Los muertos vivientes pensantes: cómo las bacterias latentes calculan su regreso a la vida

Las esporas bacterianas 'muertas' durante miles de años pueden despertarse y volver a la vida en minutos

Ante condiciones de inanición y estrés, algunas bacterias entran en un estado latente en el que se detienen los procesos vitales. Cerrarse a un letargo profundo permite que estas células, llamadas esporas, resistan extremos de calor, presión e incluso las duras condiciones del espacio exterior.

Eventualmente, cuando las condiciones se vuelven favorables, las esporas que pueden haber estado inactivas durante años pueden despertarse en minutos y volver a la vida.

Las esporas se despiertan rehidratándose y reiniciando su metabolismo y fisiología. Pero hasta ahora los científicos no sabían si las esporas pueden monitorear su entorno "mientras duermen" sin despertarse. En particular, no se sabía cómo las esporas se enfrentan a vagas señales ambientales que no indican condiciones claramente favorables. ¿Las esporas simplemente ignorarían tales condiciones mixtas o tomarían nota?

Imagen: La ilustración personalizada ilustra un ábaco hecho de células bacterianas conocidas como esporas que se usan para contar estímulos. Crédito: Anne Hashimoto

Biólogos de la Universidad de California en San Diego han resuelto este misterio en un nuevo estudio. Investigadores de la Facultad de Ciencias Biológicas descubrieron que las esporas tienen una capacidad extraordinaria para evaluar el entorno que las rodea mientras permanecen en un estado fisiológicamente muerto. Descubrieron que las esporas usan energía electroquímica almacenada, actuando como un condensador, para determinar si las condiciones son adecuadas para volver a la vida normal.

"Este trabajo cambia la forma en que pensamos sobre las esporas, que se consideraban objetos inertes", dijo Gürol Süel, profesor del Departamento de Biología Molecular. "Demostramos que las células en un estado profundamente inactivo tienen la capacidad de procesar información. Descubrimos que las esporas pueden liberar su energía potencial electroquímica almacenada para realizar un cálculo sobre su entorno sin necesidad de actividad metabólica".

Muchas especies bacterianas forman esporas (células parcialmente deshidratadas rodeadas por una resistente capa protectora) como estrategia de supervivencia que les permite permanecer inactivas durante miles de años. Una capacidad tan notable los convierte en una amenaza en forma de ántrax bacteriano, así como un peligro de contaminación en la medicina y la industria alimentaria.

Vídeo: Esta película de lapso de tiempo de microscopía muestra los saltos codificados por colores en el valor del potencial electroquímico de una sola espora en respuesta a estímulos breves. Con cada estímulo, la espora se acerca más y más a salir de la inactividad, como se visualiza por el color que cambia de un púrpura intenso a amarillo. Crédito: Süel Lab—Kaito Kikuchi

Süel y sus colegas probaron si las esporas latentes de Bacillus subtilis podían detectar señales ambientales de corta duración que no eran lo suficientemente fuertes como para desencadenar un regreso a la vida. Descubrieron que las esporas podían contar entradas tan pequeñas y si la suma alcanzaba un cierto umbral, decidirían salir del estado inactivo y reanudar la actividad biológica.

Al desarrollar un modelo matemático para ayudar a explicar el proceso, los investigadores descubrieron que las esporas utilizan un mecanismo conocido como integración y disparo, basado en flujos de iones de potasio para evaluar el entorno circundante. Descubrieron que las esporas respondían incluso a señales favorables de corta duración que no eran suficientes para desencadenar una salida de la latencia.

En lugar de despertarse, las esporas liberaron parte de su potasio almacenado en respuesta a cada pequeña entrada y luego sumaron señales favorables consecutivas para determinar si las condiciones eran adecuadas para salir. Tal estrategia de procesamiento de señales acumulativas puede revelar si las condiciones externas son realmente favorables y evita que las esporas "se lancen" a un mundo de condiciones desfavorables.

Vídeo: Una película compuesta que muestra el contraste de fase de una sola espora (arriba a la izquierda) para visualizar el estado latente. Una película (arriba a la derecha) muestra el potencial electroquímico codificado por colores de la misma espora. El gráfico (abajo a la izquierda) muestra la traza temporal correspondiente de los valores de potencial electroquímico que cambian con el tiempo. Finalmente, un gráfico de barras correspondiente (abajo a la derecha) visualiza los saltos hacia el umbral para volver a la vida. Crédito: Süel Lab

"La forma en que las esporas procesan la información es similar a cómo operan las neuronas en nuestro cerebro", dijo Süel. "Tanto en las bacterias como en las neuronas, se suman entradas pequeñas y breves a lo largo del tiempo para determinar si se alcanza un umbral. Al llegar al umbral, las esporas inician su regreso a la vida, mientras que las neuronas disparan un potencial de acción para comunicarse con otras neuronas". Curiosamente, las esporas pueden realizar esta integración de señales sin requerir energía metabólica, mientras que las neuronas se encuentran entre las células más dependientes de energía de nuestro cuerpo.

Imagen: Una imagen de microscopía revela varias esporas con su potencial electroquímico codificado por colores según la intensidad de la señal. Crédito: Süel Lab—Kaito Kikuchi y Leticia Galera

Los investigadores creen que la nueva información sobre las esporas reformula las ideas populares sobre las células en estados extremadamente inactivos que parecen muertas. Tales hallazgos tienen implicaciones para evaluar la vida en objetos como meteoritos, así como en misiones espaciales que buscan evidencia de vida.

"Este trabajo sugiere formas alternativas de hacer frente a la amenaza potencial que representan las esporas patógenas y tiene implicaciones sobre qué esperar de la vida extraterrestre", dijo Süel, quien está afiliado al Centro de Biología de Sistemas de San Diego, el Instituto BioCircuits y el Centro de Innovación de Microbiomas. "Si los científicos encuentran vida en Marte o Venus, es probable que esté en un estado inactivo y ahora sabemos que una forma de vida que parece estar completamente inerte aún puede ser capaz de pensar en sus próximos pasos".

El estudio fue publicado en la revista Science: Electrochemical potential enables dormant spores to integrate environmental signals

Vídeo de portada: Una película de lapso de tiempo de microscopía muestra el valor del potencial electroquímico codificado por colores superpuesto en la parte superior de la imagen de fase de una sola espora. Como lo revela la imagen de fase, la espora permanece inactiva mientras exhibe la capacidad de contar estímulos, como lo indican los destellos codificados multicolores de los cambios de potencial electroquímico. Crédito: Süel Lab—Kaito Kikuchi