La mayoría de las bacterias tienen la capacidad de formar comunidades, biopelículas, que se adhieren a una amplia variedad de superficies y son difíciles de eliminar. Esto puede conducir a problemas importantes, por ejemplo, en hospitales o en la industria alimentaria. Ahora, un equipo internacional dirigido por la Universidad Hebrea de Jerusalén y la Universidad Técnica de Dresde, ha estudiado un sistema modelo para biopelículas en las instalaciones de radiación de sincrotrón BESSY II en HZB y ESRF y ha descubierto qué papel juegan las estructuras dentro de la biopelícula en la distribución de nutrientes y agua.
Las biopelículas bacterianas pueden prosperar en casi todo tipo de superficies: los encontramos en rocas y plantas, en dientes y mucosas, pero también en lentes de contacto, implantes médicos o catéteres, en las mangueras de la industria láctea o en las tuberías de agua potable, donde puede suponer una grave amenaza para la salud humana. Algunas biopelículas también son útiles, por ejemplo, en la producción de queso, donde tipos específicos de biopelículas no sólo producen agujeros diminutos, sino que también brindan su delicioso sabor.
Tejido con estructuras especiales
«Las biopelículas no son sólo una colección de muchas bacterias, sino un tejido con estructuras especiales«, explica la profesora Liraz Chai, de la Universidad Hebrea de Jerusalén. Juntas, las bacterias forman una capa protectora de carbohidratos y proteínas, la llamada matriz extracelular. Esta matriz protege a las bacterias de los desinfectantes, la radiación UV o la desecación, y asegura que las biopelículas sean realmente difíciles de eliminar mecánicamente o erradicar químicamente. Sin embargo, la matriz no es un lodo homogéneo: «Es un poco como en una hoja de plantas, hay estructuras especializadas, por ejemplo, canales de agua que residen en pequeñas arrugas«, según Chai. Pero hasta ahora no se sabía qué papel juegan estas estructuras y qué ocurre a nivel molecular en una biopelícula.
Junto con el Prof. Yael Politi, de TU Dresden, experto en la caracterización de materiales biológicos, Chai solicitó tiempo de medición en la fuente de radiación sincrotrón BESSY II en HZB.
«Lo bueno de BESSY II es que podemos mapear áreas bastante grandes. Al combinar la difracción de rayos X con la fluorescencia, no sólo podemos analizar las estructuras moleculares en la biopelícula con mucha precisión, sino que también podemos rastrear simultáneamente la acumulación de ciertos iones metálicos, que son transportados en la biopelícula y conocer algunas de sus funciones biológicas”, señala Yael Politi.
Sistema modelo para muchas biopelículas
Como muestras, los científicos utilizaron biopelículas de Bacillus subtilis, una bacteria inofensiva que prospera en las raíces de las plantas y forma una simbiosis útil con ellas: almacena agua para que la planta pueda absorber la humedad de la biopelícula durante la sequía y también protege las raíces de patógenos. A cambio, las células de la biopelícula se alimentan de los exudados de las raíces. Sin embargo, la bacteria Bacillus subtilis puede servir como sistema modelo para muchas otras biopelículas bacterianas.
En la línea de luz MySpot de BESSY II, examinaron un área grande (en mm2) de estas muestras de biopelícula. Pudieron resolver espacialmente las estructuras dentro de ella y distinguir bien entre los componentes de la matriz, las células bacterianas, las esporas y el agua. «La espectroscopia de fluorescencia de rayos X es un método que nos permite identificar iones metálicos importantes como calcio, zinc, manganeso y hierro, incluso cuando están presentes en cantidades mínimas”, confirma el Dr. Ivo Zizak, físico del HZB a cargo de MySpot. Esto hizo posible la correlación entre la morfología de la biopelícula y la distribución de iones metálicos.
Formación de esporas en lugares inesperados
El estudio muestra que los iones de calcio se acumulan preferentemente en la matriz, mientras que los iones de zinc, manganeso y hierro se acumulan a lo largo de las arrugas, donde posiblemente pueden desencadenar la formación de esporas, que son importantes para la dispersión de las bacterias.
«No esperábamos eso, porque normalmente las esporas se forman bajo estrés, por ejemplo, deshidratación. Pero aquí están vinculadas con canales de agua, probablemente debido a la acumulación de iones metálicos«, asegura Chai.
Los resultados muestran que las estructuras de la matriz no sólo juegan un papel importante en la distribución de nutrientes y agua, sino que también influyen activamente en la capacidad de las bacterias para comportarse como un organismo multicelular. «Esto podría ayudarnos a lidiar mejor con las biopelículas en general, tanto con las beneficiosas como con las dañinas«, concluye Liraz Chai.
Fuente: PNAS.
