🦠 Colonia Bacteriana y Quimiotaxis

El coeficiente de difusión D determina la rapidez con que las moléculas de nutrientes se propagan por el medio según la segunda ley de Fick: ∂C/∂t = D∇²C. Un D alto significa que los nutrientes se propagan rápida y uniformemente antes de que las bacterias puedan crear gradientes locales fuertes, reduciendo la fuerza motriz para la agregación quimiotáctica. Un D bajo significa que los nutrientes se consumen localmente antes de poder difundirse lejos, creando gradientes más pronunciados y una agrupación quimiotáctica más fuerte. En placas de agar reales, el coeficiente de difusión efectivo de la glucosa es aproximadamente 0,4–0,6 × 10⁻⁹ m²/s.

E. coli nada usando un haz de flagelos helicoidales que rotan en sentido antihorario (CCW), lo que impulsa la célula hacia adelante (una "carrera"). Cuando uno o más motores flagelares cambian brevemente a rotación en sentido horario (CW), el haz flagelar se dispersa, haciendo que la célula voltee y se reoriente aleatoriamente. Las carreras duran alrededor de 1 segundo, los volteos alrededor de 0,1 segundos, dando un camino libre medio de aproximadamente 20–30 μm. La quimiotaxis modula la frecuencia de volteo sin afectar la velocidad de carrera, creando una deriva estadísticamente sesgada de aproximadamente 10–20% de la velocidad de natación hacia los picos de atrayente.

Los antibióticos penetran mal las biopelículas porque la matriz extracelular retarda físicamente la difusión, ciertos componentes de la matriz (por ejemplo, el alginato en P. aeruginosa) se unen químicamente e inactivan algunos antibióticos, y la densa población crea microambientes ácidos/anaeróbicos locales que perjudican la eficacia antibiótica. Es importante destacar que una pequeña subpoblación de células "persistentes" entra en un estado latente no divisorio y sobrevive al tratamiento antibiótico; cuando los niveles del fármaco caen, las persistentes repueblan la biopelícula. Esta tolerancia — distinta de la resistencia genética — explica por qué las infecciones de biopelícula a menudo son imposibles de erradicar sin retirar el dispositivo infectado.

El sistema de ecuaciones diferenciales parciales de Keller–Segel (1970) describe la agregación quimiotáctica a nivel poblacional: ∂n/∂t = ∇·(D_n∇n − χn∇c) para la densidad celular n y ∂c/∂t = D_c∇²c − kn para el quimioatrayente c. La sensibilidad quimiotáctica χ compite con la difusión aleatoria D_n; cuando χ/D_n supera un umbral crítico, el sistema sufre una explosión en tiempo finito (singularidad de agregación), prediciendo la formación de agrupaciones quimiotácticas. Este modelo sustenta la comprensión de la formación de patrones embrionarios, la invasión de células cancerosas y la cicatrización de heridas además de los patrones de colonias bacterianas.

Las bacterias se coordinan mediante señalización química (percepción de quórum), contacto físico, señales eléctricas (se han observado ondas eléctricas mediadas por canales iónicos propagándose a través de biopelículas de B. subtilis a ~1 cm/min), y fuerzas mecánicas transmitidas a través de la matriz extracelular. Notablemente, algunas biopelículas exhiben oscilaciones metabólicas sincronizadas que se propagan como ondas viajeras, permitiendo que los nutrientes lleguen a las células interiores que de otro modo estarían hambrientas — una forma primitiva de asignación de recursos sin ningún controlador central.

La concentración inhibitoria mínima (CIM) es la concentración de antibiótico más baja que previene visiblemente el crecimiento bacteriano en cultivo. Depende del mecanismo de acción del antibiótico, la afinidad de la enzima objetivo (constante de unión K_i), la capacidad del fármaco para penetrar las membranas bacterianas, y la actividad de las bombas de eflujo. Los puntos de corte de CIM — las concentraciones por encima de las cuales un aislado se clasifica como "resistente" — se establecen mediante datos farmacocinéticos/farmacodinámicos (PK/PD) clínicos que correlacionan las concentraciones alcanzables del fármaco en el tejido con los resultados del tratamiento.

Los sorprendentes patrones de colonias de Paenibacillus dendritiformis y Bacillus subtilis resultan de la interacción entre la difusión de nutrientes y la quimiotaxis: las células en el borde de la colonia consumen nutrientes más rápido de lo que la difusión los repone, creando un agotamiento local de nutrientes que se detecta quimiotácticamente. En condiciones de agar limitadas en nutrientes, esta retroalimentación genera patrones fractales de agregación limitada por difusión (DLA) similares a copos de nieve o cobre electrodepositado. La dimensión de ramificación y la frecuencia de bifurcación de puntas dependen de la concentración de agar, el nivel de nutrientes y la temperatura de crecimiento.

La interrupción de la percepción de quórum — o "quórum quenching" — es un área activa de investigación antivirulencia. Los enfoques incluyen enzimas lactonasa naturales (encontradas en especies de Bacillus) que degradan las N-acil homoserina lactonas, furanonas halogenadas sintéticas que bloquean competitivamente los receptores de QS, y anticuerpos monoclonales contra los receptores de autoinductores. A diferencia de los antibióticos convencionales, el quórum quenching no mata a las bacterias, solo desactiva la virulencia — en teoría reduciendo la presión de selección para la resistencia. Varios ensayos clínicos están en curso para Pseudomonas aeruginosa en fibrosis quística e infecciones crónicas de heridas.