Intrinsic timekeeping in Escherichia coli

La mayoría de los seres vivos, desde los organismos unicelulares más diminutos hasta los animales complejos, poseen un sentido interno del tiempo. Este reloj biológico permite que anticipen cambios previsibles en su entorno, como la salida del sol o el enfriamiento del aire nocturno, en lugar de simplemente reaccionar a ellos después de que ocurren. En los humanos y otros animales, estos relojes coordinan el sueño, el metabolismo y la función inmunitaria, asegurando que actividades conflictivas no ocurran al mismo tiempo. Durante décadas, los científicos creyeron que esta capacidad de llevar el tiempo se limitaba a organismos con sistemas nerviosos complejos o aquellos que realizan la fotosíntesis, como las plantas y ciertas bacterias que recolectan luz solar. Las bacterias no fotosintéticas, que conforman una vasta porción del mundo microbiano, se pensaba generalmente que carecían de este mecanismo interno de temporización, operando en su lugar sobre una base simple y reactiva.

Un equipo de investigadores ha descubierto ahora que esta suposición es incorrecta. Descubrieron que Escherichia coli, una bacteria común que se encuentra frecuentemente en el intestino humano, posee una capacidad intrínseca para llevar el tiempo. Esta bacteria no solo reacciona a su entorno; puede aprender un ritmo diario y continuar siguiéndolo incluso cuando las señales externas son eliminadas. El estudio revela que estas bacterias utilizan un sistema de señalización interna específico para rastrear el paso del tiempo, lo que les permite prepararse para los cambios diarios de temperatura antes de que ocurran. Este hallazgo sugiere que la capacidad de anticipar el futuro está mucho más extendida en el mundo microbiano de lo que se imaginaba anteriormente, desafiando la visión largamente sostenida de que la capacidad de llevar el tiempo es un rasgo reservado para formas de vida más complejas.

Los investigadores comenzaron su investigación observando cómo se comporta la E. coli en un entorno controlado. Cultivaron las bacterias en colonias circulares delgadas sobre un gel especial que contenía un tinte rojo. Este tinte se une a una sustancia pegajosa llamada curli, que las bacterias producen para ayudarles a adherirse a las superficies y formar comunidades protectoras conocidas como biopelículas. Los científicos sabían que la producción de curli es sensible a la temperatura, por lo que colocaron las colonias bacterianas en un incubador que alternaba entre dos temperaturas: una más fría de 25.5 grados Celsius y una ligeramente más cálida de 28.5 grados Celsius. Cambiaron la temperatura cada doce horas, imitando un ciclo día-noche.

A medida que las bacterias crecían hacia afuera desde el centro de la placa, dejaban un registro visible de su actividad. Cuando las bacterias producían curli, el tinte rojo teñía el área, creando un anillo oscuro. Cuando dejaban de producirlo, el anillo permanecía claro. Si las bacterias estuvieran simplemente reaccionando a la temperatura, los anillos oscuros aparecerían exactamente cuando la temperatura cambiara. Sin embargo, los investigadores observaron algo diferente. Durante varios días, las bacterias comenzaron a cambiar su comportamiento. Empezaron a producir la sustancia pegajosa curli aproximadamente seis horas antes de que la temperatura tuviera programado subir. Este cambio de reaccionar a anticipar es una característica distintiva de un verdadero reloj biológico. Las bacterias habían sincronizado su ritmo interno con el ciclo de temperatura externo, efectivamente aprendiendo el horario.

Para demostrar que este ritmo era interno y no solo una reacción continua al entorno, los científicos realizaron una prueba crucial. Después de tres días de alternar la temperatura, dejaron a las bacterias en una temperatura constante e invariable. Si las bacterias estuvieran simplemente reaccionando al calor, el patrón de anillos debería haber cesado inmediatamente. En cambio, las bacterias continuaron produciendo la sustancia pegajosa en un patrón rítmico durante al menos tres días más. Mantuvieron un compás constante de aproximadamente veinticuatro horas, incluso cuando el mundo exterior se había quedado en silencio. Este fenómeno, conocido como un ritmo de carrera libre (free-running rhythm), confirmó que las bacterias estaban funcionando con un temporizador interno que había sido establecido por los cambios de temperatura anteriores.

