Científicos del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Tecnológicas (Conicet) de Argentina y de la Universidad de Chile diseñaron micro laboratorios en chips del tamaño de la yema de un dedo que permiten entender mejor el funcionamiento de los microorganismos que posibilitan que algunas plantas fijen el nitrógeno del ambiente y lo conviertan en su nutriente. Este conocimiento podría servir para optimizar el desarrollo y la inoculación de biofertilizantes.
Un equipo multidisciplinario de científicos del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Tecnológicas (Conicet) de Argentina y de la Universidad de Chile desarrollaron micro dispositivos transparentes que recrean de forma artificial, con una precisión sin precedentes, las condiciones de suelos agrícolas reales.
El objetivo central es observar y estudiar la actividad de bacterias que, a través de su asociación con las raíces de las plantas, promueven el crecimiento vegetal.
Estos micro laboratorios de composición plástica, diseñados para permitir el paso del oxígeno, bautizados como “suelos en un chip” (SOCs, por sus siglas en inglés), poseen el tamaño de la yema de un dedo y están constituidos por granos y poros que imitan los suelos arenosos o limosos que predominan en la agricultura argentina.
En estos chips, los granos, al igual que sucede en los suelos reales, se encuentran rodeados de canales ultra delgados repletos de líquido con nutrientes, en los que se pueden introducir distintos tipos de microrganismos. En un estudio publicado recientemente en la revista Communications Biology (del grupo Nature) el uso de los SOCs permitió conocer nueva información acerca de la movilidad de un grupo de bacterias del suelo que se usan para el desarrollo de biofertilizantes.
Participaron del estudio el grupo de la investigadora del Conicet Verónica I. Marconi del Instituto de Física Enrique Gaviola (IFEG, Conicet-UNC), responsable de diseñar y modelar in silico los micro laboratorios y las bacterias que se mueven dentro de ellos; el laboratorio de Microfluídica que dirige María Luisa Cordero en la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile, que aportó su experticia para fabricar los SOCs; y el laboratorio del investigador del Conicet Aníbal Lodeiro en el Instituto de Biotecnología y Biología Molecular (IBBM, Conicet-UNLP), donde desde hace muchos años se estudian grupos de microorganismos del suelo benéficos para las plantas.
Los SOCs y los sistemas flagelares de las bacterias del suelo
“En un gramo de suelo viven alrededor de 10 mil millones de microorganismos. Los SOCs ofrecen a investigadores de diferentes disciplinas la posibilidad de observar, a través de un microscopio, cómo viven y se reproducen estos organismos en condiciones muy simplificadas, pero similares a las reales en lo que respecta a su confinamiento micrométrico. Entre sus potenciales aplicaciones, nos han permitido estudiar cómo se desplazan a través de los microcanales y poros un grupo de bacterias del suelo benéficas para el crecimiento de las leguminosas (como la soja y el maní), denominadas B diazoefficiens”, explica Marconi, quien también es profesora de la Facultad de Matemática, Astronomía y Física de la Universidad Nacional de Córdoba (Famaf, UNC).
A largo plazo, esto puede ayudar a mejorar biofertilizantes y saber cuál es el mejor modo de inocularlos en los cultivos de siembra, si, por ejemplo, en los surcos o junto con las semillas. Aunque aún falta mucho, creemos que este puede ser un buen punto de partida”.
VERÓNICA I. MARCONI, investigadora del Conicet de Argentina.
B.diazoefficiens es un rizobio, es decir un tipo de bacteria del suelo capaz de establecer un vínculo simbiótico con las leguminosas, que les permite a las plantas fijar el nitrógeno presente en la atmósfera. Estos microorganismos tienen la capacidad de transformar el nitrógeno atmosférico, que los vegetales no pueden tomar directamente del ambiente, en una forma de nitrógeno (amoníaco) que las plantas pueden absorber. Para realizar esta tarea, los rizobios infectan las raíces de las leguminosas y forman nódulos, dentro de los cuales viven. Este vínculo resulta benéfico también para los microorganismos, puesto que las leguminosas le proporcionan los azúcares que utilizan como fuente de energía y les permite reproducirse más rápidamente.
