Viendo un microcosmos a través de una lente física

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Biopelículas de Serratia marcescens cultivadas en hidrogeles de poliacrilamida (PAA) blandos (izquierda) y rígidos (derecha). Estas imágenes revelan la conclusión de que las biopelículas crecen más rápido a medida que aumenta la rigidez del sustrato. Crédito: Universidad de Syracuse

«¿Qué puede ofrecer la física a la biología?» Así fue como Alison Patteson, profesora asistente en el departamento de física de la Facultad de Artes y Ciencias y también miembro de la facultad en el Instituto BioInspired, comenzó la explicación de por qué su laboratorio de física estaba estudiando bacterias.

En un artículo publicado por Nexo PNASuna nueva revista de Oxford Academic, ella y el estudiante graduado Merrill Asp, junto con la colaboración del profesor Roy Welch del departamento de biología, describen los sorprendentes hallazgos de su trabajo reciente con colonias bacterianasque tiene potencial para ayudar a dar forma a una mayor comprensión de todos los sistemas vivos y mejorar los resultados en medicina y salud.

Patteson y su equipo querían investigar qué hace que una biopelícula, o una colonia de microorganismos que se unen, crezca y florezca en algunos tipos de superficies pero no en otras.

En el pasado, los científicos que investigaban esta cuestión solían hacer crecer las colonias en geles hechos de agar, un extracto de algas rojas. «Es una sustancia popular en aplicaciones culinarias porque hace que las cosas se vuelvan gelatinosas y agrega textura», dice Patteson. «Lo llamamos un material complejo porque es un sólido pero tiene propiedades como un fluido». Esta mezcla de propiedades, explica, significa que descubrir exactamente qué aspectos hacen que las bacterias se comporten de cierta manera más difícil. «¿Están sintiendo la parte sólida o la parte fluida?» ella pregunta.

En cambio, el equipo de Patteson sintetizó sustratos de gel transparente que podrían ajustarse a una rigidez específica, lo que les permitiría tomar videos de lapso de tiempo de colonias bacterianas que crecen en ellos. «Podemos probar cuánta deformación sufre el gel bajo una cierta cantidad de tensión», dice Patteson.

Viendo un microcosmos a través de una lente física

La imagen de la izquierda muestra cómo se movió cada pequeña parte del hidrogel según el movimiento de las perlas fluorescentes incrustadas. A la derecha, se utiliza un modelo matemático de un sólido elástico para calcular el estrés ejercido por las bacterias. Crédito: Universidad de Syracuse

Pequeñas criaturas, grandes sorpresas

«Una de las cosas que encontramos es que cuando un biopelícula crece, en realidad es lo suficientemente fuerte como para ejercer fuerza sobre el sustrato», continúa Patteson. «Por lo general, pensamos en las biopelículas como cosas de crecimiento realmente lento, pero si están en algo blando, en realidad pueden alterarlo». Esto tiene implicaciones por enfermedad; significa que daño al tejido durante y después de la infección podría no ser solo causado por reacciones del cuerpo sistema inmunesino de las bacterias que ejercen presión sobre él.

Además del diseño y la manipulación de los geles, Patteson y Asp aplican la física a la biología en la forma en que procesan las imágenes, miden los límites de las biopelículas y calculan qué tan rápido se expanden los límites. «Estudiamos la mecánica y los sistemas de materia blanda, por lo que tenemos ecuaciones que describen cómo algo se deforma bajo ciertas cantidades de estrés», dice Patteson. A diferencia del agar menos controlable, el equipo de Patteson ahora puede hacer cálculos para medir las fuerzas que las biopelículas ejercen sobre los geles. De hecho, al mapear el estrés, el equipo pudo mostrar cómo las biopelículas ejercen más presión sobre una superficie rígida que sobre una más blanda. «Tiene sentido, en cierto modo», dice Patteson, «si intentaras escalar una pared pegajosa en lugar de una pared resbaladiza, podrías ejercer más fuerza sobre ella. No sabemos exactamente por qué en el caso de las biopelículas, pero tiene sentido que puedan ejercer más fuerza y ​​moverse más rápido».

«Los organismos bacterianos, por biomasa, son la forma de vida más predominante en la tierra», dice Patteson, reconociendo esta superposición de interés con Welch, de cuyo laboratorio obtuvieron las cepas de bacterias. «Estamos motivados para estudiarlos porque se cruzan con el mundo humano», dice Asp. «Las biopelículas crecerán y serán muy resistentes, a veces en lugares donde no las queremos, ya sea en pacientes con enfermedades que están inmunocomprometidos o en plantas de tratamiento de aguao en los cascos de los barcos».

Mirando hacia el futuro

Es fácil sentir el respeto del equipo por estos organismos microscópicos mientras hablan; de hecho, Patteson sugiere que podrían tener una clave para comprender mucho más sobre los organismos grandes y pequeños. «Pasamos 10, 20 años secuenciando el Genoma humano, pero eso no es suficiente para que entendamos cómo funciona el cuerpo”, dice. “Solo porque conocemos el genoma, todavía no podemos predecir cómo se comportarán las cosas. Aquí es donde pueden entrar la materia blanda y la física. Y hay muchas herramientas para comprender que acabamos de empezar a utilizar».


Uno de los primeros modelos en capturar la dinámica del movimiento de células confinadas


Más información:
Merrill E Asp et al, Las tasas de propagación de las colonias bacterianas dependen de la rigidez y permeabilidad del sustrato, Nexo PNAS (2022). DOI: 10.1093 / pnasnexus / pgac025

Proporcionado por
Universidad de Siracusa


Citación: Ver un microcosmos a través de una lente física (28 de abril de 2022) recuperado el 28 de abril de 2022 de https://phys.org/news/2022-04-viewing-microcosm-physics-lens.html

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