Comportamiento de las bacterias, organismos aún sin descubrir

En el imaginario popular, las bacterias son microorganismos unicelulares, invisibles a nuestros ojos y normalmente relacionadas con enfermedades. No obstante, aunque esta descripción se relaciona con las bacterias, no es de todo acertada. Las bacterias son células procariotas, es decir, carecen de núcleo ni presentan orgánulos membranosos propiamente dichos. En su mayoría presentan una pared celular compuesta por peptidoglicanos, algunas cuentan con flagelos para desplazarse y pueden presentar una amplia diversidad de formas y tamaños. Anteriormente, se clasificaban como procariotas, este grupo incluía a las Eubacterias (verdaderas bacterias) y las Archeas. Pero actualmente, se clasifican en su propio dominio, ya que los estudios moleculares han permitido conocer que las arqueas son un grupo distinto a las bacterias y estos a su vez de los eucariotas. Sin embargo, su clasificación aún es motivo de discusión en las comunidades de microbiólogos. De ahí que es relevante estudiar el comportamiento de las bacterias.

Las bacterias se reconocen como los organismos de mayor abundancia en el planeta, y se considera que más del 90% de las especies de bacterias aún no han sido descritas. Tienen una distribución cosmopolita, siendo capaces de sobrevivir en todos los hábitats, tanto terrestres como acuáticos; e incluso en condiciones extremas de temperatura, acidez y alcalinidad.

La mayoría de los microbiólogos y bacteriólogos tienen una visión individual de las bacterias a pesar de su estilo de vida en colonias. No es, sino recientemente, que se consideran como microorganismos sociales y se empiezan a realizar estudios relacionados a su comportamiento, con una visión similar al estudio del comportamiento animal. Curiosamente, los primeros estudios sobre el comportamiento de las bacterias podrían considerarse los relacionados con el crecimiento de las mismas y su variación fenotípica durante este proceso. Estos estudios, brindaron las bases para poder explorar la diversidad de especies, así como las distintas respuestas que pueden producir ante un estímulo.

En el presente artículo, vamos a conversar un poco sobre el comportamiento de las bacterias.

Comportamiento de las bacterias: Cooperación

En el estudio del comportamiento, la base para las grandes agregaciones sociales es la cooperación. En animales es fácil apreciar como individuos de una misma especie pueden aportar o contribuir algún valor o acción a las agregaciones sociales; no obstante, por muchos años se pensó en las bacterias como “individuos” dentro de colonias y no como miembros de una población. Sin embargo, en los últimos años esta visión sobre las bacterias ha cambiado y se ha evaluado su capacidad cooperativa y social.

Se entiende que la cooperación puede ser igualitaria, es decir, todos los individuos colaboran igualmente por un mismo beneficio, o pueden realizar ciertas tareas en subgrupos o de forma independiente para obtener alguna recompensa, que no solo los beneficiara como individuos sino como grupo, esta estrategia se conoce como división de trabajos.

Podemos encontrar un comportamiento de las bacterias de tipo social cooperativo como expondremos a continuación:

Biofilms o Biopelículas

El descubrimiento de los Biofilms o Biopelículas, nos ha permitido estudiar a las bacterias como microorganismos sociales. Por mucho tiempo se consideró que se encontraban en la naturaleza nadando libremente, en la superficie fluviales o marinas, como el plancton. Sin embargo, las investigaciones evidencian que la mayoría se encuentra viviendo en biopelículas formadas sobre una diversidad de superficies bióticas y abióticas, y que las mismas se encuentran en todos los ecosistemas menos en las aguas subterráneas o en las profundidades marinas.

La formación y el funcionamiento de las biopelículas demuestran un claro comportamiento social por parte de las bacterias, en respuesta a estímulos ambientales e intercelulares. También demuestran interacciones entre células bacterianas que se deben al funcionamiento de un sistema de detección de quorum, que proporciona un intercambio continuo de información por medio de moléculas químicas; el cual les permite a las bacterias vivir colectivamente como un organismo multicelular. La formación de las biopelículas en bacterias comienza cuando las células bacterianas se adhieren a una superficie solidad, primero reversiblemente y luego irreversiblemente. A continuación, ocurre la división celular de las células bacterianas, la formación de grupos de células pequeñas, seguido por la formación de micro colonias y finalmente la formación de una matriz de polisacárido.

Las biopelículas se consideran la principal estrategia de supervivencia de las bacterias tanto dentro como fuera de sus organismos hospedadores. Se trata de estructuras comunales altamente organizada por una o varias especies. Una de las características más llamativas de las biopelículas es su capacidad de realizar interacciones complejas célula a célula que controlan la expresión de varios genes en distintas partes de la biopelícula, y en distintas etapas de su desarrollo. Por lo cual, muchos autores las consideran un sistema funcional análogo a organismos multicelulares.

Las biopelículas están asociados a diversos problemas para los seres humano, ya que pueden ser responsables de la rápida corrosión del metal en ambientes acuáticos o reducir el rendimiento de algunos dispositivos industriales. También pueden ser las causantes de muchas enfermedades infecciosas crónicas, generalmente las bacterias en biopelículas pueden ser más resistentes a medicamentos y antibióticos, cuentan con respuestas a factores inmunitarios y factores ambientales adversos. En general, las biopelículas se han estudiado en especies como Pseudomonas aeruginosas y Staphylococcus aureus, especies clínicamente importantes; se ha encontrado biopeliculas de estas bacterias en implantes de válvulas cardíacas o en catéteres urinarios, incluso en lentes de contactos

Estrategias de forrajeo

Otro dato interesante sobre el comportamiento de las bacterias, es que estas también pueden cooperar para la adquisición de alimentos y nutrientes, demostrando comportamientos sociales. Un ejemplo, podrían ser las mixobacterias, como Myxococcus xanthus, estos microorganismos llevan a cabo ataques masivos contra sus presas, usando enzimas bacterianas que rompen las paredes celulares de sus presas para su consumo. Otro ejemplo, son las bacterias patógenas del género Salmonella y Sthaphylococcus, las cuales, liberan un factor de virulencia cuando alcanzan el número de individuos necesarios para resistir las células inmunes humanas. Las co-agregaciones entre bacterias aeróbicas y anaeróbicas también son ejemplo de cooperación.

