Las bacterias cuentan con un rasgo que puede ser perjudicial para la salud humana: su capacidad para 'nadar'. Una de las infecciones más comunes en el entorno sanitario proviene de bacterias que ingresan al cuerpo a través de catéteres. Aunque están diseñados para extraer líquidos de un paciente, las bacterias pueden impulsarse hacia el interior del cuerpo.
Un proyecto de Caltech (Instituto de Tecnología de California), presenta un nuevo tipo de catéter que impide la movilidad ascendente de las bacterias, todo ello, sin necesidad de antibióticos u otros métodos antimicrobianos químicos. Con el nuevo diseño, optimizado mediante una novedosa tecnología de inteligencia artificial (IA), se redujo 100 veces el número de bacterias que pueden nadar contra la corriente en experimentos de laboratorio.
"Las investigaciones de Chiara juegan a menudo con todo tipo de geometrías interesantes y ella propuso abordar este problema con geometrías simples"
El estudio, publicado en Science Advances, cuenta con la participación de Chiara Daraio, física Aplicada e investigadora del Heritage Medical Research Institute; Paul Sternberg, profesor Bren de Biología; John Brady, profesor Chevron de Ingeniería Química e Ingeniería Mecánica; y Anima Anandkumar, profesora Bren de Ciencias de la Computación y Matemáticas.
Los investigadores indican que, en los tubos de catéter, el fluido produce el conocido como flujo Poiseuille, un efecto en el que el movimiento del fluido es más rápido en el centro pero lento cerca de la pared, algo similar al flujo en la corriente de un río. Por ello, las bacterias, como organismos autopropulsados, exhiben un movimiento único de "dos pasos hacia adelante a lo largo de la pared, un paso hacia atrás en el medio", explican.
"Un día, compartí este fenómeno intrigante con Chiara Daraio, calificándolo simplemente como 'algo interesante', y su respuesta fue directamente una aplicación práctica. Las investigaciones de Chiara juegan a menudo con todo tipo de geometrías interesantes y ella propuso abordar este problema con geometrías simples", indicó Tingtao Edmond Zhou, becario postdoctoral en ingeniería química y co-primer autor del estudio.
Olivia Xuan Wan, investigadora postdoctoral en el laboratorio Sternberg, destaca que lleva toda su trayectoria estudiando la navegación de los nematodos y este proyecto captó su atención. Precisamente el laboratorio Sternberg ha realizado investigaciones durante años sobre los mecanismos de navegación del nematodo Caenorhabditis elegans, un organismo del tamaño de un grano de arroz comúnmente estudiado en los laboratorios de investigación.
"Es una demostración convincente de cómo los conceptos teóricos pueden cobrar vida, ofreciendo soluciones tangibles a los desafíos del mundo real"
Tras las primeras pruebas en modelos 3D, el equipo continuó con las simulaciones para determinar la forma de obstáculo triangular más efectiva para impedir que las bacterias naden contra la corriente. Posteriormente, fabricaron canales de microfluidos análogos a los tubos de catéter comunes con diseños triangulares optimizados para observar el movimiento de la bacteria E. coli en diversas condiciones de flujo.
"Nuestro viaje de la teoría a la simulación, el experimento y, finalmente, la monitorización en tiempo real dentro de estos paisajes de microfluidos es una demostración convincente de cómo los conceptos teóricos pueden cobrar vida, ofreciendo soluciones tangibles a los desafíos del mundo real", concluye Zhou.