Movilidad bacteriana en suelos artificiales

Abstract

Esta tesis estudia teórica y experimentalmente la movilidad confinada de la bacteria de suelo Bradyrhizobium diazoefficiens dentro de dispositivos tipo Soil-On-a-Chip. Esta bacteria juega un rol importante como biofertilizante en el cultivo de la soja, debido a esto, es de gran interés biotecnológico averiguar qué cepas son más eficientes. Con este fin, se busca entender cuál es el rol de los distintos sistemas flagelares a la hora desplazarse a través de un medio poroso. Se midieron exhaustivamente, con el uso del Biotracker (Software libre, FaMAF - UNC), los parámetros de movilidad de dos cepas de B. diazoefficiens, una cepa salvaje (WT) que posee un sistema de flagelos laterales así como un flagelo subpolar y una cepa mutante (∆lafA), la cual solo posee el flagelo subpolar. Estos parámetros fueron utilizados para recrear numéricamente la dinámica bacteriana de cada cepa y poder estudiar las propiedades de transporte del sistema a tiempos más largos que lo posibilitado experimentalmente. Se estudió el desplazamiento cuadrático medio de las poblaciones y se calculó el coeficiente de difusión traslacional en un medio libre de obstáculos así como dentro de redes con canales de ancho w = 5, 10 y 20 µm, similares a las observadas experimentalmente. Se encontró que en todos los casos la cepa salvaje difunde de manera más eficiente, indicando que la existencia de ambos sistemas flagelares otorga una ventaja a la hora de explorar un medio poroso. Finalmente, se estudió la dinámica bacteriana bajo confinamiento del orden del tamaño celular (∼1 µm), aún no observado en el laboratorio. En este caso observamos una disminución abrupta del coeficiente de difusión cuando w < 2 µm, o sea, cuando el ancho de los canales es menor al doble del diámetro de las bacterias. Con estos múltiples avances, tanto en el diseño y fabricación de micro suelos artificiales, manipulación celular en laboratorios de física, análisis eficiente y automático de muchos datos, y modelado predictivo realista, se espera innovar y contribuir desde la física y con sus herramientas experimentales, numéricas y analíticas, a una agronomía sustentable y productiva.

This thesis studies theoretically and experimentally the confined mobility of the soil bacterium Bradyrhizobium diazoefficiens inside Soil-On-a-Chip devices. This bacterium plays an important role as a biofertilizer in soybean cultivation, therefore, it is of great biotechnological interest to find out which strains are more efficient. Due to this, the aim is to understand the role of the different flagellar systems when moving through a porous medium. The motility parameters of two strains of B. diazoefficiens, a Wild-Type strain (WT) that possesses a lateral flagellar system as well as a subpolar flagellum and a mutant strain (∆lafA), which possesses only the subpolar flagellum, were extensively measured with the use of the Biotracker (Free Software, FaMAF - UNC). These parameters were used to numerically recreate the bacterial dynamics of each strain and study the transport properties of the system at longer times than experimentally feasible. The root mean square displacement of the population was studied and the translational diffusion coefficient was calculated in an obstacle-free medium as well as within networks with channels of width w = 5, 10 and 20 µm, similar to those observed experimentally. It was found that in all cases the Wild-Type strain diffuses more efficiently, indicating that the existence of both flagellar systems gives an advantage when exploring a porous medium. Finally, we studied the bacterial dynamics under confinement of the order of cell size (∼ 1 µm), not yet observed in the laboratory. In this case we observed an abrupt decrease of the diffusion coefficient when w < 2 µm, that is, when the width of the channels is less than twice the diameter of the bacteria. With these multiple advances, both in the design and fabrication of artificial micro soils, cell manipulation in physics laboratories, efficient and automatic analysis of many data, and realistic predictive modeling, we hope to innovate and contribute from physics and with its experimental, numerical and analytical tools, to a sustainable and productive agronomy.