Sí, las bacterias toman decisiones, una de las cuales es nadar hacia la comida ( o lejos de los repelentes ) utilizando redes de señalización molecular dentro de su “cuerpo”: una sola célula.
Como señalan Steve y otros, no existe un “cerebro” en las bacterias en el sentido en que usamos la palabra “cerebro” para la vida multicelular, ya que las bacterias son formas de vida unicelulares. Sin embargo, dentro de estas formas de vida de células individuales están las redes de señalización molecular que trabajan a diferentes escalas de tiempo que impulsan la toma de decisiones necesarias para su supervivencia, la mayoría de las cuales se han conservado también en formas de vida muticelulares.
- Cuando las bacterias ( E. coli ) se encuentran en un ambiente con abundantes nutrientes, continúa dividiéndose y no intenta moverse. [1]
- Cuando las condiciones empeoran, toman la decisión de desarrollar varios motores de tamaño nanométrico unidos a hélices ( flagelos ) que le permiten nadar. También genera un sistema de navegación que le dice a dónde ir en busca de alimentos evitando los repelentes a lo largo del camino.
- Pueden detectar gradientes de molécula ( por ejemplo, molécula de alimento ) tan pequeño como un molecular por micra en un fondo de 1000 moléculas por volumen de célula. Su pequeña longitud de “cuerpo” de una micra evita este alto nivel de sensibilidad a la detección de alimentos utilizando una antena en los extremos de la celda ( detección de gradiente espacial ). Las fluctuaciones aleatorias ( Poisson ) de la señal de fondo ( sqrt (1000) ~ 30 ) enmascararían la molécula por gradiente de micras que pueden detectar. En cambio, estos organismos toman muestras del gradiente a lo largo del tiempo y lo integran, en lugar de integrar espacialmente el gradiente. [2]
Comportamiento de búsqueda y adaptación de alimentos en un entorno fluido:
- “Buscar decisión” cuando no se detecta comida. Realizan un escaneo de recorrido aleatorio que se compone de movimientos en línea recta ( carreras ) que duran aproximadamente un segundo entrelazado con caídas de 100 mseg que cambian aleatoriamente de dirección. Figura 1
- “Ir a la decisión de alimentos” al detectar un gradiente de molécula de alimento. Dentro de los 100 ms de la detección de un gradiente de molécula de alimento, su frecuencia de caída caerá en picado, haciéndolos esencialmente nadar ( solo corre, sin derrumbes ) a lo largo del gradiente.
- “Adapte la decisión” después de presentar el entorno alimentario por un tiempo (varios minutos) . Una vez que están en el ambiente de comida durante unos minutos, empiezan a voltearse nuevamente y continúan su exploración. Este comportamiento de adaptación permite que las bacterias maximicen el escaneo de su entorno, confiriéndole algunos beneficios ( quizás no estar atascados en el óptimo local. Compare esto sin embargo con el comportamiento sedentario antes de la producción de los motores mencionados anteriormente. Sin embargo, existe una apuesta de cobertura decisión también en la vida sedante que se menciona a continuación ).
Mecanismos de señalización molecular que impulsan cada decisión anterior
- “Decisión de búsqueda” (cuando no se detecta comida):
- Una célula bacteriana ( E. coli ) tiene varios miles de sensores incrustados en la “superficie del cuerpo” ( membrana celular ) que pueden detectar moléculas de interés ( por ejemplo, alimentos ).
- Estos sensores están unidos en el interior de la célula a una “molécula de alternancia” que alterna rápidamente en ausencia de alimento entre estados activos e inactivos en microsegundos.
- Cuando está en un estado activo, la “molécula de alternancia” puede activar una “molécula mensajera” específica.
- Estas “moléculas mensajeras” activadas pueden difundirse en la célula e ir y unirse a un motor y cambiar la dirección de rotación de la hélice.
- Esto a su vez causa que la bacteria se revuelva. Las “moléculas mensajeras” activadas son eliminadas constantemente por otra “molécula de barrido”.
- Por lo tanto, en estado estable ( o estado inactivo ), cuando no se detecta comida, la “molécula de alternancia” alterna continuamente, enviando efectivamente “molécula mensajera” a los motores, lo que hace que la bacteria se revuelva.
