¿Cuándo nadan más las bacterias? Físicos de la Universidad de Chile proponen un nuevo método para optimizar experimentos en laboratorio

Un cardumen de peces, una bandada de pájaros o un grupo de bacterias tienen algo en común: son múltiples unidades que se mueven de manera simultánea y autónoma. En Física, se le llama materia activa y su estudio busca entender y controlar su movimiento colectivo, ya que podría abrir la puerta a futuras aplicaciones tecnológicas, como fármacos teledirigidos al órgano enfermo, abonos ecológicos de precisión o la descontaminación de desechos mineros mediante nadadores microscópicos.                                                                                                                                                          Para estudiar los principios físicos detrás de este nado colectivo, los científicos cultivan bacterias como la Escherichia coli en pequeños dispositivos y analizan su movimiento para entender cómo emergen estos comportamientos coordinados.. Ahora, una investigación del Departamento de Física (DFI-FCFM) de la Universidad de Chile, publicada recientemente en la revista Physics of Fluids, acaba de derribar la premisa de que todos los microorganismos participan de esta danza, revelando que la proporción de bacterias nadadoras varía según la edad del cultivo y que, en ciertas etapas, hasta un 40% del total de bacterias permanece inmóvil. Además, los autores establecieron un método para detectar el momento exacto en que la mayoría de la población está activa. 
“Para los experimentos de materia activa esta información es muy importante, porque si quieres observar efectos colectivos, estás suponiendo de base que todas las bacterias se comportan homogéneamente y tienen las mismas propiedades; que todas son como la bacteria promedio”, explica María Luisa Cordero, académica del DFI y autora del estudio. “Pero hay algunas que no están nadando y no se comportan para nada igual. Incluso pueden actuar como un obstáculo pasivo para las que sí nadan,porque  chocan contra las activas”.                                                                                                               Contar con este nuevo modelo predictivo resulta fundamental para la disciplina, ya que optimizar el momento exacto de la recolección de bacterias permite optimizar de manera significativa tanto el trabajo de laboratorio como los altos costos en tiempo y recursos computacionales asociados a estos análisis.

Investigación

El protocolo habitual en laboratorio es cultivar las bacterias hasta su fase exponencial (de crecimiento rápido). Sin embargo, el equipo notó que esperar al final de esta etapa -justo antes de que entre a la fase estacionaria- maximizaba la cantidad de nadadoras. Esto ocurriría porque, tras el peak de multiplicación y ante la inminente escasez de alimento, los microorganismos aumentan su motilidad, explica la académica del DFI.
Para sistematizar el hallazgo, los investigadores usaron como reloj biológico del cultivo su grado de turbidez que aumenta con las horas. Mediante videos al microscopio, rastrearon miles de trayectorias, clasificando a las bacterias en activas (con avance y nado persistente) y pasivas (solo agitadas al azar por el movimiento del agua). Como las nadadoras se acumulan en los bordes, analizaron distintas profundidades y aplicaron un modelo físico para estimar la población total.                                                                                                                                    Los resultados confirmaron que la fracción de bacterias mótiles sube durante la fase de crecimiento rápido y alcanza un máximo cercano al 90% justo antes de que escaseen los nutrientes. Luego, cae abruptamente al 60%. “Desarrollamos un método para medir con precisión cuántas bacterias se mueven de verdad en cada etapa del cultivo. Primero distinguimos las que nadan de las que solo se agitan al azar según cómo se desplazan. Luego usamos un modelo hidrodinámico para pasar de lo que vemos en unos pocos puntos de observación a lo que ocurre en todo el volumen”, dice Bryan Valenzuela, autor del estudio.
También detectaron que las bacterias se acortan con el tiempo y se estabilizan en una forma cuyo largo es cerca de 1,5 veces su ancho. La rapidez de nado casi no cambia: se mantiene entre 20 y 30 micrómetros por segundo, unas diez veces el largo de su cuerpo cada segundo. “Nadie había verificado esto de manera sistemática y confirmándolo con experimentos. Si bien los resultados corresponden a una cepa específica de E. coli y no pueden extrapolarse sin nuevas pruebas a otras bacterias, estamos entregando, por primera vez, un modelo para que los físicos de materia activa lo prueben en sus propios cultivos y optimicen su trabajo en laboratorio”, dice el estudiante de doctorado en DFI.