El modo en que se expanden las colonias de bacterias es uno de los temas de estudio clásicos de la biología. En un trabajo reciente de Ignacio Pagonabarraga, profesor del Departamento de Física Fundamental de la UB, en colaboración con investigadores de la Universidad de Edimburgo, se plantea un nuevo modelo que permite, con sólo dos parámetros, reproducir los patrones de crecimiento de las colonias de estos microorganismos.
En el modelo matemático desarrollado en este trabajo, publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Science (PNAS), se han tenido en cuenta los movimientos básicos de una bacteria, que son la motilidad, el movimiento direccional y la difusión, un movimiento más desordenado de tanteo. "Al final hemos determinado dos parámetros adimensionales que describen de qué manera cambia la motilidad en función de diferentes aspectos, como la densidad de bacterias o el ritmo de difusión", explica el investigador Pagonabarraga. Actualmente, para estudiar el crecimiento de las colonias los modelos consideran la evolución conjunta de la densidad de bacterias y de estimulantes químicos donde hay que ajustar un número significativo de hasta diez parámetros.
En la naturaleza, las bacterias se encuentran, a menudo, concentrados en superficies formando estructuras espectaculares vistas por el microscopio. En el laboratorio, es posible reproducir estos patrones en una placa de Petri que contiene gel de agar que hace de alimento. En este marco, los biólogos matemáticos han desarrollado una serie de ecuaciones que tienen en cuenta cómo se mueven las bacterias en función del alimento, fenómeno llamado quimiotaxis. Así, «en el modelo propuesto no se ha tenido en cuenta la quimiotaxis pero sí se predice la formación de patrones sorprendentemente similares a los que están considerados como resultado de un comportamiento quimiotáctico», concluye Pagonabarraga. Además, los dos parámetros tienen sentido físico y esto permitiría ajustarlos para el diseño de futuros experimentos.
Un patrón típico de crecimiento de colonias bacterianas es el formado por anillos concéntricos. Estos patrones se pueden predecir teniendo en cuenta que la motilidad bacteriana varía con la densidad. Este cambio provoca la separación de las bacterias en dos fases de espesor diferente debido a la coexistencia de dos densidades. La división celular predomina en las regiones menos densas y la muerte celular en las de más densidad. El desarrollo de modelos simplificados que identifiquen un conjunto mínimo de parámetros para describir los patrones observados experimentalmente abre la posibilidad de identificar los mecanismos básicos subyacentes a la dinámica bacteriana.
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Referencia bibliográfica:
M. E. Cates, D. Marenduzzo, I. Pagonabarraga, J. Tailleur. «Arrested phase separation in reproducing bacteria creates a generic route to pattern formation». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. DOI: 10.1073/pnas.1001994107 (2010).
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