Dispersión

Debido a su tamaño y sus limitadas capacidades de locomoción, la dispersión o movilización hacia nuevos hábitats en un proceso complicado para las bacterias. Un comportamiento de las bacterias cooperativo es la dispersión, que incluye al menos dos tipos de mecanismos: enjambre y flotación. Bacterias como Proteus mirabilis, Serratia liquefaciens y Bacillus subtilis, utilizan el método de enjambre para desplazarse, este implican formas especializadas de natación, las cuales, pueden ser en grupos mono específicos (de la misma especie) o de varias especies. El segundo mecanismo, florando, implica que las bacterias se desplazan por medio del aire.

Comunicación

Sabemos de la importancia de la comunicación para fomentar las relaciones sociales entre los animales, ya sea para coordinar actividades o definir posiciones jerárquicas. En bacterias, el intercambio de información por medio de compuestos químicos se ha documentado en distintas especies. Estos sistemas de comunicación involucran la secreción continua de sustancias químicas especificas en el entorno, así como la captación de estos productos químicos para evaluar y reaccionar ante los cambios que se lleven a cabo a su alrededor.

Un ejemplo del comportamiento de las bacterias asociadas a la comunicación son las señales de detención de quorum, las cuales juegan un papel fundamental en la formación de biopelículas. También, señales químicas que inducen la patogenia en bacterias de importancia clínica. Una característica resaltante de los sistemas de detección de quorum es que las señales químicas son específicas para la especie, otras señales son compartidas entre especies e incluso entre géneros. Por lo tanto, algunas especies pueden detectar diversas señales, e incluso informar a miembros de su misma especie sobre los estímulos recibidos.

Reproducción

Algunas especies del género Rhizobium muestran un comportamiento cooperativo durante su reproducción. Las colonias de este género se encuentran asociados a las raíces de algunas plantas, en donde fijan nitrógeno a cambio de carbono, en un proceso simbiótico. Ciertas colonias de Rhizobium spp presentan miembros que han perdido la capacidad de reproducirse, estas bacterias se mantienen produciendo nitrógeno para que el resto de la colonia pueda beneficiarse del carbono obtenido.

En determinadas cianobacterias también se ha documentado una división de trabajo similar, en donde subgrupos de las colonias se encargan de adquirir alimentos o limitan su desarrollo para poder fijar nitrógeno. Algunas, incluso, pierden irreversiblemente su capacidad de reproducción.

Comportamiento de las bacterias: Agresión

Las conductas de agresión y conflicto forman parte del estudio del comportamiento social. En muchas especies animales, el conflicto es una estrategia que se basa en la evolución de múltiples factores relacionados con la disponibilidad de recursos, las estructuras jerárquicas y las alianzas entres subgrupos de una población. La selección natural favorece la variabilidad de comportamientos agresivos entre individuos de una misma especie, dado que se considerar que son mayores los beneficios a obtener por la especie que el gasto energético debido al conflicto.

En bacterias, las colonias son densas y numerosas, por lo cual su capacidad de monitorear e interactuar adecuadamente con las células en su entorno son claves para su éxito evolutivo. Por lo cual, han desarrollado sistemas que le permiten evaluar la densidad de células, así como la disponibilidad de recursos y la presencia de competidores. Una de las estrategias que le permite llevar este tipo de evaluaciones es la producción de compuestos químicos, algunos son de carácter antibacterianos, como antibióticos, bacteriocinas u otro tipo de toxinas, que les permiten regular las tensiones competitivas y asegurar espacios o recursos. Este tipo de comportamiento de las bacterias ha sido considerado por algunos investigadores similares a los comportamientos agresivos de los animales.

Un estímulo negativo, ya sea ambiental u ocasionado por otros microorganismos, puede generar una amplia gama de comportamientos agresivos en bacterias, que incluyen: atacar a otros organismos, identificar y atacar las células con una baja aptitud para lisis, producir toxinas y orquestar ataques coordinados; estas estrategias reflejan comportamientos sociales.

Comportamiento de las bacterias: Muerte celular programada

Cuando hablamos del comportamiento de las bacterias, es necesario señalar el proceso de “muerte celular programada”, este fenómeno se ha estudiado en bacterias como Escherichia coli y Bacillus subtilis, en un intento de responder el por qué estas bacterias lo llevan a cabo y cómo es el proceso. ¿En qué consiste la muerte celular programada? Se trata de un proceso en donde una población bacteriana puede actuar como un organismo multicelular, siendo capaz de producir el deceso de una subpoblación para permitir la supervivencia del resto de la población bacteriana.

Para concluir este tema sobre el comportamiento de las bacterias, es de destacar que la muerte celular programada sugiere la necesidad de un cambio conceptual de nuestra visión sobre las bacterias, ya que la evidencia sugiere que se comportan más como poblaciones con comportamientos del tipo multicelular, que como individuos.

Bibliografía

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