- La acción opuesta de la “molécula de barrido” y la “molécula de mensajero” junto con la conmutación continua de la “molécula de alternancia” a su vez activando la “molécula mensajera” conduce a una frecuencia de tambaleo en estado estacionario.
- Este mecanismo simple de interacciones entre “molécula de alternancia”, “molécula de mensajero” y “molécula de barrido” implementa la decisión de búsqueda que es efectivamente una exploración al azar del entorno.
- “Ir a decisión de comida” ( cuando detecta un gradiente de molécula de comida):
- Cuando una molécula de alimento se une a un sensor en el cuerpo de una célula, la unión suprime el alternar de la “molécula de alternancia” entre estados activos e inactivos. Esto, a su vez, reduce la cantidad de “moléculas mensajeras” activas que pueden unirse al motor y, por lo tanto, los caídas en picado y las “corridas” dominan de manera efectiva permitiendo que las bacterias progresen hacia la comida. El tiempo de difusión promedio de una “molécula mensajera” para un motor es de 100 mseg, por lo que se puede observar que la frecuencia de caída cae en picado dentro de los 100 mseg de la detección de alimento.
- “Adapte la decisión” (después de presentar el entorno de los alimentos durante varios minutos) .
- Los sensores están conectados en el interior de la celda no solo a una “molécula de alternancia”, sino también a los interruptores de “activación auxiliar” que cuando se activan pueden restablecer la actividad del “interruptor de palanca” a pesar de la presencia de alimentos conectados a los sensores .
- Los “interruptores auxiliares” en los sensores pueden ser activados por una molécula “activadora de interruptor auxiliar” y apagados por una molécula “desactivadora de interruptor auxiliar”.
- Estas dos moléculas opuestas continúan activando y desactivando el “interruptor auxiliar” incluso cuando no hay comida presente ( es decir, durante la búsqueda aleatoria de alimentos ).
- Esta acción aparentemente derrochadora tiene una función importante. Permite que la célula se adapte como se explica a continuación.
- La molécula de alternancia no solo activa la “molécula mensajera” como se mencionó anteriormente, sino que también activa el “desactivador del interruptor auxiliar”.
- Por lo tanto, cuando se encuentran alimentos y se suprime el alternar de la molécula de alternancia, también se suprime la activación del “desactivador del interruptor auxiliar”. Esto permite que “el activador del interruptor auxiliar” domine y active los “interruptores auxiliares”, y esto a su vez restablece la actividad del interruptor de alternancia, que luego envía “moléculas mensajeras” al motor para provocar un vuelco.
- El ciclo de retroalimentación de la ruta de señalización del “interruptor auxiliar” es más lento que el de la ruta de la “molécula mensajera”: opera en la escala de minutos en lugar de en la escala de cientos de milisegundos. Entonces la adaptación entra en acción mucho más tarde.
Otros ejemplos de toma de decisiones en bacterias
- Ensamblaje del motor de partes (Figura 2)
- Cuando las condiciones no son favorables, como se mencionó anteriormente, las bacterias deciden desarrollar motores de 50 nm formados por 30 tipos de partes ( proteínas ) que pueden impulsar 30 veces su longitud corporal / seg ( 30 micras / seg )
- El motor se ensambla por etapas, como en una línea de ensamblaje, donde la parte hecha en cada etapa se difunde en la parte ya ensamblada.
- Este ensamblaje orquestado es posible gracias a una fabricación de Primero en entrar primero (FIFO) por un motivo de red como se muestra en la Figura 3 a continuación.
- Dos moléculas X e Y desempeñan un papel en este conjunto: el ensamblaje puede ocurrir en presencia de X o Y. X no solo influye en la producción de partes, sino que solo impulsa la producción de Y. Para empezar, a medida que X aumenta en concentración, comienza la fabricación de la parte 1 del motor; esta concentración de X es menor que la requerida para que comience la parte 2, y así sucesivamente. Entonces comienza la fabricación de la parte 1 y cuando X aumenta la fabricación de la parte 2 comienza, y así sucesivamente. Como la producción de Y depende de X, Y comienza a acumularse como X. Entonces, en esencia, la línea de ensamblaje de piezas se enciende una tras otra, como se muestra en la Figura 3.
