Hockey microbiano: científicos del ISTA descubren cómo las bacterias hacen girar diminutos discos y crean materiales inusuales
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En el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA), los investigadores trabajan como herreros con bacterias. Colocadas en agua, las E. coli ayudan a formar agregados gelatinosos y, como demuestra ahora el Laboratorio Materiali Molli, hacen girar pequeños discos de hockey generando torsión. Este hallazgo, financiado por el Consejo Europeo de Investigación (ERC) y publicado en Nature Physics, contribuye a comprender mejor el funcionamiento de las bacterias en espacios reducidos y podría conducir a la creación de materiales blandos.
Saltan chispas. Un martillo golpea repetidamente un yunque. Golpe tras golpe, la pieza de metal al rojo vivo va tomando lentamente la forma de una espada. El herrero, satisfecho, la sostiene en el aire antes de devolverla al horno ardiente para recalentarla hasta que brille. Esta escena podría pertenecer fácilmente a una serie de fantasía medieval como The Witcher o a videojuegos como Elden Ring.
En el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA), el becario del ERC Jérémie Palacci y su grupo de investigación se aventuran en la metalurgia, aunque con un giro. En lugar de las herramientas tradicionales, los científicos utilizan la bacteria E. coli, a menudo asociada a infecciones relacionadas con alimentos contaminados. Cuando se introducen en agua, sus largos flagelos (colas que las impulsan hacia delante) crean un baño activo. Este entorno dinámico ayuda a formar agregados gelatinosos actuando como un pequeño fuego y elevando la "temperatura" a un equivalente de 2000 °C, similar a la que necesita un herrero para elaborar metales. Incluso consigue hacer girar minúsculos microdiscos.
En su nueva publicación conjunta, Daniel Grober y Jérémie Palacci, de ISTA, junto con Tanumoy Dhar y David Saintillan, de la Universidad de California en San Diego, revelan el proceso que hay detrás de este descubrimiento. Llevaron a cabo su investigación en el Laboratorio Materiali Molli, situado en el campus del ISTA, en colaboración con el Departamento de Física de la UC San Diego.
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Microrotores
En una publicación de Nature Physics de 2023, Palacci, Grober y sus colegas demostraron que estos baños activos alimentados por bacterias propulsan con éxito coloides pegajosos -perlas redondas que se adhieren entre sí al entrar en contacto- para formar agregados gelatinosos que giran en el sentido de las agujas del reloj, originados por el giro en el sentido de las agujas del reloj de los flagelos de E. coli. Sin embargo, la razón de este comportamiento no estaba clara.
Inspirados por un estudio de 2010 en el que las bacterias que interactuaban con engranajes -tanto simétricos como asimétricos- hacían girar únicamente los engranajes asimétricos, Grober y Palacci investigaron más a fondo.
"En este trabajo, las bacterias actuaban como vehículos diminutos, empujando constantemente el engranaje asimétrico para que girara", teorizó Palacci en aquel momento.
Los investigadores especularon con la posibilidad de que la forma asimétrica fuera también la causa de sus aglomeraciones giratorias. Sin embargo, medir este efecto resultó difícil, ya que la asimetría aleatoria de las aglomeraciones provocaba demasiado ruido en los datos.
Discos de hockey giratorios
Por tanto, los científicos tuvieron que dar un paso atrás e idear un experimento para aclarar lo que estaba ocurriendo. Para ello, Grober utilizó una nanoimpresora 3D para crear microdiscos lisos y simétricos similares a discos de hockey. Tras introducir estos "discos" en los baños activos llenos de E. coli, se sorprendieron al verlos girar en el sentido de las agujas del reloj, lo que negaba la hipótesis anterior de que las formas simétricas no giran.
Los investigadores también descubrieron que un disco ligeramente más detallado con, por ejemplo, cuatro compartimentos que se extendían hacia el centro, giraba incluso más rápido que sus homólogos más básicos. Los espacios reducidos permitían a las bacterias actuar como pequeñas paletas, potenciando el giro. Curiosamente, un disco de un solo compartimento sin extremo cerrado giraba en cuanto una E. coli nadaba a través de él, lo que implicaba que el contacto mecánico con la pared de la cámara no era necesario para su movimiento.
Interacción hidrodinámica
Palacci aclaró que el contacto directo no es la clave para hacer girar los discos. Esto es distinto de lo que se había visto con los engranajes asimétricos. En cambio, el nuevo estudio demuestra que las E. coli nadadoras retuercen el fluido a su alrededor simplemente por su forma de nadar. Sus cuerpos giran en una dirección mientras que los flagelos lo hacen en la opuesta.
Esta acción de torsión hace que el líquido se arremoline delante y detrás de las E. coli nadadoras, creando una fuerza de tracción en la pared superior de la cámara. Aunque estos movimientos de rotación se anulan entre sí y el centro del disco permanece estable, se crea un par de torsión general que hace que el disco gire. Esto se debe a que las rotaciones se producen en diferentes puntos a lo largo de la cámara.
Es como intentar abrir un tarro de mermelada girando la tapa, pero el centro no se mueve. Los modelos matemáticos se alinearon con estas observaciones, ofreciendo pruebas de que E. coli impulsa el movimiento a través de la interacción hidrodinámica.
"En nuestro campo es bien sabido que la contrarrotación del cuerpo y los flagelos (cola) de una E. coli hace que nade en círculos en el sentido de las agujas del reloj cerca de una superficie sólida", explica Grober.
"Nos dimos cuenta de que podíamos darle la vuelta a esta dinámica confinando la E. coli en un canal microscópico bajo el disco". Estos experimentos utilizan exactamente el mismo efecto hidrodinámico para crear, esencialmente, un motor microscópico y sin contacto, que impulsa la rotación persistente del disco."
¿Impacto en la terapéutica médica y la sostenibilidad?
Se trata de un hallazgo importante porque la capacidad de las bacterias flageladas para hacer girar objetos depende del confinamiento y es acumulativa y agnóstica respecto a la forma del objeto que hace girar. Esencialmente, este fenómeno debería ser observable siempre que las bacterias se encuentren en espacios reducidos, algo habitual en la naturaleza, ya sea dentro de biopelículas, que son cruciales para la resistencia bacteriana, o en suelos, donde las bacterias desempeñan un papel vital en el mantenimiento del equilibrio del ecosistema. "A pesar de su importancia, este efecto se había pasado por alto hasta ahora", afirma Palacci. "Esperamos que esta novedosa comprensión tenga un impacto significativo en la terapéutica médica o en los esfuerzos de sostenibilidad".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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