El potencial eléctrico a través de la envoltura de la célula bacteriana indica cuándo las bacterias ya no funcionan como células individuales sino como un colectivo. Investigadores del Instituto de Física Biológica de la Universidad de Colonia han descubierto esta conexión entre las propiedades eléctricas y el estilo de vida de las bacterias. Aunque las bacterias son organismos unicelulares, forman comunidades espacialmente estructuradas, las denominadas biopelículas. Dentro de las biopelículas, las bacterias se comportan como un colectivo y pueden protegerse mejor contra el estrés externo como los antibióticos. Hasta ahora, se desconocía en gran medida cómo funciona la transición de una sola bacteria a una comunidad tan compleja. Los investigadores examinaron cómo cambian las propiedades eléctricas de las bacterias durante la formación de biopelículas y descubrieron patrones característicos del potencial eléctrico que evolucionan en el espacio y el tiempo. Estos patrones se correlacionaron con el desarrollo de nuevos hábitats con diversos grados de tolerancia a los antibióticos. Los investigadores describen sus hallazgos en el artículo ‘La dinámica de polarización colectiva en colonias bacterianas significa la aparición de distintas subpoblaciones’ en el Journal PLOS Biology.

Las bacterias individuales acumulan un potencial eléctrico a través de su envoltura (la membrana) y, por lo tanto, se polarizan eléctricamente. Para la célula, esta polarización es una importante fuente de energía para la respiración, la absorción de nutrientes y la exportación de toxinas. Avances metodológicos recientes han permitido a los investigadores examinar la dinámica del potencial de membrana a escala de células bacterianas individuales. Estos estudios revelaron que el potencial de membrana de las células individuales fluctúa independientemente de sus células vecinas.

¿Cómo cambia el potencial durante el desarrollo del biofilm y qué factores ambientales influyen en el potencial? ¿Cómo se relaciona el potencial con el comportamiento de crecimiento de las células y su tolerancia a los antibiticos? Estas preguntas ahora han sido planteadas por un equipo de investigadores del Instituto de Física Biológica dirigido por la profesora Berenike Maier. Examinaron las primeras etapas de formación de biopelículas de Neisseria gonorrhoeae (también conocida como gonococo), el agente causante de la gonorrea, una de las enfermedades de transmisión sexual más comunes, que puede causar embarazos ectópicos e infertilidad. En unos pocos minutos, los gonococos se autoensamblan en colonias esféricas que comprenden miles de bacterias. « Usando microscopía de luz avanzada y análisis de imágenes, podemos medir la dinámica del potencial de membrana de células individuales en estas colonias », explica el primer autor, el Dr. Marc Hennes. « El potencial no está correlacionado dentro de las colonias frescas de bacterias. Cuando la colonia alcanza un tamaño crítico, observamos algo completamente inesperado : todas las células en el centro aumentan repentinamente su potencial; se hiperpolarizan ». Eventualmente, un caparazón de células hiperpolarizadas ocurre en el centro de la colonia y viaja a través de la colonia. Detrás de este caparazón, el potencial en el centro es menor. Los investigadores han interpretado este fenómeno de patrones de polarización correlacionados espaciotemporalmente como la transición hacia un comportamiento colectivo, indicativo de la formación de biopelículas. Una combinación de simulaciones por computadora y experimentos de laboratorio húmedo mostró una fuerte evidencia de que este patrón de polarización está relacionado con un cambio en la disponibilidad de oxígeno. Este patrón existe porque las células en el centro agotan el oxígeno más rápido de lo que lo reabastece la difusión.

Por lo tanto, una pregunta importante era si el patrón de polarización de la membrana se correlacionaba con la bien conocida heterogeneidad funcional de las biopelículas. De hecho, las bacterias disminuyeron su tasa de crecimiento después de haber pasado por el proceso de hiperpolarización, mientras que la tasa de crecimiento de las bacterias que residen en la superficie de la colonia se mantuvo alta. Además, las bacterias del centro de la colonia mostraron más tolerancia a los antibióticos. La mayor tolerancia a los antibióticos es un problema médico agudo cuando se tratan biopelículas. Los mecanismos moleculares de la tolerancia son objeto de un proyecto financiado por el Centro de Medicina Molecular de Colonia de la UoC.

El objetivo futuro es comprender mejor los mecanismos moleculares que subyacen a la formación de patrones de polarización y su relación con la tolerancia a los antibióticos. Esta investigación se llevará a cabo dentro de un nuevo programa prioritario financiado por la Fundación Alemana de Investigación (Deutsche ).