Descubierto un modo de crecimiento bacteriano hasta ahora desconocido
Los equipos de investigación utilizan imágenes y modelos para explicar por qué las células bacterianas individuales no siempre crecen exponencialmente
Las bacterias, como organismos unicelulares, se reproducen dividiendo todo su organismo. De este modo, pueden multiplicarse con especial rapidez, lo que permite el crecimiento exponencial de las poblaciones bacterianas, también conocidas como patógenas. El crecimiento de la población se basa en el crecimiento de las células bacterianas individuales. También se caracteriza por un rápido aumento de tamaño y, dependiendo de la especie, está limitado por un determinado tamaño celular máximo de la bacteria. Hasta ahora, la investigación partía de la base de que una célula bacteriana, al igual que su población en su conjunto, crece exponencialmente hasta alcanzar ese tamaño final.
En el organismo modelo Corynebacterium glutamicum se pueden ver claramente las células hijas de longitud desigual y también los lugares de síntesis de la pared celular en los polos celulares y el plano de división.
© Fabian Meyer
En la Universidad de Kiel, el grupo de investigación de Bioquímica Microbiana y Biología Celular dirigido por el profesor Marc Bramkamp investiga, entre otras cosas, los mecanismos de organización y reproducción de las bacterias, cuyos principios de aplicación general son también importantes en el desarrollo de organismos multicelulares complejos. En un nuevo trabajo de investigación, Bramkamp y su equipo del Instituto de Microbiología General han podido demostrar, utilizando la bacteria Corynebacterium glutamicum como ejemplo, que las bacterias también pueden crecer de un modo diferente, concretamente en dos etapas: Las corinebacterias crecen sintetizando la pared celular en los polos de la célula. En este proceso, la tasa de crecimiento de los polos celulares no es idéntica al principio después de una división celular. El polo celular más joven crece más lentamente justo después de la división. Debido a este modelo especial de elongación en los polos, el crecimiento celular se acelera inicialmente y luego pasa a un crecimiento lineal y constante. Basándose en técnicas especiales de obtención de imágenes y en un método analítico recién desarrollado, los investigadores consiguieron cuantificar con precisión el aumento de tamaño de las células bacterianas en el organismo vivo. Estos datos se incorporaron a un modelo teórico, que reveló que el modo de dos etapas es el resultado de que la formación de la pared celular en los polos es el proceso limitante del crecimiento en C. glutamicum. Los investigadores de Kiel publicaron los resultados junto con socios de cooperación de las universidades de Ámsterdam y Múnich en la revista científica eLife.
Observación y modelización de un crecimiento bacteriano inusual
La regulación del crecimiento y el tamaño celular es crucial para las funciones de las células bacterianas. Dado que hasta ahora se suponía que las células individuales debían aumentar su volumen celular en proporción a su creciente contenido proteico, se suponía que el crecimiento era predominantemente exponencial. Este rápido aumento de tamaño va unido al hecho de que las bacterias deben controlar estrictamente el tamaño de sus células para garantizar la uniformidad morfológica de las mismas en una población. De hecho, muchas especies bacterianas disponen de complejos mecanismos para regular su tamaño, pero tales mecanismos aún no se han identificado en C. glutamicum ni en el patógeno Mycobacterium tuberculosis, estrechamente relacionado con él.
Para investigar la especificidad de este organismo modelo bacteriano, el equipo de investigación de Kiel observó su crecimiento in vivo, es decir, en el objeto vivo. "Un aspecto emocionante de las corinebacterias, que ya es visible durante la microscopía, es que las células no siempre se dividen exactamente de forma simétrica, como sabemos de muchas otras bacterias", afirma Fabian Meyer, estudiante de doctorado del grupo de Bramkamp. "Otra característica especial es que la nueva pared celular no se desarrolla en el lado largo de la célula, sino que se inserta exclusivamente en los polos celulares", explica Meyer. Por lo tanto, estas bacterias sólo se alargan en los extremos de la célula y no aumentan su volumen de manera uniforme en toda su longitud como muchas otras bacterias.
Para caracterizar este inusual comportamiento de crecimiento de C. glutamicum, el equipo de investigación desarrolló un modelo teórico del desarrollo del tamaño basado en los datos de Kiel. Con la ayuda de métodos biofísicos, los biofísicos Joris Messelink y el profesor Chase Broedersz, de la Vrije Universiteit Amsterdam y la Ludwig-Maximilians-Universität München, consiguieron extraer de estos datos los patrones medios de elongación unicelular a lo largo del tiempo, a pesar del ruido de las mediciones y la variabilidad entre células.
"Los cálculos mostraron que las células crecen inicialmente cada vez más rápido, pero luego el aumento de tamaño se ralentiza. En cierto modo, hay un límite de velocidad incorporado a la dinámica de crecimiento de C. glutamicum", explica Broedersz. En contraste con el curso normalmente exponencial, el modelo mostró aquí un crecimiento en dos etapas de las células bacterianas, que los investigadores describen como asintóticamente lineal. "El factor limitante para el inicio del crecimiento lineal es el tipo de formación de la pared celular que distingue a C. glutamicum de otras bacterias", continúa Broedersz. El equipo de investigación pudo entonces confirmar esta predicción teórica utilizando bacterias vivas: En bacterias en las que se desconectó artificialmente una enzima de crecimiento central pero redundante, frenando el factor limitante del crecimiento celular, los investigadores repitieron su procedimiento de inferencia de crecimiento. Las curvas de crecimiento observadas mostraban una disminución general de la tasa de elongación mientras se mantenían las dos etapas de crecimiento, de acuerdo con las predicciones teóricas.
Conclusiones sobre la evolución bacteriana
"La modelización del crecimiento celular predice con precisión los resultados de los experimentos in vivo, recapitulando las particularidades del crecimiento celular individual en C. glutamicum. Además, los resultados ofrecen una interpretación evolutiva de los mecanismos de crecimiento de C. glutamicum. Como para cualquier organismo, la descendencia bacteriana debe ser similar a la generación parental en tamaño y forma, y al parecer las bacterias han evolucionado con diferentes estrategias de crecimiento para lograr este objetivo", resume Bramkamp los principales hallazgos de la cooperación interdisciplinar entre la biología celular y la biofísica. En el caso de las bacterias, esto se refiere sobre todo a la longitud de las células, cuya distribución debería ser relativamente estrecha en una población. "Nuestros resultados muestran que la distribución de las longitudes celulares es más estrecha en el crecimiento lineal asintótico que en el crecimiento exponencial. El modo particular en C. glutamicum que hace la transición al crecimiento lineal podría servir como sustituto de la regulación estricta de la longitud de la división, ya que dicho crecimiento lineal es menos sensible a las fluctuaciones. Por lo tanto, es posible que no necesite su propio mecanismo de control del crecimiento tal y como lo conocemos de otras bacterias", continúa Bramkamp.
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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