Un entorno de microfluidos puede cambiar el comportamiento de los microbios y crear su evolución social.

Revista de biofísica (2024). DOI: 10.1016/j.bpj.2024.01.007">

Los microbios son criaturas sociales. Al igual que los humanos, se conectan y colaboran para resolver problemas más grandes que ellos mismos. Una comunidad microbiana incluso tendrá aprovechadores y otras personas para controlarlos.

Entonces, ¿qué pasaría si los investigadores pudieran influir en su evolución social para desarrollar ciertos comportamientos? Esto podría ser importante para resolver muchos de los problemas actuales, como la lucha contra las infecciones. resistencia a los antibióticosdesarrollo de estrategias microbianas para tratamiento de aguas residuales o recolectar fuentes de energía alternativas.

Un equipo de investigación dirigido por Dervis Jan Vural, profesor asociado de física y astronomía en la Universidad de Notre Dame, estudió cómo se produce la evolución social. microbios pueden manipularse ajustando los parámetros físicos del entorno en el que viven. hubo resultados publicado recientemente año Revista de biofísica.

"La dinámica de fluidos lo cambia todo", dijo Vural. "Queríamos ver si podíamos diseñar la estructura social de la comunidad microbiana. Según nuestros modelos, la respuesta es sí”.

Los microorganismos se comunican y cooperan entre sí, lo cual es costoso de producir pero beneficia a toda la comunidad. Estos productos son "bienes públicos.” Por ejemplo, pueden secretar enzimas digestivas, que luego descomponen los alimentos que los rodean, y eso es bueno para todos.

Y luego están los estafadores. Estos aprovechados no contribuyen tanto al conjunto de bienes públicos, pero aun así se benefician de las contribuciones de otros y dañan el sistema.

"A los estafadores les importa más su éxito que la comunidad", explicó Vural. "Como contribuyen menos al bien público, pueden dedicar más recursos a la autorreproducción. Por eso se reproducen más rápido que otros y, finalmente, dominan a la población. El fraude se propaga y verás que hay muy pocos microbios trabajando". —Y nadie trabajando. "Si no, toda la nación caerá".

Utilizando modelos computacionales física y biológicamente realistas, los investigadores comenzaron a comprender cómo manipular la estructura de las interacciones para "ayudar a las poblaciones microbianas a explotar todo su potencial", escribieron en el estudio.

Aparece un flujo de líquido. fuerzas cortantes, un tipo de movimiento que separa los grupos microbianos entre sí y hace que se desintegren. "Si los grupos se interrumpen con más frecuencia que la velocidad a la que surgen los mutantes rebeldes, prevalecerá la cooperación", dijo Vural. "Entonces, al controlar el patrón de flujo, podemos controlar el patrón de cooperación".

El grupo de Vural consideró muchos medios para controlar la evolución del comportamiento social, incluido el uso de diferentes patrones de flujo a través de diferentes cámaras, embudos, microcanales, filtros y productos químicos y, en algunos casos, pulsos periódicos. Algunos modelos están diseñados para crear un vórtice que, a través de su patrón de desplazamiento, empuja a los cooperadores localizados dentro del anillo hacia el círculo exterior del entorno, que esencialmente localiza la cooperación.

"Se pueden tener microbios trabajando en un lugar pero no en otro", explicó Vural. "Se puede promover un comportamiento cooperativo para que no surjan delincuentes que amenacen a la población. Se puede hacer lo contrario: incentivar a los delincuentes para que destruyan una población de microorganismos si se quiere. Y se puede hacer cualquier cosa entre ellos. El grado de cooperación".

El enfoque de Vural no intenta inhibir ni actuar como señuelo para la capacidad de los microbios de producir bienes o desechos públicos, sino que crea un entorno que anima a los microorganismos a prosperar de una forma u otra.

"No tratamos con individuos", dijo. "Desarrollamos poblaciones enteras modificando la física para inducirlas a hacer trampa o cooperar".

El estudio es la última investigación de Vural sobre el potencial de ingeniería de la evolución social en un entorno de microfluidos. "Convertir estas ideas en realidad práctica será una tarea desafiante", admite, y requerirá un dispositivo altamente sintonizado equipado con tubos microscópicos, filtros y cámaras de flujo. Pero dice que los resultados son muy prometedores y alientan la "ingeniería evolutiva" como un nuevo campo de investigación.

"Nuestro trabajo suele tener una base teórica, pero en este caso nos motivó la posibilidad real de la ingeniería. evolución socialdijo Vural. "Los experimentos serán complejos, pero existe un gran potencial para aplicaciones prácticas".

Las simulaciones fueron realizadas por Gurdeep Uppal, un estudiante de Vural que ahora está en la Facultad de Medicina de Harvard.