- La fabricación de apagado en modo FIFO es posible gracias a las dependencias de la fabricación de piezas en la concentración Y. Una vez que X se apaga, los niveles de concentración de Y comienzan a disminuir. La fabricación de la parte 1 puede realizarse solo con Y (es una dependencia OR, solo X o necesita estar presente) pero requiere una mayor concentración de Y que la parte 2, y la parte 2 requiere más Y que la parte 3, y así sucesivamente . Dada esta dependencia, una vez que X se detiene e Y comienza a caer, la fabricación de la parte 1 se detiene, seguida por la parte 2. Esta forma de dependencia de las partes en las concentraciones de X e Y permite una tubería de fabricación FIFO.
- Cambio estocástico del destino de la célula
- Las bacterias también eligen su destino de forma estocástica sin tener en cuenta el medio ambiente o la historia. [3]
- Esta forma de control estocástico parece tener algunas ventajas. Por ejemplo, las poblaciones de bacterias tienen subpoblaciones que han entrado en un estado de no crecimiento incluso en presencia de alimentos. Con esta estrategia, parece como si la población en general estuviese cubriendo sus apuestas contra la posibilidad de una condición adversa como la aplicación de antibióticos, que solo pueden matar a las bacterias activas, no a las “no crecientes”.
En resumen, las bacterias tienen un amplio rango de mecanismos para realizar la toma de decisiones, y estos mecanismos y variaciones / mejoras se encuentran en las formas de vida multicelulares, incluidos los humanos.
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Figuras
Figura 1. El sistema de quimiotaxis en E. coli A , proteína de quinasa de histona CheA (“la molécula de alternancia”); W, proteína conectora CheW entre receptores y CheA; Y, el regulador de respuesta CheY (“la molécula mensajera”); Z (“la molécula de barrido”); B, el regulador de respuesta CheB (“el desactivador de interruptor auxiliar”); R, la metiltransferasa CheR (“el activador del interruptor auxiliar”); P, grupo fosforilo. El motor del flagelo se muestra a la derecha de la Figura.
Figura 2. El motor flagelar de E. coli y sus pasos de ensamblaje.
Figura 3 . Esquema del circuito de fabricación de piezas (proteínas) que implementa una línea de ensamblaje Primero en entrar primero en salir (FIFO). La transcripción de genes para cada parte Z1, Z2, Z3 requiere la presencia de cualquiera de las moléculas X o Y (puerta OR). Sin embargo, la dependencia de las concentaciones está en relaciones inversas. Específicamente, la dependencia de X es tal que la parte 1 necesita menos de X que la parte 2, que a su vez necesita menos de X que la parte 3 (S1 <S2 <S3). Sin embargo, la dependencia de Y es justamente lo contrario (E1> E2> E3). Como se explica en el texto principal, este orden inverso permite la implementación de un pipeline FIFO. Si la dependencia de la concentración en Y era la misma que en X, sería una pila (último en entrar, primero en salir). Entonces, este motivo de red puede implementar una pila o una cola si la dependencia de la concentración en X e Y se modificó. Además, la dependencia de X e Y no está en cantidades absolutas: hay demasiada variación en los niveles de producción de las moléculas para depender de niveles absolutos. Por ejemplo, si la producción de X varía en concentraciones absolutas, la relación de secuencia de activación no se altera, ya que solo está impulsada por la desigualdad como S1 <S2 <S3. Además, la activación y desactivación de la expresión de genes depende de la estructura molecular de la molécula de fijación y sustrato (constantes de disociación y asociación) que es en gran medida invariante. Por lo tanto, este proceso de ensamblaje es bastante robusto a los niveles absolutos de producción de X e Y, que de hecho es el caso en las celdas, los niveles de producción varían de una celda a otra. Este hecho básico es una metodología de diseño que también se ha conservado en formas de vida multicelulares: robustez del diseño hasta niveles absolutos de producción de moléculas. [1]
Referencias
- Una Introducción a la Biología de Sistemas: Principios de Diseño de Circuitos Biológicos Uri Alon, 2006
- Circuitos de adaptación y control en quimiotaxis bacteriana 2010.
- Estocasticidad y destino celular, 2008.
