Active motility and wetting cooperatively regulate liquid-liquid phase separation

Resumen Técnico: La motilidad activa y el mojado regulan cooperativamente la separación de fases líquido-líquido

Planteamiento del problema
La separación de fases líquido-líquido (LLPS, por sus siglas en inglés) en sistemas de dos fases acuosas (ATPS) es un fenómeno fundamental en las ciencias físicas y biológicas, que rige procesos que van desde la formación de compartimentos intracelulares hasta la biotecnología industrial. Mientras que la dinámica de la separación de fases pasiva y el engrosamiento de dominios están bien establecidos, la regulación de estos procesos mediante agentes activos, como bacterias motiles, permanece en gran medida inexplorada. Investigaciones previas se han centrado en las interacciones hidrodinámicas (HIs) generadas por bacterias autopropulsadas o en el particionamiento de coloides pasivos. Sin embargo, falta una comprensión sistemática de cómo el acoplamiento entre la actividad bacteriana y el mojado interfacial dirige la separación de fases, dicta la morfología de los patrones y controla la cinética de engrosamiento. Específicamente, no se han investigado las implicaciones biológicas de este acoplamiento para la organización de comunidades bacterianas en suspensiones diluidas.

Metodología
Los autores emplean un enfoque combinado de observación experimental y simulación computacional para investigar Pseudomonas aeruginosa en una mezcla de dextrano (DEX) y polietilenglicol (PEG).

• Experimentos: El estudio utiliza microscopía de disco giratorio confocal para visualizar en tiempo real los patrones de separación de fases en 3D. Se realizan mediciones del ángulo de contacto para cuantificar la humectabilidad de P. aeruginosa en las interfaces DEX–PEG y agua/PEG/DEX–aire. La fracción de volumen de la fase DEX ($\phi_{dex}$) se varía sistemáticamente con respecto a la fracción de volumen bacteriana ($\phi_{bac}$) para aislar la competencia entre engrosamiento, mojado y actividad.
• Simulaciones: Se desarrolla un modelo híbrido de partícula-campo de grano grueso utilizando Dinámica de Partículas de Fluido (FPD). Las bacterias se modelan como nadadores de tipo "pusher" (cabeza, cola, partícula virtual) con un dipolo de fuerza de actividad. La mezcla de fluido binario se describe mediante un funcional de energía libre de Ginzburg–Landau. Crucialmente, el mojado bacteria-fluido se incorpora mediante términos de acoplamiento de superficie con coeficientes de afinidad para la cabeza y la cola, codificando la ruptura de simetría necesaria para el acoplamiento actividad-mojado.

Contribuciones clave y resultados
El estudio identifica el mojado interfacial como el elemento de ruptura de simetría que hace que la actividad bacteriana sea mecánicamente efectiva, permitiendo que los esfuerzos activos se acoplen a la LLPS. Al variar $\phi_{dex}$, los autores descubren tres regímenes morfológicos no equilibrium distintos:

1. Gotas de auto-rotación ($\phi_{dex} > \phi_{bac}$):

   • Mecanismo: Las bacterias ancladas en la interfaz rica en DEX rompen la simetría anterior-posterior. Esto convierte la actividad libre de fuerzas en un esfuerzo polar interfacial, generando un torque coherente que impulsa la rotación espontánea de la gota.
   • Dinámica: Esta rotación induce una repulsión hidrodinámica efectiva entre gotas a números de Reynolds bajos. Consecuentemente, la actividad suprime el engrosamiento de dominios, resultando en tamaños de gota significativamente menores en comparación con sistemas de bacterias no motiles o controles sin bacterias. Esto representa una frustración cinética donde la coalescencia es arrestada.

2. Cadenas de gotas elongadas ($\phi_{dex} \approx \phi_{bac}$):

   • Mecanismo: A medida que la fase DEX se limita, las gotas se conectan para compartir la fase minoritaria disponible entre las bacterias interfaciales.
   • Dinámica: El anclaje interfacial y la actividad estabilizan cooperativamente este estado jerárquico fuera del equilibrio, previniendo un mayor engrosamiento y permitiendo cadenas de gotas de larga duración.

3. Clústeres ramificados de tipo capilar ($\phi_{dex} < \phi_{bac}$):

   • Mecanismo: En este régimen, el papel de la actividad se invierte. La atracción mediada por el mojado predomina. Los gradientes de potencial químico impulsan flujos de solvente hacia la región inter-bacteriana, formando puentes capilares.
   • Dinámica: A diferencia del régimen de gotas, la actividad acelera el engrosamiento aquí. La motilidad mejora la agregación, permitiendo que las bacterias capturen vecinas a distancias micrométricas —superando ampliamente el alcance de la atracción por depleción— lo que conduce a un rápido crecimiento de los clústeres.

Validación Biológica
Para validar el mecanismo en un contexto biológico, los autores demuestran que las proteínas asociadas a biofilms (Bap) actúan como un "pegamento de mojado" interfacial. Incluso en suspensiones diluidas, la presencia de Bap promueve la agrupación bacteriana mediante el mecanismo mediado por el mojado, confirmando que las proteínas endógenas pueden desencadenar el ensamblaje a través de este principio físico.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo establece que el acoplamiento actividad–mojado, en lugar de la actividad o el mojado por sí solos, es el principio físico rector para regular la morfología de los patrones y la dinámica de engrosamiento.

• Rol cinético dual: Los autores muestran que la actividad tiene un efecto dual en el engrosamiento: suprime el engrosamiento mediante la repulsión inducida por flujo en el régimen de gotas, pero lo acelera mediante la atracción mediada por el mojado en el régimen capilar.
• Marco general: Los hallazgos proporcionan un marco general para la formación de comunidades bacterianas, sugiriendo que el mojado interfacial es el elemento clave que activa la motilidad bacteriana para acoplarse mecánicamente con la separación de fases.
• Implicaciones prácticas: El trabajo sugiere estrategias para estabilizar bio-emulsiones y controlar la agregación mediante la introducción de una fase de mojado menor, tendiendo un puente entre la microbiología y la física de la materia blanda.

Los autores concluyen que su marco de simulación es ampliamente aplicable para modelar la materia activa en ATPS, ofreciendo una explicación unificada de cómo la motilidad activa y el mojado cooperan para diseñar estados fuera del equilibrio.