Las bacterias pueden crear y vivir en un estado similar al vidrio
Científicos acaban de descubrir que las bacterias Escherichia coli densamente empaquetadas forman un material inmóvil similar al vidrio coloidal.
Por la Universidad de Tokio
Imagen generada con Copilot
Cuando las bacterias de la especie Escherichia coli, habituales en nuestros intestinos, se apiñan estrechamente muestran cualidades similares al vidrio coloidal, según una nueva investigación de la Universidad de Tokio. Un coloide es una dispersión o mezcla en la cual partículas de un material están dispersas en otro, pero no se disuelven completamente ni se sedimentan rápidamente. En un coloide, las partículas dispersas pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas, y están distribuidas uniformemente a nivel microscópico dentro del medio dispersante.
A pesar de que las partículas están dispersas uniformemente a nivel microscópico, los coloides pueden parecer homogéneos a simple vista, formando soluciones coloidales, como la tinta, leche, el gel y el humo, entre otros.
Cuando las partículas suspendidas, que tienen un tamaño entre 1 nanómetro y 1 micrómetro, en un fluido, por ejemplo, adquieren mayor densidad y se empaquetan con intensidad forman un estado vítreo. Recordemos que este es un estado amorfo de la materia en el cual los materiales no tienen una estructura cristalina ordenada como en los sólidos cristalinos, pero tampoco tienen la libertad de movimiento característica de los líquidos. En este estado, los átomos, iones o moléculas están dispuestos de manera desordenada, similar a como lo están en los líquidos, pero están congelados en esa disposición sin fluir como en un líquido.
Bacterias apiñadas que muestran propiedades similares a las del estado vítreo
El vidrio común es un ejemplo clásico de un material en estado vítreo. Está formado por una red amorfa de átomos que le confiere transparencia y rigidez.
Pues bien, cuando los investigadores hicieron que un puñado de bacterias Escherichia coli se multiplicaran dentro de un área confinada, descubrieron que presentaban características similares a las del estado vítreo. Y lo que es más sorprendente, también mostraban otras propiedades únicas que no suelen encontrarse en los materiales en estado vítreo.
Este estudio contribuye a nuestra comprensión de la materia activa vítrea, un campo relativamente nuevo de la investigación de materiales que cruza la física y las ciencias de la vida. A largo plazo, los investigadores esperan que estos resultados contribuyan al desarrollo de materiales con nuevas capacidades funcionales, así como a nuestra comprensión de las biopelículas —una estructura microbiana adherida a una superficie, compuesta principalmente por comunidades de microorganismos, como bacterias, hongos, algas u otros organismos microscópicos— y las colonias bacterianas naturales.
Esta ilustración muestra el proceso de vitrificación, la transformación a un estado similar al vidrio de una colonia de E. coli a lo largo del tiempo y a medida que su número se vuelve más denso y compactado. Cortesía: © 2024 Tomo Narashima (LAIMAN)
¿Qué tienen en común la mantequilla, el jabón y la tinta? Ciertamente, no todos saben bien, pero todos son tipos de coloides, sustancias hechas de partículas suspendidas en un fluido. Si la concentración de partículas es baja, entonces la sustancia será más líquida, y cuando se torna muy alta, entonces se vuelve más sólida. Piensa en un tintero seco.
Cuando esto sucede, la sustancia entra en un estado vítreo, por el cual se restringe el movimiento de las partículas. Sin embargo, aunque puede parecer un sólido, a diferencia de otros sólidos, las partículas del coloide no forman patrones fijos, sino que se mezclan al azar. Esto es similar a la estructura molecular del vidrio.
