Una nueva tecnología electrónica permite modificar la demografía de las comunidades bacterianas

Estamos rodeados de poblaciones de bacterias microscópicas. Estas comunidades invisibles, conocidas como biofilms, se encuentran en hábitats que van desde la superficie de nuestra piel hasta las tuberías de alcantarillado, y desempeñan un papel fundamental en campos como la medicina y la agricultura.

Un equipo interdisciplinar formado por científicos de la Universidad Pompeu Fabra (UPF) en Barcelona y la Universidad de California en San Diego ha desarrollado un método novedoso para controlar la composición de biofilms bacterianos basado en el uso de descargas eléctricas.

Biofilms e infecciones crónicas

El hallazgo, obtenido con una tecnología recientemente desarrollada, es significativo desde una perspectiva médica. Los biofilms son comunidades muy resistentes que pueden provocar infecciones crónicas, especialmente en lugares como los hospitales, donde la resistencia a los antibióticos es una gran amenaza para la salud.

Del mismo modo que otros organismos multicelulares, los biofilms están compuestos por varios tipos de células que desempeñan funciones especializadas. Por ejemplo, uno de los tipos de bacterias que constituyen los biofilms proporcionan el 'pegamento' estructural (la matriz extracelular) que mantiene unida a la comunidad bacteriana, mientras que otro tipo formado por células móviles desempeña un papel fundamental en el establecimiento del biofilm y en su propagación.

El equilibrio de estos dos tipos de células define las propiedades físicas y biológicas del biofilm y es importante para su viabilidad.

Si hay demasiadas células productoras de matriz, el biofilm se vuelve demasiado rígido y no puede crecer de manera eficiente. Si hay demasiadas células móviles, el biofilm se desintegra debido a que sus células no están suficientemente cohesionadas. Por este motivo, cambiar la proporción de estos dos tipos de células ofrece un método preciso para controlar las comunidades bacterianas.

Como se describe en el artículo publicado en la revista Cell Systems, un equipo de la UC San Diego liderado por el profesor Gürol Süel, junto a Jordi Garcia Ojalvo, catedrático de Biología de Sistemas de la UPF, ha desarrollado un novedoso dispositivo de microfluídica combinado con una matriz de electrodos múltiples, que permite aplicar descargas eléctricas localizadas a un biofilm en crecimiento.

Imagen de una comunidad de bacterias conocida como biofilm (naranja) que crece sobre una matriz de microelectrodos (círculos negros). El dispositivo permite la estimulación selectiva de un tipo de célula bacteriana alrededor de un microelectrodo (pista verde). / Süel Lab, UC San Diego

Esta estimulación eléctrica hace que las células móviles se multipliquen más fácilmente que las bacterias productoras de matriz extracelular, a pesar de que todas las células del biofilm son genéticamente idénticas.

"Si bien se sabe que las descargas eléctricas pueden matar a las células, aquí mostramos que pueden provocar el crecimiento de un subtipo específico de células”, explica Süel. “Cómo una estimulación de un segundo de duración puede promover el crecimiento durante horas y solo de un tipo de células es un gran rompecabezas que esperamos resolver".

El papel de los iones

Una de las claves de este efecto es el papel de los iones en el funcionamiento celular. "La regulación del comportamiento de bacterias mediante el control de su composición iónica es aún poco conocida", detalla Jordi Garcia-Ojalvo. Ser capaz de modular los tipos de células de este modo no solo es importante para comprender los biofilms.

Las señales electroquímicas que usamos son similares a las señales usadas durante el desarrollo en organismos más complejos como ranas, peces o incluso humanos. Por lo tanto, nuestros hallazgos pueden ofrecer analogías con otros sistemas biológicos

Ahora, los científicos estudian por qué la estimulación eléctrica aumenta la población de un tipo de célula en lugar de otro. Tal influencia, dicen los investigadores, proporciona una forma de controlar la composición y el desarrollo del biofilm, y puede ofrecer una nueva herramienta para desestabilizar los biofilms y eliminar así su tremenda resistencia.

Referencia:

Comerci et al. "Localized electrical stimulation triggers cell-type-specific proliferation in biofilms". 'Cell systems' (mayo, 2022) DOI:10.1016/j.cels.2022.04.001.