Las bacterias migran mediante un abanico de curiosos mecanismos de movimiento. Estas migraciones les permiten seguir a sus presas, formar biopelículas y simplemente agregarse para formar comunidades.

Y eso suscita una pregunta curiosa. Dada su capacidad de moverse, ¿cuánta fuerza generan las bacterias al desplazarse? En otras palabras, ¿cuán fuerte empujan?

Hoy recibimos una respuesta gracias al trabajo de los investigadores de la Universidad de Princeton (EEUU)  Joshua Shaevitz, Benedikt Sabass y Howard Stone. Han desarrollado un método para medir las diminutas fuerzas involucradas y demostrar que en cuanto a los empujones, las bacterias empujan muy por encima de su peso.

Una célula bacteriana típica mide tan sólo unos pocos micrómetros de largo y tiene una masa de unos 10^^-15 kilogramos. Bajo la fuerza de la gravedad, una única célula ejercería una fuerza de alrededor de 10 femtonewtons, una unidad que equivale a la milbillonésima parte de un newton. No es una fuerza fácil de medir.

El equipo de Shaevitz lo intenta con una técnica conocida como microscopía de las fuerzas de tracción. Está basada en la observación de que las bacterias deforman cualquier material blando a su alrededor al desplazarse. Por eso medir estas deformaciones permite calcular las fuerzas subyacentes.

El experimento empieza por colocar las bacterias sobre un material parecido a un gel blando y después emplear un microscopio para fotografiarlas mientras de desplazan. El material en cuestión es una fina capa de un gel elástico de poliacrilamida recubierta por quitosano. Tiene propiedades bien caracterizadas que hacen que resulte sencillo calcular cuánta fuerza se requiere para deformarlo.

Pero cuando las deformaciones son pequeñas, son difíciles de ver. Así que el gel también contiene microperlas de dos colores distintos que se mueven mientras el material se deforma y resultan más fáciles de ver. A medida que las células se desplazan por la superficie, cualquier cambio de posición de las microperlas puede ser utilizado para calcular las deformaciones provocadas por este movimiento.

El equipo de Shaevitz ha trabajado con la bacteria Myxococcus xanthus, que se desplaza mediante dos mecanismos diferentes. El primero es una especie de movimiento de deslizamiento en el que la membrana de la célula que está en contacto con la superficie actúa como una huella de tanque mientras la criatura se mueve. Una única célula deslizante produce fuerzas de tan sólo unos pocos piconewtons (la billonésima parte de un newton), apenas lo suficiente para deformar el gel. El equipo detalla:  "Concluimos que el deslizamiento de células individuales es un proceso bajo en fricción que apenas afecta al entorno de forma mecánica". 

Sin embargo, las Myxococcus xanthus tienen otra forma más potente de desplazarse. Funciona mediante una especie de gancho, por el cual cada célula produce pequeñas protuberancias parecidas a pelos, llamados pili, que se estiran hacia delante y se adhieren a la superficie. Al recoger los pili, las bacterias avanzan a velocidades de aproximadamente un micrómetro por segundo o, lo que es lo mismo, una longitud corporal por segundo.

En este caso, el equipo de Shaevitz afirma que la fuerza media generada por una única célula es de alrededor de 50 piconewtons, 10 veces más que con el deslizamiento. Además, las bacterias generalmente se desplazan en grupo, así que sus fuerzas colectivas pueden ser mucho mayores. Las mediciones demuestran que los grupos de bacterias ejercen una fuerza de más de 100 piconewtons.

Es un trabajo interesante que revela al menos algunas de las capacidades de las bacterias como máquinas locomotoras.

Aunque aún quedan importantes preguntas sin contestar. Por ejemplo, la resolución de este tipo de microscopía de fuerzas de tracción es de alrededor de 0,5 micrómetros, lo que significa que las deformaciones más pequeñas no pueden ser medidas. Así que esta técnica obvia cualquier dinámica que se produzca a una escala menor.

También existen bastantes misterios más asociados con el movimiento bacteriano. Por ejemplo, nadie sabe por qué las Myxococcus xanthus pueden desplazarse más rápidamente sobre el agar blando que sobre el agar rígido. Pero este tipo de trabajos debería ayudar a revelar las respuestas.

Más allá, una pregunta interesante es cómo aprovecharse del movimiento bacteriano. Si este movimiento genera fuerzas, ¿por qué no emplearlas para accionar palancas, operar interruptores, hacer girar ruedas de hámster, portar cargo y así sucesivamente? No resulta difícil imaginarse una auténtica Disneyland de actividad bacteriana.

Por supuesto, la maquinaria a esta escala opera de una manera totalmente distinta a la escala humana. La fuerza de la inercia se vuelve insignificante mientras que otros efectos como las fuerzas de van de Waal adquieren una enorme importancia. Es algo que saben hace ya tiempo los diseñadores de dispositivos microelectromecánicos, ¿tal vez podrían ayudar?

En efecto, no queda más allá de la imaginación que las fuerzas colectivas de las bacterias migrantes podrían algún día ser explotadas para ejecutar trabajos útiles a una escala de micrómetros.

Ref: arxiv.org/abs/1701.00524: Collective Force Generation by Groups of Migrating Bacteria