Benjamín Pérez rindió, con éxito, el examen para optar al grado de Magíster en Ciencias con mención en Física, en el DFI-FCFM de la U. de Chile, donde dio a conocer su investigación sobre el nado de bacterias en superficies curvas o rugosas. Un trabajo que podría impactar en la reducción de infecciones en instrumentos médicos y prótesis.
“Caracterización de E. coli nadando cerca de superficies sinusoidales” es el nombre de la tesis que, el pasado miércoles, permitió a Benjamín Pérez optar al grado de Magíster en Ciencias con mención en Física en la Universidad de Chile. Un trabajo guiado por la directora alterna, director e investigador principal del Núcleo Milenio Física de la Materia Activa, María Luisa Cordero, Rodrigo Soto y Néstor Sepúlveda, respectivamente, y que podría impactar en áreas como la medicina.
La investigación de Pérez indagó en el nado de bacterias E. coli en diversas superficies, gracias a un dispositivo microfluídico creado especialmente para esta investigación por la doctora Cordero, que tenía tres paredes lisas (de control), y una rugosa. A esta última le podían controlar la amplitud de las oscilaciones y la longitud de la onda. Es decir, podía tener una rugosidad con más o menos curvatura.
“El objetivo era estudiar, tanto experimental como teóricamente, cómo la forma de la superficie puede modificar el hecho de que las bacterias creen o no alfombras o biopelículas. Y si posible que una pared microscópica con curvas pueda reorientar las bacterias y expulsarlas de la pared”, dice la doctora Cordero.
Impacto
Lo que descubrió Benjamín Pérez en esta investigación es que cuando la pared rugosa tiene una curvatura pequeña o plana, las bacterias se acumulan cerca de la pared y nadan a lo largo de ella. Cuando tienen una gran curvatura, se acumulan en los valles de la curva. Sin embargo, cuando la pared tiene una curvatura media, las bacterias son expulsadas lejos de la pared.
“El biofilm es una estructura que crean las bacterias al adherirse a las paredes y que las protege de antibióticos y del sistema inmune, por lo que es súper complicado lidiar con ella. La motivación de mi tesis es generar superficies en la que sea menos probable que las bacterias se adhieran y, por lo tanto, que no se forme biofilms. Eso ayudaría, por ejemplo, al diseño de prótesis intracorporales más sofisticadas que las que conocemos actualmente”, dice Benjamín Pérez. La doctora María Luisa Cordero, en tanto, indica que lograr manipular el tipo de rugosidad de la pared de un catéter, por ejemplo, podría incentivar que la acumulación bacteriana sea reducida en este dispositivo. “Si ponemos una rugosidad o curvatura que no tenga estos bolsillos tan profundos en el catéter, podemos hacer que las bacterias no se acumulen y, por lo tanto, no generen una infección”, explica.
Doctorado
Benjamín Pérez es licenciado en Física de la Universidad de Chile (DFI-FCFM), una opción que tenía clara antes de ingresar a la universidad. Sin embargo, indica, fue tras una charla del director del Núcleo Milenio, el doctor Rodrigo Soto, que decidió que su camino de especialización sería la biofísica, idea que consolidó tras hacer una práctica de verano con el investigador principal del Núcleo Milenio, doctor Néstor Sepúlveda: “Trabajamos en un tema de biofísica y me gustó harto. Me decidí completamente cuando Néstor me invitó a un proyecto súper interesante, que pronto publicaremos, sobre el movimiento de células eucariontes. Entonces decidí hacer el magíster con el núcleo y aquí estamos”, comenta.
Su próximo, indica, es viajar a Francia a realizar un doctorado. “El 9 de febrero viajo a París y empiezo mi doctorado financiado por un proyecto de la Unión Europea llamado PHYMOT. Trabajaré con Anke Lidner y Eric Clement en la universidad ESPCI (colaboradores internacionales del Núcleo Milenio), estudiando mezclas de bacterias muy densas”, adelanta Benjamín Pérez.
María Luisa Cordero indica que el alma del Núcleo Milenio es combinar trabajo experimental, teórico y numérico sobre la física de la materia activa, “y Benjamín hizo las tres cosas, algo que es súper valorable. Ahora él se va a hacer un doctorado a Francia, con colaboradores nuestros, donde seguramente le va a ir muy bien, pues llega con una sólida formación de base”, afirma.
Nombre Tesis: Characterization Of E.coli swimming near sinusoidal surfaces
Tesista: Benjamín Pérez
Dirigida por: María Luisa Cordero, Néstor Sepúlveda y Rodrigo Soto.
Resumen
Las bacterias nadan gracias al movimiento de sus flagelos. Esa afirmación se ramifica en muchas formas, ya que las bacterias tienen diferentes formas corporales y tipos de flagelos. Además, el medio ambiente juega un papel fundamental. No es lo mismo nadar en el océano con corrientes o cerca de una superficie.
Se ha descubierto que las superficies planas atrapan bacterias, lo que finalmente da como resultado su adhesión a la superficie y el inicio de la formación de biopelículas. Evitar la formación de biopelículas es un problema médico abierto cuya solución salvaría vidas. Esta tesis estudia cómo la forma de la superficie puede modificar el atrapamiento celular. La idea principal es que una pared sinusoidal microscópica podría reorientar las células y expulsarlas de la pared.
El primer capítulo explica los principales conceptos necesarios para entender este trabajo y su relevancia. El segundo capítulo describe los protocolos para el cultivo de bacterias, la fabricación de dispositivos de microfluidos, la adquisición de datos y el análisis. Los experimentos se realizaron con una cepa genéticamente modificada de E.coli que no da vueltas, porque es menos probable que abandone la superficie. Además, la densidad bacteriana se mantuvo baja para observar el movimiento de bacterias individuales.
El tercer capítulo presenta un marco teórico para la descripción numérica de la dinámica bacteriana con componentes mínimos. Esto nos lleva a un modelo basado en agentes de partículas brownianas activas esféricas en una representación bidimensional que considera colisiones elásticas y alineaciones estéricas con la pared.
El capítulo 4 muestra los resultados obtenidos en los experimentos y el modelo, los cuales muestran que la curvatura de la pared sinusoidal juega un papel fundamental. Cuando la pared curva es casi plana, las bacterias apenas salen de la pared. Por otro lado, si los valles son demasiado angostos, las bacterias quedarán atrapadas allí. Variando la amplitud y la longitud de onda del perfil de la superficie, se encuentra una transición entre estos dos regímenes. El régimen crítico representa el caso en el que las bacterias aún pueden moverse rápidamente a través del valle, pero el ángulo de escape es mayor, lo que hace que las bacterias abandonen la superficie, lo que lleva a un mínimo de acumulación. Las velocidades medidas en el seguimiento de bacterias respaldan este resultado. El modelo numérico reproduce cualitativamente las observaciones experimentales ajustando solo dos parámetros, el coeficiente de difusión rotacional y la magnitud de la interacción del alineamiento con el muro. Esta simplicidad nos permite concluir que la alineación de las células con la pared es la causa de este fenómeno, mientras que otros efectos causados por interacciones hidrodinámicas con la pared y entre células son despreciables. Debido a que muchas bacterias experimentan fuerzas estéricas de manera similar, este estudio promete aplicarse a otras especies bacterianas.
Finalmente, el capítulo 5 resume las conclusiones y perspectivas de este trabajo.