice que la tasa de producción de moléculas de señalización también debe estar dentro de un rango específico para que ocurra la coordinación.

« Este modelo sienta las bases para una amplia gama de experimentos futuros que prueban diferentes interacciones de tensión y geometrías », dijo el coautor Shawn Ryan, profesor asociado en el Departamento de Matemáticas y Estadística y codirector del Centro de Análisis de Datos Aplicados. y Modelado en la Universidad Estatal de Cleveland.

Ryan Godin, exestudiante de la Universidad Estatal de Cleveland y actual estudiante de doctorado en ingeniería química de la Universidad Estatal de Iowa, fue el autor principal de este artículo.