Juan Pablo Carrillo obtuvo ayer el grado de Magíster en Ciencias con Mención en Física, logrando distinción máxima por su investigación sobre el movimiento de bacterias de suelo, utilizadas como biofertilizantes. Sus resultados entregan conocimientos que sirven de base para mejorar la eficiencia de su nado y convertirlas, a futuro, en una alternativa viable para una agricultura sustentable.
“Motilidad de bacterias de suelo Bradyrhizobium diazoefficiens en dispositivos microfluídicos” es el nombre de la tesis que, ayer jueves, permitió a Juan Pablo Carrillo (licenciado en Física de la U. Católica del Maule) optar al grado de Magíster en Ciencias con mención en Física en la Universidad de Chile, con distinción máxima. Un trabajo guiado por la directora alterna del Núcleo Milenio Física de la Materia Activa, María Luisa Cordero, y la investigadora Moniellen Pires, en el que entrega nuevas claves para entender el movimiento de un tipo de bacterias de suelo, usadas actualmente como biofertilizantes, que permitirían mejorar la eficiencia de su nado y convertirlas, a futuro, en una alternativa viable para la agricultura.
Las bacterias Bradyrhizobium diazoefficiens viven en simbiosis con la soya: la leguminosa les entrega un espacio para vivir y reproducirse en sus raíces y, a cambio, los microorganismos fijan el nitrógeno atmosférico al suelo, lo que fertiliza la planta. En Argentina, uno de los mayores productores de soya, algunos agricultores la usan como biofertilizante para mejorar la producción, siendo una alternativa sustentable frente a los fertilizantes químicos. “Sin embargo, aún no son lo suficientemente eficientes para reemplazar completamente los químicos. Para mejorar su rendimiento se necesita comprender cómo las bacterias llegan a las raíces para formar nódulos fijadores de nitrógeno. En esta investigación, Juan Pablo observó estas bacterias en dispositivos que simulan el suelo poroso, contribuyendo a su descripción y comprensión”, dijo la académica del DFI-UChile, María Luisa Cordero.
RESULTADOS
La tesis de Juan Pablo Carrillo se dio en el marco de un proyecto de investigación postdoctoral de la investigadora Moniellen Pires, trabajo que cuenta con la colaboración de los investigadores argentinos Verónica Marconi y Aníbal Lodeiro, y la guía de la doctora María Luisa Cordero. “Partí en este proyecto en una práctica de verano que hice en el Departamento de Física de la U. de Chile (DFI-UChile) en el año 2020, cuando aún iba en pregrado. Luego vino la pandemia y se estancó todo, pero apenas entré al Magíster empecé a trabajar completamente en el proyecto con María Luisa y Moniellen, que en ese tiempo era postdoc”, cuenta Carrillo.
En la investigación, Carrillo estudió el movimiento de diversas cepas de la bacteria B. diazoefficiens, que poseían distintas cantidades de colas o flagelos. Para ello, usó suelos sintéticos: dispositivos microfluídicos especialmente diseñados y fabricados para este propósito, los cuales reproducían los canales porosos del suelo de las plantaciones, con el fin de caracterizar el comportamiento de nado de estas bacterias. “Uno de los hallazgos que obtuvimos es que, si confinamos a las bacterias, éstas comienzan a nadar cada vez más lento, y que cuando aumentamos el nivel de confinamiento, estas bacterias prefieren hacer cambios de dirección en reversa, es decir, cambian de dirección en 180 grados. Con el confinamiento también se genera una dinámica de aglutinación de las bacterias dentro de los canales, en los cuales logramos medir su transporte a través de su coeficiente de difusión efectiva a través de la red”, explica el magíster en Física. 
La investigación también logró determinar cuánto afectan los flujos externos-como la lluvia o el riego- el nado de estas bacterias hacia las raíces de la soya. “Lo que encontramos es que la exposición a flujos puede matarlas o quitarles flagelos, lo que dificulta su nado. Vimos que las que no mueren, pero que sí pierden flagelos, tras un tiempo los regeneran, así como su capacidad de nado. Además, pudimos constatar que las bacterias con los sistemas flagelares lateral y subpolar pueden sobrevivir mejor a los flujos, frente a las bacterias que solo poseen el flagelo subpolar, lo que indica que los flagelos laterales actúan como protectores de la célula”, dice Juan Pablo Carrillo. Estos resultados entregan conocimientos base que pueden servir para que, desde la biología sintética, se creen cepas de bacterias especialmente diseñadas para ser más eficientes en el nado hacia las raíces de las plantas, de modo de asegurar su «trabajo» como fertilizantes biológicos de amplio uso, aportando así a una agricultura sustentable.
