Los estudios de quimiotaxis bacteriana utilizando microfluídica - Entrevista

Me llamo Roman Stocker. Soy profesor asistente de segundo año en el Laboratorio Ralph Parsons, que forma parte del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental aquí en el MIT. Soy originario de Italia y estudié mecánica de fluidos.

Mi formación es, por tanto, más bien en ciencias físicas, pero en los últimos dos o tres años, en realidad, me he orientado más hacia temas ambientales y biológicos. Hace dos años comencé a desarrollar microfluidos para abordar problemas en ecología microbiana, y mediante estos dispositivos microscópicos, somos capaces de plantear preguntas ecológicas típicas sobre fenómenos a escalas de micrómetros. Nuestro trabajo se centra principalmente en organismos acuáticos que pueden desplazarse nadando en el océano y rastrear sus fuentes de alimento.

En particular, las bacterias han desarrollado formas muy ingeniosas de nadar, y tengo aquí una pequeña demostración. La cabeza bacteriana es básicamente un elipsoide. Imagine que esto tiene aproximadamente dos micras de tamaño.

En la parte posterior del bacilo, hay uno o más flagelos. Estos flagelos son estructuras helicoidales que el bacilo puede hacer rotar. Esa rotación genera un empuje que permite al bacilo nadar efectivamente hacia adelante.

Existen diferentes modos en los que las bacterias realizan esta acción, y hay diversas estrategias de natación, lo cual forma parte de lo que nuestra investigación aborda. La razón por la que las bacterias nadan en el océano es para poder aprovechar mejor las fuentes de nutrientes, y esto forma parte de un cambio de paradigma que ha ocurrido en los últimos 15 o 20 años. Antes de eso, se solía pensar que el océano era una sopa homogénea de nutrientes a escalas de metros y hasta decenas de metros, y en esa concepción del océano, se creía que organismos de pequeña escala como las bacterias no desempeñaban un papel sustancial y simplemente eran transportados pasivamente por las corrientes oceánicas.

Pero hace 10 o 15 años, las personas se dieron cuenta de que eso realmente no es lo que ocurre en el océano y de que, de hecho, estos organismos de pequeña escala son algunos de los actores más importantes para determinar la salud del océano y, por lo tanto, incluso aspectos como nuestro clima global. Esto se debe a dos razones. La primera razón es que se encuentran en todas partes del océano y su biomasa acumulada supera con creces la de todos los demás organismos marinos.

La segunda razón, y quizás la más fundamental, es que estos organismos de pequeña escala, al aprovechar fuentes de nutrientes y en particular carbono, pueden reciclar los nutrientes para otros componentes de la red trófica y, por lo tanto, intensificar sustancialmente otros aspectos y partes de la cadena trófica en el océano. En todo esto, nuestro trabajo se centra principalmente en la interacción entre organismos nadadores y manchas de nutrientes. Las bacterias no solo son capaces de nadar, sino que también pueden detectar y sensar gradientes de nutrientes.

Es decir, son capaces de detectar cuándo las condiciones de vida mejoran y nadan hacia arriba siguiendo gradientes de nutrientes. Hacen esto mediante un proceso conocido como quimiotaxis. La quimiotaxis es la capacidad de percibir un gradiente químico y desplazarse nadando hacia él.

Esto es realmente lo que estudiamos en el laboratorio, y la microfluídica es una herramienta que nos permite investigar las capacidades quimiotácticas y de nado de las bacterias, y por lo tanto extrapolar y ampliar su papel para determinar qué tan importantes son en la determinación de la salud del océano. En el último año y medio, hemos configurado dispositivos microfluídicos que nos permiten exponer a las bacterias a diferentes tipos de condiciones que normalmente se encuentran en el océano. Como mencioné anteriormente, parches típicos de nutrientes, pero también, por ejemplo, turbulencia.

Lo que hemos descubierto hasta ahora es que las bacterias marinas parecen haberse adaptado de manera muy eficiente para aprovechar estos parches de nutrientes y para contrarrestar, mediante la natación, una gran variedad de condiciones de turbulencia en el océano, lo que las hace particularmente aptas para sobrevivir en un entorno que, desde su punto de vista, suele ser un desierto de nutrientes, en el cual los nutrientes solo aparecen dispersos y en parches muy escasos dentro de una columna de agua tridimensional, y al mismo tiempo ser capaces de nadar, de combatir la turbulencia y, por tanto, seguir localizando sus alimentos nutrientes incluso cuando el agua a su alrededor se mueve violentamente. La iniciativa del sistema terrestre es una iniciativa muy interesante que reúne a diversas personas de distintas disciplinas, todas interesadas en comprender mejor cómo funciona realmente nuestro planeta. En resumen, el objetivo de la iniciativa del sistema terrestre es intentar hacer por el planeta lo mismo que ya estamos haciendo y llevamos mucho tiempo haciendo.