El equipo investigó entonces cómo las bacterias lograban coordinar dos comportamientos opuestos: pegarse a una superficie y moverse. Las bacterias utilizan colas similares a látigos llamadas flagelos para nadar hacia condiciones favorables, pero deben dejar de nadar y construir una superficie pegajosa para formar una comunidad estable. Estas dos actividades son mutuamente excluyentes; una bacteria no puede hacer ambas cosas a la vez. Los investigadores descubrieron que las bacterias separaban estas tareas en el tiempo. Cuando las bacterias estaban más activas produciendo el curli pegajoso para la adhesión, los genes responsables de construir los flagelos de natación estaban inactivos. Por el contrario, cuando las bacterias se preparaban para nadar, la producción de la sustancia pegajosa se detenía. Esta separación aseguraba que las bacterias no desperdiciaran energía intentando realizar tareas conflictivas simultáneamente, una estrategia similar a cómo los humanos duermen por la noche y están activos durante el día.

Para comprender la maquinaria detrás de este reloj, los investigadores recurrieron a la genética. Examinaron un sistema de comunicación específico dentro de las bacterias llamado fosforelevo Rcs. Este sistema actúa como una carrera de relevos, pasando una señal química desde el borde exterior de la célula hacia el centro de control interno para decirle a las bacterias qué hacer. Al crear bacterias con partes rotas de este sistema, los científicos descubrieron que la vía Rcs era esencial para que el reloj funcionara. Sin un componente específico de este relevo, las bacterias aún podían sentir los cambios de temperatura, pero perdían la capacidad de mantener el ritmo una vez que la temperatura se volvía constante. Esto indicó que el mecanismo de temporización se encontraba dentro de esta vía de señalización.

El estudio también exploró cómo las bacterias recibían la señal inicial para ajustar sus relojes. Identificaron un sistema separado llamado BluFR, que actúa como un sensor tanto para la luz azul como para las bajas temperaturas. Este sensor introduce información en el relevo Rcs. Los investigadores descubrieron que el sistema BluFR rastreaba los cambios ambientales pero no mantenía el ritmo por sí solo. En cambio, actuaba como la entrada que sincronizaba el reloj interno de Rcs. En una demostración impactante, los científicos mostraron que podían reiniciar el reloj de las bacterias usando solo luz. Al exponer las bacterias a ciclos de luz azul y oscuridad, pudieron inducir los mismos patrones de producción de la sustancia pegajosa, demostiendo que las bacterias podían usar la luz como una señal temporal de la misma manera que usaban la temperatura.

Finalmente, los investigadores compararon la estructura del sistema de temporización bacteriano con los relojes bien conocidos que se encuentran en las bacterias fotosintéticas, que son las únicas otras bacterias conocidas que poseen un reloj molecular definido. A pesar de no compartir una historia genética, las proteínas en el sistema de temporización de la E. coli se parecen notablemente en su forma tridimensional a las proteínas del reloj fotosintético. Ambos sistemas utilizan una serie de interruptores químicos y dominios estructurales para procesar información y generar un ritmo. Esto sugiere que la naturaleza puede haber llegado a la misma solución para llevar el tiempo de diferentes maneras, utilizando principios arquitectónicos similares para resolver el problema de anticipar los ciclos diarios.

Este descubrimiento redefine nuestra comprensión de la vida bacteriana. Muestra que incluso un organismo simple como la E. coli puede aprender un horario, recordarlo y actuar sobre él con antelación. La capacidad de anticipar los cambios ambientales probablemente proporciona una ventaja de supervivencia, permitiendo a las bacterias prepararse para los desafíos del día antes de que lleguen. Al identificar los genes y proteínas específicos responsables de este cronometraje, los investigadores han abierto una nueva puerta para comprender cómo las bacterias coordinan su comportamiento. Este conocimiento podría eventualmente ayudar a predecir cómo las bacterias responden a sus entornos, lo que potencialmente conduciría a nuevas formas de gestionar el crecimiento bacteriano en la medicina y la industria. El estudio confirma que la capacidad de llevar el tiempo es un rasgo fundamental y generalizado en el mundo vivo, extendiéndose mucho más allá de los organismos complejos que vemos todos los días.