Un equipo del Instituto de Biología Integrativa de Sistemas (I2SysBio), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universitat de València (UV), ha demostrado que las bacterias Escherichia coli pueden regular su división celular siguiendo leyes físicas, incluso tras la exposición a antibióticos. La investigación, publicada en Nature Communications, evidencia que las tensiones mecánicas generadas durante la filamentación —un proceso de alargamiento celular inducido por estrés— influyen directamente en los mecanismos biológicos que determinan dónde y cómo se dividen las células bacterianas.
Durante situaciones de estrés, como las provocadas por antibióticos, E. coli puede interrumpir su ciclo normal de división y crecer en forma de filamentos. Este fenómeno, conocido como filamentación, es un mecanismo de resistencia frecuente en infecciones urinarias y en la formación de biofilms. El estudio liderado por Javier Buceta, investigador del I2SysBio, demuestra que estos filamentos no se deforman de manera aleatoria, sino que adoptan curvaturas predecibles según principios mecánicos. «Este comportamiento no es casual, responde a una mecánica estudiada que regula cómo se distribuye la tensión en la célula al crecer», explicó Buceta.
La curvatura de los filamentos en las bacterias
Los investigadores identificaron que la curvatura de los filamentos afecta a la distribución de proteínas clave para la división, como las componentes de la red Min (MinC, MinD y MinE), encargadas de determinar el sitio correcto donde se ensamblará el anillo de división Z. Las zonas de mayor curvatura presentan menor concentración de ADN y de MinD, mientras que la maquinaria de división celular se activa preferentemente en estos puntos. Esto revela un efecto de mecano-biología: la respuesta física de la célula influye en su comportamiento biológico y guía futuras divisiones, incluso después de que el estrés desaparezca.
«Una vez desaparece el estrés, la célula tiende a dividirse en los puntos de máxima curvatura, como si recordara las tensiones sufridas», detalló Marta Nadal, primera autora del artículo. Esta memoria mecánica podría tener implicaciones clave para entender cómo las bacterias sobreviven a tratamientos antibióticos y para diseñar terapias más eficaces que interfieran con su estructura física. Según Nadal, «entender cómo las bacterias retienen memoria de situaciones adversas puede ser crucial para anticipar su comportamiento tras los tratamientos y prevenir recaídas o resistencias».
El estudio también integra un enfoque físico-matemático que explica el fenómeno de pandeo de los filamentos. A medida que estos crecen, se acumula energía elástica, que posteriormente se libera mediante curvaturas predecibles. Esta deformación mecánica afecta la distribución de MinD y la localización del anillo Z, coordinando la citocinesis incluso en condiciones adversas. Experimentos de microfluidos confirmaron que los eventos de división se producen preferentemente en regiones de mayor curvatura, donde la concentración de ADN es menor y la célula más flexible.
El análisis de la señalización Min también sugiere que la difusión de las proteínas de membrana se ve alterada por la curvatura, acumulándose en zonas específicas y evitando los picos más pronunciados. Este mecanismo, observado en E. coli, podría ser generalizable a otras bacterias.
Por ejemplo, en Bacillus subtilis, el complejo DivIVA se localiza en regiones de mayor curvatura, mientras que en Staphylococcus aureus las deformaciones mecánicas guían la división celular. Los autores plantean que la integración de señales físicas y químicas podría ser un principio universal en bacterias para optimizar la división bajo estrés.
Implicaciones más allá de laboratorios
Además, los hallazgos tienen implicaciones prácticas más allá del laboratorio. La filamentación y el comportamiento mecánico de los filamentos juegan un papel crucial en la formación de biofilms, comunidades bacterianas resistentes que afectan a la salud y a la industria alimentaria. Comprender cómo la mecánica celular determina la forma y el comportamiento de los filamentos podría permitir diseñar materiales que interfieran con la formación de biofilms, como catéteres que dificulten la filamentación y desestabilicen colonias bacterianas incipientes.
Iago López Grobas, investigador postdoctoral y colíder del estudio, subrayó que la investigación «va más allá de los mecanismos bioquímicos tradicionales y revela que la física actúa como un director fundamental en la división bacteriana. La forma de la bacteria no es una consecuencia pasiva del crecimiento, sino una señal activa que guía su destino».
Los autores planean explorar si otros estímulos físicos, como campos eléctricos o fuerzas mecánicas externas, pueden inducir alteraciones similares, creando un mapa completo de cómo las bacterias integran señales físicas para tomar decisiones celulares.
El trabajo combina experimentación biológica, microscopía de alta resolución, técnicas de microfluidos y modelado matemático para ofrecer una visión integral del papel de la mecánica celular en la supervivencia bacteriana. Los resultados destacan la importancia de considerar la biología y la física de manera conjunta para entender fenómenos como la resistencia a antibióticos, la memoria mecánica de la célula y la organización de la división bacteriana.
