Investigación de María Luisa Cordero: el comportamiento colectivo de bacterias en espacios confinados

Las bacterias no solo viven de forma individual: cuando están en altas concentraciones y tienen poco espacio para moverse, desarrollan sorprendentes comportamientos colectivos, como flujos turbulentos a escala microscópica y patrones de movimiento autoorganizados. Comprender cómo emergen estos fenómenos es uno de los desafíos actuales de la física de sistemas activos, una área interdisciplinaria relacionada con física, biología e ingeniería.

Este es uno de los objetivos principales del proyecto de investigación que lleva a cabo la académica del Departamento de Física (DFI) de la FCFM - U. de Chile, Dra. María Luisa Cordero, quien se adjudicó un proyecto Fondecyt Regular 2025 de la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID), titulado “Comportamiento colectivo en materia confinada”. La iniciativa, con una duración de cuatro años, estudiará cómo se modifican las dinámicas colectivas de bacterias cuando estas se encuentran en espacios confinados, como gotas microscópicas de líquido o delgadas capas sobre superficies sólidas.

“Queremos entender cómo el confinamiento geométrico y las fronteras afectan la manera en que las bacterias nadan y se organizan colectivamente. Al limitar su espacio, aparecen fenómenos nuevos que pueden darnos pistas sobre principios físicos generales que rigen estos sistemas activos”, explica María Luisa Cordero.

Líneas experimentales

Bacterias dentro de gotas: en el primer experimento, se observará cómo un baño bacteriano en estado de turbulencia interactúa con las paredes líquidas de la gota que lo contiene. Midiendo la deformación de la superficie, el equipo investigará cuánta energía transfieren las bacterias al entorno y cómo se modifican sus flujos colectivos frente a fronteras blandas.

Bacterias magnéticas y campos externos: en una segunda etapa se trabajará con bacterias que poseen un momento magnético natural, las cuales serán sometidas a un campo magnético constante dentro de gotas. Esto permitirá estudiar flujos rotacionales indicados por la combinación entre el movimiento activo de las bacterias y las restricciones geométricas. 

Alfombras activas en superficies sólidas: Finalmente, las bacterias serán confinadas en capas delgadas sobre superficies, rodeadas por otro fluido inmiscible. Esta configuración, conocida como “alfombra activa”, servirá para investigar cómo el alineamiento inducido por campos externos y las diferencias individuales en el nado, afectan la turbulencia activa colectiva en este entorno bidimensional.

“Este es un campo en rápida expansión, que combina física experimental, microbiología y teoría de sistemas complejos. Entender estos fenómenos no solo es fascinante desde el punto de vista básico, sino que también puede tener impactos en áreas como la biotecnología, el diseño de materiales inteligentes o el control de biofilms”, destaca la investigadora.

Además de aportar nuevo conocimiento en un área fundamental de la física, el proyecto abrirá nuevas posibilidades de colaboración internacional. Está previsto que investigadores extranjeros especialistas en materia activa visiten Chile, colaborando con el equipo nacional y fortaleciendo la formación de estudiantes de posgrado en el área. 

Ficha técnica/Proyecto Fondecyt regular 2025

• Título

Comportamiento colectivo en materia confinada

• Investigador/a responsable

María Luisa Cordero

Departamento de Física (DFI)

Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (FCFM), Universidad de Chile

• Duración

2025 - 2029 (4 años)

• Financiamiento

Fondecyt Regular - Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID), Chile

• Resumen del proyecto

El proyecto aborda fenómenos que están a la vanguardia de la física experimental y la biología de sistemas. Cuando las bacterias se encuentran en una suspensión y en altas concentraciones, no se comportan como simples organismos individuales: colectivamente generan flujos y patrones dinámicos altamente organizados, como turbulencia a escala microscópica o movimientos colectivos espontáneos. Estos fenómenos forman parte de los que la física denomina “materia activa”, un campo interdisciplinario en rápida expansión que combina elementos de la biología, física de fluidos y teoría de sistemas complejos. 

Se busca comprender cómo el comportamiento colectivo bacteriano se ve modificado cuando se presenta en espacios confinados, como gotas microscópicas o delgadas capas de fluido en superficies sólidas. 

• Objetivos principales

1.- Bacterias en gotas líquidas: se investigará cómo un conjunto de bacterias en estado de turbulencia interactúa con la interfase líquida de la gota que la contiene. Midiendo las deformaciones de la superficie, el equipo podrá determinar cómo transfieren energía al entorno y cómo se modifican sus flujos colectivos frente a fronteras blandas.

2.- Flujos inducidos por campos magnéticos: se emplearán bacterias con momento magnético intrínseco, encapsuladas en gotas y expuestas a campos magnéticos constantes. Esto permitirá observar flujos rotacionales y complejos generados por la interacción entre el nado bacteriano, los campos externos y las fronteras geométricas.

3.- Alfombras activas sobre superficies sólidas: Las bacterias se confinarán en capas delgadas próximas a una superficie sólida, rodeadas por un fluido inmiscible. Se analizará cómo el alineamiento mediante campos externos y las diferencias individuales en el nado afectan la turbulencia activa colectiva en este entorno bidimensional.

• Metodología

-Combina experimentación de frontera con modelos físicos avanzados, con el propósito de identificar principios generales que gobiernan la autoorganización y las interacciones hidrodinámicas en sistemas activos confinados. 

-Se utilizan técnicas avanzadas de microfabricación, microfluídica y visualización óptica de alta resolución. El análisis de los patrones de movimiento bacteriano se realizará mediante herramientas de física de fluidos, procesamiento de imágenes y modelos matemáticos.

-Este enfoque será clave para identificar con precisión cómo las fronteras y las condiciones externas moldean la autoorganización interna de los sistemas activos.

• ¿Qué problema se busca responder?

Un problema abierto en la física fundamental es la descripción del movimiento de fluido alrededor de las bacterias. La investigación utiliza suspensiones de bacterias como modelos de materia activa, para analizar cómo el confinamiento o los bordes, afecta los movimientos colectivos a nivel microscópico.

• ¿Cómo lo resuelve la investigación?

Se emplean bacterias encapsuladas en gotas y expuestas a campos magnéticos constantes. También se utilizan alfombras activas sobre superficies sólidas, para analizar cómo el alineamiento mediante campos externos y las diferencias individuales en el nado, afectan la turbulencia activa colectiva en este entorno bidimensional.

• Potenciales aplicaciones

-Propagación de infecciones bacterianas en superficies.

-Dispositivos médicos y químicos para el traslado de sustancias al organismo.

-Biomedicina mediante control de bacterias magnetotácticas.