El Cedazo

La semana pasada inicié la serie “Curiosidades Bioquímicas” con un artículo sobre el “ADN basura”. Continuamos hoy la serie hablando de cómo se desplazan las bacterias en un fluido.

En el mundo “real” o macroscópico los peces y el resto de animales acuáticos como los pinguinos, ballenas, delfines… nadan impulsándose con aletas.

Helicobacter pylori y sus flagelos (Dominio público).

La pregunta es ¿por qué en el mundo microscópico no hay aletas? Es decir ¿por qué las bacterias se mueven gracias a la acción de estructuras propias como los cilios y los flagelos y no gracias a la acción de aletas, como los peces?

La respuesta se encuentra en la Física, en la Mecánica de Fluidos. Un fluido puede tener un flujo laminar o turbulento, en función de variables como la velocidad y el tamaño del objeto que se mueve; y la viscosidad y la densidad del fluido. Existe un número adimensional, el número de Reynolds, que sirve para valorar si un fluido se encuentra en régimen laminar o turbulento. Si este número es menor que uno, el flujo es laminar; mientras que si es mayor que uno es turbulento.

Ahora bien ¿qué es lo que caracteriza a cada tipo de flujo?

El flujo turbulento es el más común a las escalas macroscópicas, y se caracteriza por ser irreversible. Por ejemplo, si grabamos un vídeo de un chorro de agua a presión que sale de una tubería sumergida en una piscina y luego lo “rebobinamos” viendo las imágenes, éstas no tienen ningún sentido físico porque disminuye el desorden, lo que “viola” el segundo principio de la termodinámica (en un sistema aislado la entropía nunca disminuye de forma espontánea). Si dibujamos las líneas de flujo (las líneas que representan las trayectorias que siguen las distintas moléculas o grupos de moléculas), vemos que éstas se entremezclan de forma completamente caótica.

Sin embargo, en un flujo laminar ocurre exactamente lo contrario: es un flujo ordenado y reversible. Sus líneas de flujo están perfectamente ordenadas, y no se entremezclan, están estratificadas en función de la velocidad (la velocidad de una partícula en un fluido que circula a través de un tubo varía en función de su posición en el tubo).

Un flujo laminar sería, por ejemplo, un vaso con un fluido muy viscoso (glicerina, por ejemplo) en el que movemos una varilla. En este fluido ocurre un fenómeno muy curioso: si añadimos una gota de colorante a la punta de la varilla y movemos ésta dibujando un círculo, dispersamos la mancha. Si a continuación realizamos el movimiento contrario ¡la mancha desaparece y vemos de nuevo la gota inicial! Esto a primera vista parece violar el segundo principio de la termodinámica, pero se puede justificar: la difusión de una partícula en un fluido es más lenta cuanto más viscoso es el fluido; y, aparte, ¡el movimiento en un flujo laminar es reversible! Este fenómeno puede verse en el siguiente vídeo: ^[1]

El flujo laminar es el flujo típico a pequeñas escalas: para las bacterias todos los fluidos son viscosos^[2]. Por ello, las bacterias siempre se encuentran inmersas en un líquido en régimen laminar. Esta es la razón de que las bacterias no tengan aletas: el vivir en el interior de un fluido laminar.

Vamos a imaginar que una bacteria tuviera aleta. Si intentan mover una aleta hacia adelante y luego hacia atrás, no avanzaría, porque el movimiento en un fluido laminar es REVERSIBLE. Es decir, al retirar la aleta retrocedería y volvería a su posición inicial, porque hacemos un movimiento cíclico.

Para poder moverse han tenido que desarrollar estructuras nuevas: los cilios y los flagelos. Los cilios son una especie de “pelos” que recubren la célula y se mueven de forma no cíclica para evitar el problema de las aletas. Se mueven dando un “latigazo”, y luego vuelven a la posición inicial pegados al cuerpo de la bacteria, consiguiendo así una menor “fricción” en el segundo recorrido, lo que hace que retrocedan menos de lo que avanzan.

Los flagelos son una auténtica maravilla de la biología y de la evolución, merecen un artículo aparte. Están formados por un tubo hueco, largo y rígido de forma helicoidal, que impulsa la bacteria gracias al giro de un motor molecular ¡de sólo 45 nanómetros de diámetro! Me parece increíble que un “motor” tan pequeño pueda mover un tubo de más de 2 micrómetros de largo. El flagelo permite a la bacteria moverse porque “empuja” agua hacia atrás, al igual que lo hace un Tornillo de Arquímedes, empleado por los antiguos para subir agua desde los ríos hasta las casas. ¡Espero que Arquímedes no copiara el diseño de una bacteria y resulte que inventó el microscopio 2.000 años antes que Leuwenhoek!

Imagen artística del movimiento de los flagelos de E. coli (Dominio público)

El experimento de Silverman y Simon que demostró que los flagelos tienen un movimiento rotatorio fue uno de los diseños experimentales más ingeniosos de este siglo. Como no se puede ver el giro del flagelo por su pequeño tamaño, crearon una bacteria recombinante en la que alteraron los genes de la proteína del flagelo de tal forma que crearon un flagelo más corto acabado en un garfio. Engancharon el garfio a una estructura y ¡vieron como la bacteria giraba sobre sí misma! Simplemente, alucinante.

Una última perla: los flagelos permiten a las bacterias moverse a 60 micras por segundo. Parece poquito (0,216 mm/h), pero si las bacterias tuviesen 1 metro de longitud en vez de una micra, se moverían a 60 m/s, o sea… ¡216 km/h! Es increíble que, teniendo más resistencia que nadie por el flujo laminar, sean uno de los organismos más rápidos.

La de asombrosos secretos físicos que puede encerrar una “humilde” bacteria…

1. Mi agradecimiento a Artic Labs por su excelente aporte [↩]
2. Nota del editor: Este curioso fenómeno ya apareció en El Tamiz hace algún tiempo al hablar de diodos nadadores [↩]

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