María Luisa Cordero, profesora guía de la tesis, destaca el trabajo “meticuloso y crítico” de Juan Pablo para obtener sus resultados, así como su capacidad para proponer experimentos, “desde su concepto hasta su ejecución y análisis, para poder entender algunos comportamientos que observábamos en las bacterias y que nos permitieron explicarnos varias cosas y además extender los resultados más allá de las condiciones en que medíamos. Con eso, Juan Pablo demostró un alto nivel de madurez, que le permite graduarse con una tesis muy completa y bonita”, dijo. El nuevo magíster, en tanto, seguirá investigando en el área de la materia activa, ahora en un doctorado en Física que realizará, desde marzo, en la Universidad de Barcelona, en Barcelona, España.
RESUMEN DE TESIS
Motilidad de bacterias de suelo
Bradyrhizobium diazoefficiens en dispositivos microfluídicos
Las bacterias Bradyrhizobium diazoefficiens (B. diazoefficiens) son capaces de fijar nitrógeno atmosférico al suelo en simbiosis con las plantas de soja, lo que permite utilizarlas como biofertilizante. El rendimiento de este biofertilizante depende, en parte, del número de bacterias que logran viajar desde los sitios de inoculación hasta las raíces, para luego formar nódulos fijadores de nitrógeno. Esto motiva a conocer el proceso de transporte de estos microorganismos a través del suelo y los factores externos que lo afectan, lo que hasta ahora ha sido poco estudiado, debido a la imposibilidad de observar directamente el nado de bacterias a través del suelo. La cepa salvaje (WT) de B. diazoefficiens posee dos sistemas de flagelos con los que se autopropulsa: el subpolar, que consiste en un único flagelo que nace cerca uno de los polos del cuerpo de la bacteria, y el lateral, conformado por varios flagelos más largos y delgados que el subpolar, anclados por el costado del cuerpo de la bacteria. La presencia de dos sistemas flagelares independientes es inusual, y aún no se conoce el rol de los flagelos laterales, los que a diferencia del subpolar, no son constitutivos y solo se expresan de acuerdo a condiciones nutricionales específicas.
Para esta tesis se diseñó y fabricó una serie de dispositivos microfluídicos para caracterizar experimentalmente la motilidad de distintas cepas de B. diazoefficiens en condiciones de inteŕés práctico y académico.
El primer dispositivo es una cavidad cilíndrica, con la que se estudió en condiciones cuasi-desconfinadas el nado de la cepa WT, y las mutantes ∆lafA (que solo expresa el flagelo subpolar) y ∆fliC (que solo expresa los flagelos laterales), obteniendo sus distribuciones de velocidad de nado y la fracción de bacterias activas en una suspensión. El segundo tipo de dispositivo microfluídico incorpora un medio poroso desordenado que se propone como modelo de suelo artificial. En este dispositivo se estudió el nado de las cepas WT y ∆lafA en un entorno que reproduce cualitativamente a la intrincada estructura de los poros del suelo. Variando el ancho de los canales, se cuantifica el efecto del confinamiento en la velocidad y las estrategias de nado de las bacterias, y en su aglutinación en los canales. Una variante de este tipo de dispositivo se utilizó para medir el coeficiente de difusión traslacional efectivo de la cepa WT. Finalmente, con un tercer tipo de dispositivo, se estudiaron los efectos del cizalle sobre la motilidad de las cepas WT y ∆lafA, sometiendo a las bacterias a flujos externos por tiempos constantes o a lo largo de distancias constantes. Se observaron caídas en la velocidad media de nado y la fracción de bacterias activas, las cuales se recuperan parcialmente con el tiempo. Se determinaron las tasas de corte críticas para la pérdida de motilidad y los tiempos característicos asociados a su recuperación.
Los resultados obtenidos en este trabajo, tanto para el transporte y la motilidad de estas bacterias de suelo, como para los efectos del cizalle en su actividad, pueden ser utilizados como referencia para que, desde el campo de la biología sintética, se desarrollen nuevas cepas mutantes de B. diazoefficiens que mejoren su eficiencia como biofertilizante, constituyendo un aporte sustancial para la agronomía sustentable.