Los investigadores han descubierto ahora que la bacteria Escherichia coli puede comportarse de forma similar. "Dado que las bacterias son muy diferentes de lo que conocemos como vidrio, fue sorprendente que muchas de las propiedades estadísticas de los materiales vítreos fueran las mismas para las bacterias —afirma el profesor Kazumasa Takeuchi, del Departamento de Física de la Facultad Superior de Ciencias, en la Universidad de Tokio (Japón). Y añade—: Sin embargo, la mayor sorpresa para nosotros fue que el análisis en profundidad reveló no sólo una similitud con las propiedades estándar del vidrio, sino también otras propiedades más allá. Nuestros resultados exigen una ampliación de nuestra comprensión actual de la física del vidrio".
¡Creced y multiplicaos, bacterias!
Para llevar a cabo el experimento, Takeuchi se inspiró en el comportamiento de las bacterias que observó en un estudio diferente hace más de diez años. En aquella ocasión, vio que cuando una población de bacterias se volvía muy densa, dejaba de moverse bruscamente y quiso entender por qué.
El principal desafío era crear un entorno en el que las bacterias pudieran prosperar y multiplicarse por igual para formar una población densa. Para lograrlo, el equipo utilizó un dispositivo que habían desarrollado previamente. Este les permitió distribuir nutrientes de manera equitativa a través de una membrana porosa a todas las bacterias. A continuación, los investigadores observaron los microbios al microscopio durante cinco o seis horas.
A medida que aumentaba el número de Escherichia coli, las vecinas encapsulaban a las nuevas, lo que restringía su capacidad para nadar libremente. Con el tiempo, pasaron a un estado vítreo. Esta transición es similar a la formación de vidrio, ya que los investigadores observaron una rápida desaceleración del movimiento, el efecto jaula y la heterogeneidad dinámica (por la cual las moléculas viajan distancias más largas en algunas áreas pero apenas se mueven en otras).
Violación aparente de una ley de la física
Lo que diferenciaba este vidrio bacteriano de otras sustancias similares al vidrio era la formación espontánea de microdominios y el movimiento colectivo de las bacterias dentro de estas zonas. Esto ocurría cuando grupos de Escherichia coli en forma de bastón se alineaban de la misma manera. Los investigadores también se sorprendieron de que la forma en que las bacterias se vitrifican (se convierten en un estado similar al vidrio) aparentemente viola una ley física de los sistemas térmicos típicos.
Lo que característicamente conocemos como vidrio, incluido el vidrio coloidal, se clasifica como vidrio térmico. Sin embargo, recientemente los investigadores han empezado a explorar estados vítreos, como el descrito en este artículo, que no se consideran vidrio térmico, pero comparten muchas de sus propiedades.
"Las colecciones de partículas autopropulsadas como las que vemos aquí se han considerado recientemente un nuevo tipo de material denominado materia activa, que actualmente es un tema candente y muestra un gran potencial —explica Takeuchi. Y añade—: Nuestros resultados sobre el vidrio bacteriano van en esta línea de investigación, y amplía este concepto al ámbito de los materiales vítreos. A largo plazo, nuestros resultados podrían contribuir a desarrollar materiales novedosos con algunas funciones que son imposibles de obtener con los materiales ordinarios".
A continuación, el equipo quiere explorar cómo se desarrolla este fenómeno con otras especies de bacterias y en distintos entornos. Hasta ahora, las investigaciones en curso han demostrado que las células pueden apiñarse de distintas formas. "Nuestros resultados indican que las bacterias densas pueden cambiar de forma drástica su movilidad y propiedades mecánicas a nivel de población, mediante un cambio minúsculo en la densidad celular”, explica Takeuchi.
En palabras de este físico japonés, esta información podría utilizarse para regular o controlar las formaciones de bacterias densas en el futuro. “Con nuestro trabajo, esperamos establecer conexiones más profundas y amplias entre la física estadística y las ciencias de la vida", finaliza Takeuchi. ▪️
Información facilitada por la Universidad de Tokio -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: Hisay Lama, Masahiro J. Yamamoto, Yujiro Furuta, Takuro Shimaya, and Kazumasa A. Takeuchi. Emergence of bacterial glass. PNAS Nexus (2024). DOI: https://doi.org/10.1093/pnasnexus/pgae238
