Las bacterias anticipan cambios en su entorno y reaccionan ante ellos

Investigadores de la Universidad de Princeton, en Estados Unidos, han demostrado por primera vez que las bacterias no sólo reaccionan a los cambios que se dan en su entorno sino que, además, los anticipan y se preparan para ellos.

Este descubrimiento desafiaría la idea actual de que sólo los organismos con un sistema nervioso complejo pueden adaptarse a modificaciones ambientales antes de que éstas se produzcan, es decir, prever lo que sucederá.

Según declaró el director de la investigación Sabed Tavaoie, en un comunicado emitido por dicha universidad, “lo que se ha descubierto supone la primera evidencia de que las bacterias pueden utilizar las señales que perciben de su entorno para inferir a partir de ellas acontecimientos futuros”. Tavaoie es profesor de biología molecular y ha trabajado en esta investigación con otros dos científicos: Ilias Tagkopoulos y Yir-Chung Liu.

Bacterias previsoras

Para el estudio, se realizaron por un lado pruebas de laboratorio que demostraron el fenómeno, y también una serie de simulaciones informáticas que explicarían de qué forma la red genética y las proteínas de especies microbianas pueden evolucionar con el paso del tiempo para generar un comportamiento tan complejo. Ambas líneas de investigación sirvieron para demostrar que redes bioquímicas simples pueden llevar a cabo sofisticadas tareas, según Tavazoie.

Los científicos explican en un artículo aparecido en Science, que el marco homeostático (de homeostasis, que es la tendencia del sistema a conservar la estabilidad interna) ha dominado en la comprensión de la fisiología celular. Sin embargo, los científicos se cuestionaron si la homeostasis podía explicar, por sí sola, las respuestas microbianas a los estímulos ambientales, por lo que decidieron investigar la capacidad de las redes intracelulares de comportarse con predicción.

De esta forma, descubrieron que la homeostasis no es todo lo que ocurre en estos organismos. Este descubrimiento, además de verter luz en algunas de las cuestiones más profundas de la biología, podría ayudar a los científicos a comprender cómo mutan las bacterias para desarrollar la resistencia a los antibióticos o para desarrollar bacterias especializadas con fines útiles, como limpiar la contaminación medioambiental.

En el caso de los antibióticos, las bacterias se vuelven resistentes a éstos gracias a su gran capacidad de adaptación, que les permite desarrollar mecanismos de resistencia que inhiben la acción de los medicamentos. Esta resistencia bacteriana constituye un grave problema para la salud pública, y obliga al desarrollo y utilización de nuevos agentes antibacterianos, más costosos y a veces más tóxicos que los empleados habitualmente.

Escherichia coli inteligente

La bacteria en cuestión investigada por los científicos de Princeton fue la Escherichia coli (E.coli, que es quizá el organismo procarionte más estudiado por el ser humano. La E. coli se encuentra generalmente en los intestinos, tanto de animales como de personas. En general, de los vertebrados de sangre caliente.

Sobre la E.coli existe una cuestión pendiente desde hace mucho tiempo: ¿cómo responden sus genes a los cambios de temperatura y de cantidad de oxígeno que se producen cuando la bacteria penetra en el intestino?

La respuesta convencional es que la bacteria reacciona a estos cambios tras sentirlos, pasando de una respiración aeróbica (el oxígeno se utiliza como oxidante para la extracción de energía de las moléculas) a una respiración anaerobia (el oxidante es una molécula inorgánica distinta del oxígeno). Este último tipo de respiración la realizan sólo algunos grupos de bacterias.

Sin embargo, si esta fuera la respuesta definitiva, el organismo estaría en desventaja durante el tiempo en que se requiere que el cambio de respiración se produzca. Por tanto, los científicos propusieron una estrategia alternativa: durante el ciclo de vida de la E. coli, el nivel de oxígeno no es lo único que cambia. Estas bacterias también experimentan un aumento continuo de la temperatura cuando penetran en la boca de un animal. ¿Podría ser que este calentamiento súbito indique a la bacteria que debía preparase para la consiguiente falta de oxígeno que le espera en el intestino?

Las bacterias aprenden

Para probar esta idea, los investigadores expusieron a una población de E. coli a diferentes cambios de temperatura y de oxígeno, y después midieron la respuesta genética en cada caso. Los resultados demostraron que un incremento en la temperatura tenía aproximadamente el mismo efecto en los genes de las bacterias que una disminución del nivel de oxígeno. De hecho, en una transición hacia una temperatura más alta, muchos de los genes esenciales para la respiración aerobia fueron prácticamente “desconectados”.

Posteriormente, los científicos cultivaron la bacteria en un entorno biológico en el que los niveles de oxígeno aumentaban, y seguidamente se producía un aumento también de la temperatura. En unas cuantas generaciones, las bacterias se adaptaron parcialmente a este nuevo ritmo, y dejaron de “apagar” los genes de la respiración aeróbica cuando la temperatura subía.

Según Tavazoie, esta reprogramación indica claramente que las bacterias “aprenden” sus respuestas a base de asociar temperaturas específicas con niveles específicos de hidrógeno. ¿Cómo es posible que esto se produzca si no tienen cerebro? ¿Cómo pueden estos organismos tan simples realizar esta proeza si carecen de sistema nervioso?

Según Tavazoie, mientras que un animal más evolucionado puede aprender un nuevo comportamiento en el tiempo de una sola vida, el aprendizaje bacteriano se produce a lo largo de muchas generaciones.

Sistema informatizado

Para comprender mejor el fenómeno, los investigadores desarrollaron, por otro lado, un ecosistema microbiano virtual bautizado como “Evolución en un Entorno Variable”, en el que cada microbio aparecía representado como una red de genes y proteínas interactivos. En este entorno cambiante, las bacterias virtuales conformaban una población en desarrollo y competición por recursos limitados. Es decir, como en el mundo real.

El rastreo de cientos de genes, proteínas y otros factores biológicos de esta población fue posible gracias a un trabajo de casi 18 meses, en el que colaboraron ingenieros informáticos y se utilizaron potentes ordenadores. En este mundo virtual, los microbios parecen tener más probabilidades de supervivencia si conservan la energía que gastan en comer. Para conseguirlo, deben anticipar la llegada de comida y “encender” su metabolismo justo a tiempo. Para ello, los científicos les facilitaron una serie de señales.

“Para predecir los tiempos de comida de manera exacta, los microbios deben resolver algunos problemas lógicos”, señaló Tagkopoulous. Pero, al cabo de varios miles de generaciones, aparece un microbio que hace exactamente lo necesario. Esto ocurrió para cada patrón de claves relacionadas con el alimento que los investigadores probaron. Según ellos, la prueba ha significado poder comprender la manera en que los organismos tan simples como las bacterias procesan información del medio para anticipar eventos futuros.

Este descubrimiento abre nuevas vías de investigación, aseguran los científicos, que ahora planean utilizar métodos similares para estudiar cómo las bacterias intercambian genes entre sí (transferencia genética horizontal), cómo los tejidos y los órganos se desarrollan o cómo se extienden las infecciones. Para Tavaoie, lo más importante del descubrimiento es que reúne y establece conexiones profundas entre los campos de la ecología microbiana, de la evolución y del comportamiento, tradicionalmente separados.

Las bacterias en sí son organismos misteriosos. Anteriormente habíamos hablado de la extraña comunicación que se establece entre ellas, aunque estén físicamente separadas (comunicación que les permite saber cómo resistir a los antibióticos), y también de la posibilidad de descifrar su lenguaje para evitar su propagación, al menos en el caso de la bacteria del cólera.