Two actinobacterial G protein systems control multicellular mycelial growth and morphology in Streptomyces venezuelae

A menudo se imagina a las bacterias como errantes solitarias, células individuales que derivan en su entorno y se dividen por su cuenta. Sin embargo, muchas bacterias viven como vastas comunidades cooperativas, formando intrincadas redes que se asemejan a las raíces de una planta o a los hilos de la telaraña de una araña. Entre estas se encuentran las estreptomicetas, un grupo de bacterias que habitan el suelo y crecen como filamentos largos y ramificados llamados hifas. Estos filamentos se entrelazan para crear un micelio multicelular, una malla viva que explora el suelo en busca de nutrientes. Para que esta red funcione, los filamentos individuales deben coordinar su crecimiento. Necesitan saber dónde extenderse, cuándo ramificarse y, crucialmente, cómo evitar chocar entre sí de una manera que cree un enredo ineficiente y enmarañado. Esta coordinación requiere un sofisticado sistema de comunicación interna, una forma de que las células sientan a sus vecinas y ajusten su forma y dirección en consecuencia.

En el suelo, donde el alimento suele ser escaso y estar distribuido de forma desigual, la capacidad de organizar una red multicelular de manera eficiente es una cuestión de supervivencia. Si los filamentos crecen de forma azarosa, podrían desplazarse unos a otros, desperdiciando energía y no logrando cubrir el terreno de manera efectiva. Los científicos han sabido durante mucho tiempo que las bacterias utilizan señales químicas para comunicarse entre sí, pero los mecanismos específicos que permiten a una red de filamentos mantener una estructura limpia y organizada mientras crece sobre una superficie seguían siendo un misterio. Investigaciones recientes han centrado su atención en un conjunto único de herramientas genéticas que se encuentran en estas bacterias, conocidas como sistemas de proteínas G. Estas son máquinas moleculares que actúan como interruptores, encendiendo o apagando genes en respuesta al entorno. En la bacteria específica Streptomyces venezuelae, existen ocho versiones diferentes de estos sistemas, pero hasta ahora, nadie sabía exactamente qué hacían la mayoría de ellos ni cómo ayudaban a las bacterias a construir sus complejos hogares multicelulares.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Lund, en Suecia, se propuso resolver este enigma eliminando sistemáticamente cada uno de estos ocho sistemas genéticos, uno por uno, para ver qué sucedía con las bacterias. Cultivaron las bacterias modificadas en diferentes tipos de alimentos, que iban desde geles ricos y densos en nutrientes hasta superficies mínimas y muy pobres que imitan las duras condiciones del suelo. Lo que descubrieron fue que dos de estos sistemas, trabajando juntos, actúan como los arquitectos de la red bacteriana. Cuando los investigadores eliminaron ambos sistemas genéticos específicos, las bacterias perdieron su capacidad de organizarse. En lugar de extenderse en una capa uniforme y ordenada donde cada filamento tiene su propio espacio, las bacterias mutantes comenzaron a agruparse. Sus filamentos se pegaban unos a otros, formando haces gruesos y similares a cuerdas que parecían una bola de lana enredada en lugar de una delicada telaraña.

Este comportamiento de agrupamiento no era solo una cuestión de que las bacterias se pegaran entre sí por accidente. Los investigadores observaron que los filamentos mutantes crecían en líneas rectas y rígidas, mientras que las bacterias de tipo silvestre crecían en curvas suaves y sinuosas. Las bacterias de tipo silvestre parecían evitar activamente a sus vecinas, creciendo en los espacios vacíos entre otros filamentos para cubrir la superficie de manera uniforme. Esta "autoevitación" les permitía explorar el alimento disponible de manera más eficiente. Los mutantes, al carecer de los dos sistemas genéticos clave, perdieron esta capacidad. Crecían rectos y se pegaban a lo que tuvieran cerca, incluyendo otros filamentos mutantes e incluso los filamentos de tipo silvestre con los que se cultivaban. Los investigadores probaron si las bacterias estaban liberando sustancias químicas invisibles en el aire o el agua que causaran este pegado, pero no encontraron evidencia de tales señales. En cambio, el problema parecía ser intrínseco a las propias células mutantes; sus superficies habían cambiado, volviéndolas pegajosas y propensas a agruparse.

