Investigating alterations in the cell envelope of Escherichia coli exposed to simulated microgravity

Los viajes espaciales a largo plazo presentan un conjunto único de desafíos para la vida humana, no solo para los astronautas, sino también para los organismos microscópicos que comparten su entorno. Las bacterias están en todas partes y, en el aire y el agua reciclados y confinados de una nave espacial, su comportamiento puede cambiar de formas que son difíciles de predecir. Una de las diferencias más significativas entre la Tierra y el espacio es la ausencia de gravedad. En nuestro planeta, la gravedad atrae las partículas más pesadas hacia abajo e impulsa el movimiento de los fluidos, creando un movimiento constante y suave que ayuda a que los nutrientes lleguen a las células y los desechos se alejen. En el espacio, sin este tirón, los fluidos se comportan de manera diferente; no se asientan y no circulan de la misma forma. Esto crea un entorno estancado donde el diminuto mundo que rodea a una célula bacteriana puede ser muy diferente de lo que es en la Tierra. Los científicos están profundamente interesados en cómo estos cambios afectan a las bacterias, particularmente a la Escherichia coli, un organismo común que se encuentra en el intestino humano. Si estas bacterias cambian su forma, su capa exterior o su capacidad para resistir medicamentos mientras están en el espacio, esto podría representar graves riesgos para la salud de la tripulación y la integridad de la propia nave espacial.

Para comprender estos posibles cambios sin el inmenso costo y la dificultad de enviar experimentos en órbita, los investigadores recurrieron a una herramienta terrestre llamada clinostatoo 3D. Este dispositivo es esencialmente una plataforma giratoria que hace rotar las muestras en tres dimensiones. Al cambiar constantemente la dirección de la gravedad con respecto a la muestra, engaña a las células en su interior para que experimenten un estado de "peso funcional nulo", imitando las condiciones del espacio. Un equipo de investigadores de la Universidad Savitribai Phule Pune en la India utilizó esta máquina para cultivar E. coli y examinó cuidadosamente si la cubierta de la bacteria, conocida como la envoltura celular, cambió bajo estas condiciones simuladas. La envoltura celular es la barrera protectora que rodea a una bacteria, actuando como su piel y escudo contra el mundo exterior. Los investigadores plantearon la hipótesis de que, debido a que el entorno alrededor de la célula había cambiado, la célula misma podría alterar su estructura para adaptarse.

El estudio comenzó cultivando dos conjuntos de la misma cepa bacteriana. Un conjunto se colocó en el clinostatoo rotatorio para simular la microgravedad, mientras que el otro se mantuvo en un agitador de laboratorio estándar que proporcionaba gravedad normal y una mezcla constante. Los investigadores monitorearon las bacterias a lo largo del tiempo para ver si crecían a ritmos diferentes. Encontraron que el crecimiento general de las bacterias fue notablemente similar en ambos entornos. Las células se multiplicaron y alcanzaron los mismos tamaños de población tanto en el entorno de microgravedad simulada como en el banco de laboratorio. Esto sugiere que la falta de gravedad no impidió que las bacterias comieran o se dividieran. Sin embargo, cuando los científicos miraron más de cerca la estructura física de las bacterias, la historia cambió. Utilizando un potente microscopio que utiliza electrones para ver detalles de la superficie, observaron que las bacterias cultivadas en microgravedad simulada se veían diferentes. Eran más cortas y significativamente más delgadas que sus contrapartes cultivadas en gravedad normal. Específicamente, las células expuestas al entorno de espacio simulado fueron aproximadamente un 4 por ciento más cortas en longitud y un 16 por ciento más estrechas en diámetro.

Este cambio de forma tuvo una consecuencia matemática directa para las bacterias. Debido a que se volvieron más delgadas y cortas, su área superficial disminuyó, pero su volumen disminuyó aún más. Esto resultó en un aumento del 14 por ciento en la relación entre el área superficial y el volumen. En términos más sencillos, las bacterias se volvieron más eficientes al interactuar con su entorno inmediato en relación con su tamaño. Este es un hallazgo significativo porque las bacterias suelen cambiar su forma para absorber mejor los nutrientes cuando la comida es escasa. Los investigadores también analizaron la composición química de las paredes celulares bacterianas utilizando una técnica que mide cómo las células absorben la luz infrarroja. Encontraron cambios distintos en las señales químicas asociadas con los azúcares y las proteínas en la pared celular, particularmente en la región donde se construye la capa exterior. Los datos mostraron que la composición química de la pared celular se había alterado, lo que sugiere que las bacterias estaban remodelando sus capas protectoras en respuesta a las condiciones únicas de la microgravedad simulada.

Más allá de su forma y composición química, los investigadores investigaron cómo las bacterias interactuaban con su entorno y con los medicamentos. Probaron si las bacterias se agrupaban, un comportamiento conocido como autoagregación, que es a menudo un precursor de la formación de biopelículas (biofilms): capas viscosas que pueden obstruir equipos. Encontraron que las bacterias no se agrupaban más ni menos de lo habitual, independientemente de la condición de gravedad. También probaron qué tan fácilmente podían ser eliminadas las bacterias por los antibióticos. Los resultados aquí fueron sorprendentes. Si bien las bacterias siguieron siendo igualmente susceptibles a la mayoría de los fármacos probados, su susceptibilidad a dos antibióticos específicos, Cefotaxima y Cloranfenicol, disminuyó significativamente. Las bacterias cultivadas en microgravedad simulada mostraron una disminución significativa en la susceptibilidad a estos fármacos. Esto sugiere que los cambios en la envoltura celular, como el adelgazamiento de la pared celular y los cambios químicos, pueden haber alterado la forma en que estos antibióticos específicos interactúan con las bacterias.

Los investigadores concluyeron que, si bien las bacterias no dejaron de crecer, el entorno de microgravedad simulada las obligó a adaptarse física y químicamente. Las bacterias se volvieron más delgadas, cambiaron la química de sus paredes exteriores y mostraron una disminución significativa en la susceptibilidad a ciertos antibióticos comunes. Estos hallazgos son cruciales para las futuras misiones espaciales. Si las bacterias en el espacio cambian su forma y alteran su susceptibilidad a la medicina, esto podría complicar el tratamiento de infecciones para los astronautas y aumentar el riesgo de contaminación bacteriana en las superficies de las naves espaciales. El estudio ofrece una visión clara de que la envoltura celular es una estructura dinámica que responde a las fuerzas físicas de su entorno. Aunque esta investigación se realizó en la Tierra mediante una simulación, ofrece un vistazo vital de cómo podrían comportarse los pasajeros microscópicos de un futuro viaje espacial cuando dejen atrás nuestro planeta.