Este proceso natural puede ser estimulado artificialmente a partir del desarrollo de biofertilizantes que contengan estas bacterias del suelo, ya sea genéticamente modificadas o no. Pero para que los biofertilizantes sean tan eficientes como los fertilizantes químicos es necesario conocer mejor cómo actúan estos microorganismos que se asocian con las raíces de las leguminosas. “Entre otros aspectos, es importante estudiar la capacidad de ‘nado’ de cada tipo de bacteria, para saber cuáles pueden llegar más rápido o más eficientemente a la raíz y nodular mejor”, asegura Marconi.
Para poder desplazarse a través de entornos líquidos, como el de los suelos, las bacterias poseen filamentos conocidos como sistemas flagelares. B. diazoefficiens se caracteriza por poseer dos tipos de sistemas flagelares: el subpolar, que se encuentra en la parte trasera, y es grueso; y los laterales, que pueden salir de cualquier parte del cuerpo, son varios y más delicados. Una de las preguntas que se hacen los especialistas que estudian este grupo de microrganismos del suelo es por qué evolucionaron con dos sistemas flagelares tan distintos, que, además, la mayoría de las bacterias no poseen.
Marconi relata que el laboratorio que dirige Lodeiro ha realizado grandes avances en el estudio de este grupo de bacterias, intentando entender para qué desarrollan estos sistemas flagelares y cuál es la función de cada uno. Sin embargo, hasta hace una década, aun no contaban con tantos conocimientos específicos sobre el nado de estas bacterias ni tampoco las habían visto desplazarse. A partír de coloborar interdisciplinariamente con grupos de física de Córdoba y Chile pudieron, primero, a través de un modelo computacional, conocer las estrategias de nado de B. diazoefficiens. Y más recientemente, a partir de la confección de los SOCs, lograron observar de forma directa, microscopio mediante, el movimiento de bacterias reales entre canales y poros que imitan de manera muy simple un suelo altamente complejo e intrincado.
“Observar de manera directa estas bacterias del suelo implica poder contribuir a un mejor conocimiento de la funcionalidad de sus sistemas flagelares; porque nosotros estudiamos también versiones genéticamente modificadas de las mismas. Es decir, analizamos bacterias con un flagelo o con varios para poder saber cuál tiene mejor movilidad, y cuales son más eficientes para nodular de acuerdo con el tipo de porosidad de los suelos», señala Marconi.
Un punto de partida
Entre las conclusiones obtenidas en el estudio, se destaca que se pudo corroborar que, cuando los canales y poros son muy pequeños (del orden del tamaño del propio microorganismo), los dos sistemas flagelares que posee la cepa salvaje de B. diazoefficiens no son útiles para desplazarse mejor que con un solo sistema flagelar subpolar.
“Quiero resaltar que este aporte es solo un punto de partida. Creemos que los SOCs son muy prometedores para el estudio de todo tipo de microorganismos de suelo, benéficos o no. En este sentido, apostamos a que puedan ser de mucha utilidad tanto para el avance de ciencias básicas, como la biología o la física de suelos, como para el futuro desarrollo de aplicaciones agroindustriales, biotecnológicas, ambientales o de bioremediación”, concluye la investigadora.
Además de Marconi, y los ya mencionados Cordero y Lodeiro, participaron del estudio Moniellen Pires Monteiro y Juan Pablo Carrillo-Mora, de la Universidad de Chile; y Nahuel Gutiérrez y Sofía Montagna de la Famaf de la UNC.
En enero de este año, el mismo equipo de investigación ya había publicado un trabajo en la revista Physics of Fluids, destacado por el editor, en el que estudiaron los tiempos de recuperación de los sistemas flagelares de B. Diazoefficiens tras el sufrimiento de rupturas. En las conclusiones se destaca que el tiempo de recuperación de los flagelos más finos y laterales es de alrededor de cuarenta minutos, mientras los flagelos subpolares, mucho más gruesos, demoran entre cuatro y cinco horas.
Fuente: Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Tecnológicas (Conicet)