Al observar los genes que estaban activos en las bacterias mutantes, los científicos descubrieron por qué estaba ocurriendo esto. Los mutantes habían aumentado el volumen de un gran grupo de genes responsables de la construcción de la pared celular y de la producción de recubrimientos azucarados en el exterior de la célula. Esta sobreproducción de materiales superficiales probablemente hizo que los filamentos fueran pegajosos, causando que se adhirieran entre sí. Sin embargo, la historia no terminó con el simple agrupamiento microscópico. Los investigadores también notaron que los mutantes se comportaban de manera diferente a una escala mayor. Mientras que las bacterias de tipo silvestre se extenderían en una película fina y de aspecto calvo a través de la placa —un comportamiento conocido como crecimiento exploratorio—, los mutantes no lograban hacerlo. En su lugar, formaban colonias densas y vellosas que parecían intentar crecer hacia arriba en el aire, incluso cuando las condiciones no eran adecuadas para tal crecimiento.

Para entender por qué los mutantes no lograban explorar, los investigadores buscaron bacterias que hubieran corregido espontáneamente el problema. Descubrieron que algunas de las bacterias mutantes habían adquirido nuevas mutaciones que les permitían extenderse de nuevo, casi como el tipo silvestre. Cuando analizaron el ADN de estas bacterias "supresoras", encontraron que la corrección implicaba cambios en un conjunto diferente de genes que controlan una señal química conocida como cGMP cíclico (cyclic-di-GMP). Esta señal es un regulador maestro que le dice a las bacterias cuándo dejar de crecer y empezar a formar esporas. Los investigadores concluyeron que los mutantes originales estaban creciendo demasiado rápido y madurando demasiado pronto. Debido a que tenían prisa por formar esporas, nunca se tomaron el tiempo para extenderse y explorar la superficie adecuadamente. Los dos sistemas genéticos que habían eliminado actuaban como un freno, manteniendo a las bacterias en un estado vegetativo de crecimiento el tiempo suficiente para construir una red adecuada.

El estudio reveló que estos dos sistemas genéticos tienen dos tareas distintas que son sorprendentemente separadas. Un trabajo es controlar la forma física de los filamentos y evitar que se peguen entre sí, asegurando que la red permanezca abierta y organizada. El otro trabajo es evitar que las bacterias maduren demasiado rápido, permitiéndoles explorar su entorno plenamente. Los investigadores demostraron que podían corregir el problema de la exploración cambiando las señales de maduración, pero esto no solucionaba el problema del agrupamiento. Los filamentos seguían pegándose entre sí incluso cuando se permitía que las bacterias crecieran durante más tiempo. Esto significa que la forma en que las bacterias construyen su forma y la forma en que deciden cuándo crecer o madurar son controladas por vías diferentes, aunque ambas sean gestionadas por el mismo par de sistemas genéticos.

Este trabajo proporciona una imagen clara de cómo una bacteria simple gestiona la compleja tarea de vivir como una comunidad multicelular. Muestra que las bacterias no solo crecen al azar; utilizan herramientas genéticas específicas para sentir su entorno, ajustar su forma y coordinarse con sus vecinas. Sin estas herramientas, la red colapsa en un enredo de nudos y la colonia no logra explorar sus alrededores de manera efectiva. Los hallazgos sugieren que la capacidad de mantener una estructura limpia y organizada es tan importante para la supervivencia bacteriana como la capacidad de encontrar alimento. Al comprender estos mecanismos, los científicos pueden comenzar a ver cómo estos organismos antiguos han evolucionado para prosperar en el complejo y competitivo mundo del suelo, construyendo ciudades intrincadas de filamentos que están mucho más organizadas de lo que nadie anteriormente había imaginado.