Estudio mediante simulación de propiedades emergentes en colonias celulares

Fecha: 17 de marzo de 2023.
Hora: 12:00 a 13:00.
Lugar: Aula A12 de la Facultad de Ciencias.
Ponente: Prof. Alejandro Cuetos Menendez (Universidad Pablo Olavide, Departamento de Sistemas Físicos, Químicos y Naturales).

Organiza: Grupo de Física de Fluidos y Biocoloides del Departamento de Física Aplicada de la UGR.

Resumen: Las colonias celulares (biofilms en el caso de procariotas, pero también órganos o tumores en el caso de eucariotas) son agregados de células que presentan muchas similitudes con fluidos coloidales. Como diferencia fundamental, las colonias celulares son sistemas activos que de forma intrínseca suelen encontrarse fuera del equilibrio. Así, es habitual que las células tengan mecanismos propios (flagelos, cilios, etc ...) que provocan un movimiento autónomo por parte de las células. En otros casos, el carácter de sistema activo y la situación de fuera del equilibrio surge del propio proceso de alargamiento y reproducción celular, que en bacterias suele venir dado por el mecanismo conocido como fisión binaria.

Centrándonos en la situación en que las células no tienen capacidad de movimiento autónomo, pero crecen y se dividen por fisión binaria, las colonias celulares son agregados compactos, pudiendo ser en función del número de células bi o tridimensionales. En función de las características de las células y de las condiciones ambientales pueden presentar distintos niveles de orden parcial, asemejándose a tactoides nemáticos, y una variedad de propiedades mecánicas y estructurales.

En los últimos años se han comenzado a utilizar para el estudio de estas comunidades celulares técnicas de simulación ampliamente utilizadas en la ciencia coloidal. Presentamos en este trabajo algunos ejemplos del uso de estas técnicas, explorando las propiedades físicas que se pueden deducir de estos estudios, presentando resultados experimentales que al menos cualitativamente confirman los resultados obtenidos por simulación. De esta forma, en primer lugar se presentará el modelo que se ha desarrollado para la realización de estos estudios. Nuestro modelo se basa en la descripción de grano grueso de propiedades de las células individuales, como son forma, tamaño, velocidad de crecimiento y coeficiente de difusión, obteniendo con él propiedades emergentes colectivas de toda la colonia. Con este modelo se ha explorado como condiciona la competición entre difusión pasiva de las células y el proceso de elongación/división a las propiedades estructurales globales de la colonia celular.

Presentaremos resultados obtenidos con este modelo. Por ejemplo, se mostrará el efecto que tiene sobre la agregación de la colonia el crecimiento en un entorno rico en polímeros, discutiendo si las propiedades de la colonia celular pueden venir condicionadas bien por un aumento efectivo de la viscosidad del medio, o bien por la actuación de fuerzas de depleción. Se discutirá también el efecto del consumo y agotamiento de nutrientes por las bacterias, mostrando como esto afecta a la estructuración de colonias tridimensionales.

Finalmente, mostraré resultados sobre las propiedades micromecánicas de las colonias celulares. Aquí mostraremos como el crecimiento de la colonia provoca un aumento continuo de las tensiones mecánicas en el interior de la colonia, sugiriendo la existencia de mecanismos biológicos para limitar este aumento de las tensiones internas.