Arquitectura y morfogénesis de biopelículas

Arquitectura y morfogénesis de biopelículas

Tema de investigación

En el sistema de modelo de biopelículas bacterianas se plantea la pregunta central de cómo los genes crean espacio en interacción con las condiciones ambientales, es decir, cómo controlan la arquitectura y morfogénesis supracelular de estas sociedades microbiológicas que se comportan como tejido. En este proceso, los «materiales de construcción» biológicos (fibras amiloides extracelulares y celulosa), cuya producción celular se controla genéticamente según la posición de las células en la biopelícula, generan una estructura supracelular compleja y determinan parámetros físicos como la cohesión y la elasticidad que permiten un despliegue tridimensional de la biopelícula visible para el ojo humano en patrones muy variados. Este tipo de desplazamientos espaciales provocan la alteración de las condiciones del entorno de gran parte de la biopelícula, lo que a su vez, vuelve a afectar de forma retroactiva a la expresión genética por todo el genoma y provoca, de esta manera, procesos morfogenéticos secundarios.

Durante los trabajos de investigación, se trata el ámbito completo, desde las moléculas hasta la morfología visible. Mientras la investigación microbiológica se centra desde hace tiempo en los procesos de células bacterianas individuales, aquí se usan por primera vez comunidades bacterianas enteras que constan de miles de millones de células como sistema modelo idóneo para el estudio de procesos macroscópicos morfogenéticos básicos. Al margen de la explicación de las vías de transducción de señal y redes de regulación subyacentes, en este proceso también surgen preguntas relativas al tratamiento de imágenes complejas de forma morfológica (tanto a nivel microscópico como macroscópico visible) como fenotipo de investigaciones genéticas moleculares. Además, se investiga el papel de las uniones bacterianas multicelulares en la historia de la microbiología, después de una primera descripción muy extensa, aunque sin imágenes, por parte de Ferdinand Cohn en el año 1877. 

Objetivo

El proyecto sigue la estrategia de crear una unión integradora de enfoques experimentales, histórico-analíticos y de Gestaltung. Uno de los objetivos primarios es la explicación de los procesos moleculares de regulación subyacentes a la estructura de la arquitectura supracelular y la morfogénesis de biopelículas bacterianas. En este proceso, se pretende unir los principios de la biología molecular con los enfoques de la investigación morfológica y las ciencias de la imagen. La idea es cuestionar de forma crítica la producción y el análisis de imágenes que representan datos primarios o modelos sinópticos o que pueden contar también con funciones comunicativas entre ciencias. 

Ejecución

1. Proyecto experimental de investigación relativo a la base genética de la forma compleja visible en la arquitectura y morfogénesis de biopelículas bacterianas: 

Como sistemas modelo sirven biopelículas de macrocolonias de Escherichia coli, una bacteria que aparece en el intestino humano y que presenta variantes tanto inofensivas, como patógenas. Se investiga especialmente el papel de la molécula de transmisión de señales c-di-GMP durante el desarrollo de la arquitectura supracelular y la morfogénesis de la biopelícula (véase también http://www.biologie.hu-berlin.de/de/gruppenseiten/mikrobiologie/hengge/r...). 

2. Imágenes morfológicas complejas como datos primarios y fenotipo en investigaciones genéticas: 

Este tipo de imágenes de biopelículas bacterianas no se pueden reducir a números o fórmulas, es decir, «objetivizarse», tal y como suele ocurrir en las biociencias moleculares cuantitativas. No obstante, las investigaciones actuales indican que se pueden deconstruir a elementos básicos identificables y nombrables, cuya presencia en determinados patrones espaciales y relaciones de cantidades permiten sacar conclusiones sobre componentes y procesos celulares y moleculares subyacentes en distintas zonas de las biopelículas; por ello, se pretende que este análisis visual se convierta en la base fenotípica de una genética molecular potente de forma morfológica.

3. Proyecto histórico-analítico relativo a la morfología de comunidades microbianas:

Partiendo de la descripción del aislamiento de la bacteria Bacillus subtilis de Ferdinand Cohn en el año 1877 (en la que de hecho aportó la primera descripción de una biopelícula), se renovará la historia de la recepción del fenómeno descrito por Cohn. En este proceso, también se investiga la pregunta de si las bases teóricas de la investigación morfológica, que hasta los años 30/40 del siglo XX había sido una de las ciencias de referencia de la biología pero luego ha perdido esa posición en favor de la biología molecular, pueden ser útiles para la investigación actual de las causas moleculares de la morfogénesis macroscópica de las biopelículas.

4. Comunicación científica en la interfaz de ciencia y arte:

Se han planificado proyectos de libros y exposiciones para acercar al público general al mundo de las bacterias y de nuestro microbioma, así como un proyecto «Artist-in-Residence» en el laboratorio Hengge. Además, se continuará con el proyecto Science&Theatre lanzado con mucho éxito en 2010 en colaboración con el English Theatre Berlin | International Performing Arts Center (http://www.biologie.hu-berlin.de/de/gruppenseiten/mikrobiologie/hengge/s...). 

Documentación de resultados

La intención es documentar científicamente los trabajos del proyecto a través de publicaciones especializadas (interdisciplinarias) y los proyectos de comunicación científica descritos anteriormente.