Para el cuerpo humano, comprender su salud, en estos días comprender la salud del planeta es particularmente importante debido a preocupaciones como el calentamiento global, por ejemplo, y los gases de efecto invernadero; varios de los esfuerzos dentro de la iniciativa del sistema terrestre están orientados a comprender mejor la salud del planeta. Nuestro trabajo se enmarca en ello al analizar un componente del ciclo del carbono en el océano. Intentamos comprender, en particular, cómo organismos a pequeña escala, como mencioné anteriormente, bacterias nadadoras en particular, pueden afectar estos ciclos a gran escala, lo que tiene repercusiones en el ciclo global del carbono en el océano y, por ende, en el ciclo global del carbono a nivel mundial, incluyendo la Atmósfera.

Todo nuestro trabajo hasta ahora en este campo ha sido posible, y de hecho impulsado, por un avance tecnológico clave: la microfluídica. En los últimos 10 años, la microfluídica se ha desarrollado como una herramienta realmente interesante y novedosa, especialmente en la zona de Boston y Cambridge. El pionero de la tecnología microfluídica en su forma actual es el profesor George Whitesides, de Harvard, quien introdujo el proceso de litografía blanda y el uso de PDMS para la fabricación de dispositivos microfluídicos.

Desde entonces, la aplicación de la microfluídica ha crecido exponencialmente en una amplia gama de campos. Desde la ingeniería química hasta las ciencias de la salud, hemos comenzado a aplicarla en ecología microbiana y para abordar algunos de estos problemas a pequeña escala en el océano relacionados con la natación de microorganismos. En resumen, es difícil, si no imposible, estudiar estos procesos directamente en el océano debido a sus pequeñas escalas y a la variabilidad inherente al océano; aún no somos capaces de visualizar in situ en el océano bacterias del tamaño de una micra, y al mismo tiempo, las personas han intentado modelar estos procesos, por ejemplo, de forma numérica o teórica, pero debido a que se trata de biología, necesariamente hay que basarse en suposiciones.

Por ejemplo, tendrá que hacer suposiciones sobre la estrategia de natación de una bacteria o la estrategia de quimiotaxis de un bacterio, por lo que se necesitan experimentos reales para avanzar en este campo. La microfluídica nos permite llevar pequeñas regiones, pequeñas partes del océano al laboratorio, y al mismo tiempo exponer a las bacterias y microorganismos a condiciones ambientales realistas, tanto en términos de nutrientes como de flujos. Al mismo tiempo, mediante el uso de microscopía de video y seguimiento celular, podemos estudiar el comportamiento de bacterias individuales de una manera muy rigurosamente controlada, lo que nos permite avanzar en estas preguntas de una forma que no habría sido posible hace unos 10 años, y todo ello gracias a los avances tecnológicos, específicamente micro Verdicts.

Existen dos desafíos principales que prevén ante nosotros en este campo. El primero, como mencioné anteriormente, es poder llevar en algún momento estas preguntas al océano. La razón por la que finalmente es necesario ir al océano es para capturar toda la variabilidad inherente a estos procesos.

Por ejemplo, aún no tenemos idea de qué es lo que realmente se filtra de una partícula en sedimentación, qué tipo de nutrientes están presentes o hacia qué tipo de compuestos químicos realizan quimiotaxis las bacterias en el laboratorio. Solo podemos estudiar las condiciones más simples de estas, pero lo que realmente ocurre en el océano es un conjunto de procesos complejos y muy variables que necesitamos explorar finalmente directamente en C dos. Este es un gran desafío desde el punto de vista del muestreo, desde el punto de vista de la obtención de imágenes y desde el punto de vista del análisis químico y biológico a escalas que, como mencioné varias veces, son del orden de solo unos pocos micrómetros y en términos de volúmenes de picolitros.

El segundo desafío que considero más fácil de abordar es la visualización del comportamiento en tres dimensiones. Todo lo que hacemos actualmente en el laboratorio es bidimensional. Utilizamos microscopía convencional para visualizar trayectorias y acumulación de microorganismos, pero tenemos grandes esperanzas en una técnica conocida como holografía digital, que dentro de un período de tres a cinco años podría permitirnos rastrear estos fenómenos en tres dimensiones y, por tanto, capturar de manera más fiel y realista la ecología en los próximos cinco años.

Además de intentar avanzar hacia una muestra tridimensional y posiblemente dar los primeros pasos ingenuos hacia el muestreo de elementos en el océano, sin duda deseamos vincular estos estudios con los esfuerzos en curso para comprender la genómica de estos organismos. Existe un impulso importante, en particular como parte de la iniciativa del sistema terrestre, para entender la composición genética y la variabilidad genética de estas bacterias en el ambiente. Al mismo tiempo, la genómica carece de la capacidad de vincular directamente los hallazgos con el comportamiento de los organismos, y es precisamente eso lo que esperamos que la microfluídica y estos estudios más enfocados en el comportamiento y en la ecología clásica puedan aportar.

Tenemos una excelente configuración y un gran equipo de personas que estudia la genómica de bacterias marinas, y mediante la colaboración con ellos, esperamos poder vincular estas dos preguntas fundamentales para obtener una mejor comprensión de qué bacterias existen en el océano y cuál es su papel en la determinación de la salud del océano y la salud del planeta.