Ultrafast and reproducible quantitative analysis of bacterial chemotaxis by microfluidic cell counting and imaging

Las bacterias no son meramente pasajeros pasivos en su mundo; son navegantes activos capaces de sentir su entorno y moverse con un propósito. Esta capacidad, conocida como quimiotaxis, les permite nadar hacia los nutrientes que las sustentan o alejarse de las sustancias tóxicas que amenazan su supervivencia. Es un comportamiento fundamental que determina cómo las bacterias infectan a sus huéspedes, forman comunidades protectoras y encuentran alimento en entornos complejos. Para los científicos, comprender esta navegación es crucial, aunque medirla ha sido durante mucho tiempo una labor lenta e imprecisa. Los métodos tradicionales a menudo requieren esperar toda la noche para que las bacterias crezcan en colonias visibles en una placa de Petri, un proceso que requiere mucho trabajo y es propenso a inconsistencias. Debido a que los resultados pueden variar tanto dependiendo de cómo se configure el experimento, ha sido difícil detectar cambios sutiles en la forma en que las bacterias responden a su entorno o descubrir nuevas sustancias que las atraigan o las repelan.

Investigadores de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong han desarrollado una nueva forma de observar a estos nadadores microscópicos que es más rápida y mucho más fiable. En lugar de esperar a que las colonias crezcan, combinaron un método de prueba clásico con una pequeña máquina de conteo automatizada. En su enfoque, las bacterias se colocan en un depósito junto a un tubo de vidrio estrecho que contiene una sustancia química específica. Si la sustancia es atractiva, las bacterias nadan hacia el interior del tubo; si es repulsiva, se mantienen alejadas. En el pasado, los científicos tendrían que esperar horas, luego diluir el líquido del tubo y esperar otro día para contar las colonias resultantes. El nuevo sistema se salta el juego de la espera por completo. Una vez que las bacterias han tenido tiempo de nadar hacia el tubo, el líquido se inyecta directamente en un dispositivo microfluídico —un chip con canales microscópicos— donde una cámara y una computadora cuentan cada bacteria en tiempo real. Este proceso reduce el tiempo necesario para obtener un resultado de más de doce horas a solo unos pocos minutos.

El equipo primero construyó y probó este chip de conteo para asegurar que funcionara de manera fiable bajo diferentes condiciones. Crearon canales de varios tamaños y probaron cómo se movían las bacterias a través de ellos a diferentes velocidades. Utilizando simulaciones por computadora, mapearon cómo fluía el agua dentro de estos diminutos tubos, confirmando que incluso cuando la velocidad del flujo cambiaba drásticamente, el dispositivo podía seguir contando las bacterias con precisión. Descubrieron que el sistema seguía siendo preciso ya fuera que el canal fuera ancho o estrecho, y si el líquido se movía lenta o rápidamente. Esta robustez es vital porque significa que los resultados dependen del comportamiento de las bacterias, no de las peculiaridades de la máquina. Cuando probaron el dispositivo con atrayentes y repelentes conocidos, midió con éxito cuántas bacterias se movieron hacia una sustancia llamada aspartato y cuántas evitaron una sustancia llamada indol. Los resultados fueron consistentes y mostraron mucha menos variación que los métodos antiguos, permitiendo a los investigadores detectar diferencias que antes estaban ocultas por el ruido experimental.

Con esta herramienta fiable en mano, los investigadores centraron su atención en sustancias que no eran bien comprendidas. Probaron cómo reaccionaban las bacterias a diversas iones metálicos, una cuestión que no había sido explorada a fondo. Descubrieron que el níquel actúa como un potente repelente, haciendo que las bacterias se alejen de él. También encontraron que el zinc puede actuar como un repelente en concentraciones altas, pero podría actuar como un atrayente leve en niveles bajos. Para entender qué parte de la bacteria era responsable de detectar estos metales, compararon bacterias normales con una versión mutante que carecía de una proteína receptora específica. Las bacterias mutantes todavía reaccionaban al zinc, pero perdieron la mayor parte de su capacidad para detectar el níquel. Esto demostró que el receptor específico era esencial para detectar el níquel pero no para detectar el zinc, revelando una nueva capa de detalle en cómo las bacterias interactúan con su mundo químico.

Para llevar esta tecnología aún más lejos, los investigadores diseñaron una segunda versión del dispositivo que elimina la necesidad de mover la muestra del tubo al contador. En este sistema integrado, el canal estrecho sirve tanto de lugar de prueba como de estación de conteo. Las bacterias nadan directamente desde un depósito hacia el canal, y la cámara las observa moverse en tiempo real sin necesidad de bombas externas o agua en movimiento que las perturbe. Esta configuración permitió al equipo observar el viaje de las bacterias mientras sucedía, capturando los primeros momentos de su respuesta. Observaron que las bacterias comenzaron a acumularse en el canal dentro de los diez minutos posteriores a la exposición a un atrayente, una velocidad que los métodos más antiguos nunca podrían haber igualado. Además, este sistema les permitió rastrear la trayectoria de bacterias individuales, mostrando que no se desplazaban de forma aleatoria, sino que se movían con una dirección clara hacia la fuente química.

El trabajo demuestra que, al combinar un método sencillo y probado por el tiempo con tecnología de imagen moderna, los científicos pueden observar el comportamiento bacteriano con una claridad y velocidad que antes eran imposibles. El nuevo enfoque no requiere equipos complejos ni días de espera, lo que lo hace accesible para una gama más amplia de laboratorios. Proporciona una imagen clara y cuantitativa de cómo las bacterias navegan su mundo, desde su reacción a nutrientes comunes hasta su respuesta a iones metálicos. Al eliminar los retrasos e inconsistencias del pasado, este método abre la puerta para descubrir nuevas señales químicas y comprender las reglas fundamentales que guían la vida microscópica.