Investigación innovadora: obtención de imágenes del crecimiento de la red de hongos micorrízicos en tiempo real. Un estudio de cinco años.

Resumen ejecutivo

Científicos de AMOLF, Vrije Universiteit y SPUN construyeron un robot para obtener imágenes del crecimiento de la red de hongos micorrízicos en tiempo real. Esto les permitió crear mapas precisos de las redes y rastrear los flujos de nutrientes que se encuentran en su interior. Tras cinco años de investigación, publicaron sus hallazgos iniciales en NATURALEZA. El documento trata sobre cómo estos hongos construyen y operan sus cadenas de suministro para el intercambio/comercio subterráneo de nutrientes.

Esta investigación trata de mapear el crecimiento de la red de hongos micorrízicos en tiempo real. Cómo crece la red y cómo la propia red regula los nutrientes, incluido el flujo de carbono en su interior.

Mapeo del crecimiento de la red de hongos micorrízicos en tiempo real

Poder vincular los flujos a la arquitectura es algo completamente nuevo. Además, nunca antes se había registrado y obtenido imágenes de la forma del mapa completo de la red.

El programa de investigación que estamos desarrollando sobre los hongos micorrízicos trata de entender cómo estos microbios tan inusuales se mueven e intercambian nutrientes con las plantas subterráneas. Están presentes en los suelos de todo el mundo y en todos los ambientes terrestres, por lo que es importante entender cómo funcionan como algo parecido al tejido conectivo de los ecosistemas. Hay pruebas convincentes de que estos hongos pueden cambiar la forma en que se mueven e intercambian nutrientes en función de sus plantas asociadas y del entorno de recursos. Sin embargo, sabemos muy poco sobre cómo hacen eso. Queremos averiguar cómo se las arreglan para controlar su comportamiento, a pesar de no tener cerebro, etcétera.

Comparados con algo parecido a una célula bacteriana, estos hongos son muy complejos. Y lo que los hace particularmente complejos es la topología de estas redes. En efecto, lo que estamos haciendo es hacer un mapa de una red urbana. Pensamos en la red fúngica como una red de carreteras, lo que nos permite hacer preguntas sobre la distribución y el transporte.

Finalmente, nos dimos cuenta de que las personas simplemente no han hecho lo más simple, que es permitirles crecer y ver lo que hacen. Y cuando nos dimos cuenta de que eso era lo que queríamos hacer, surgió un gran desafío: cultivarlos en el laboratorio.

En realidad, nadie ha logrado ver cómo estos hongos construyen sus redes a esta escala. La gente ha fotografiado las cadenas en diferentes momentos, pero nadie ha conseguido hacer una película. Este ha sido uno de esos momentos verdaderamente encantadores de la ciencia. A veces, cuando te sumerges en algo completamente nuevo, en realidad es más productivo no tener una hipótesis.

Mapeo del crecimiento de hongos con un robot

Lo que realmente hace el robot es arrastrarse por encima de todas las redes de micorrizas que crecen en las placas de Petri. El robot que utilizamos en el artículo de Nature puede lograrlo con cuarenta placas de Petri diferentes. Cuarenta redes diferentes al mismo tiempo. Y ahora funciona las veinticuatro o siete.

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El robot nos permitió etiquetar y monitorear medio millón de nodos nuevos y mapear la expansión de la red en tiempo real.

En el «mundo real», las redes de hongos micorrízicos viven en el suelo, que es un entorno particularmente difícil de observar. Esto explica por qué no se ha hecho mucho para obtener imágenes de manera sistemática. Así que realmente necesitábamos construir este robot para poder ver crecer esta red. Eso nos permitiría obtener imágenes, mapear y crear modelos para estudiar la red.
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Las imágenes robóticas de redes fúngicas nos brindan información sobre el tráfico

El robot que construimos se cierne sobre las placas de Petri y toma muchas imágenes ampliadas. Para construir mapas a partir de esas imágenes, creamos un canal de análisis de datos. Reúne todas esas imágenes y extrae la topología y la morfología de la red fúngica, que forman el mapa. Pero esa es solo la estructura. Si realmente quieres entender cómo funciona esta red (cómo mueve los nutrientes bajo tierra), necesitas poder ampliarla con mayor detalle. Básicamente, necesitábamos observar el interior de cada tubo de la red y estudiar lo que hemos llegado a denominar «información de tráfico».

La capacidad de obtener imágenes detalladas de lo que sucede dentro de estas redes junto con el mapa completo de la red es lo que realmente es nuevo aquí. Esto solo fue posible porque construimos este robot de procesamiento de imágenes; sin él, no podríamos recopilar los datos necesarios con la rapidez suficiente. Se puede pensar en lo que hace el robot como si fuera algo parecido a obtener imágenes de satélite: toma instantáneas con un aumento relativamente bajo mientras se mueve sobre el terreno cubierto de hongos. Para ver los flujos que hay en su interior, ampliamos la imagen cambiando a una ampliación mayor en puntos de interés específicos del mapa de la red. Esta parte se parece más a un helicóptero que sobrevuela las ciudades para recopilar información sobre el tráfico. De esta forma, el robot nos permite estudiar realmente cómo se relacionan los patrones de tráfico dinámicos con la estructura de la red en su conjunto.

Una de las cosas que más me entusiasmó al trabajar con los hongos micorrízicos es que cuando amplias la imagen y miras el interior de estas tuberías, ves que el fluido fluye en ambas direcciones, ¡al mismo tiempo! Y eso es muy contradictorio. Sin duda para un físico, pero creo que realmente para cualquiera (¿cuándo fue la última vez que viste un río fluir en dos direcciones a la vez?) Según lo que sabemos sobre los flujos de fluidos en vasos estrechos, las leyes habituales solo indican que la dirección del movimiento del fluido está determinada únicamente por la diferencia de presión a lo largo de la tubería. Por lo tanto, las cosas no fluyen en ambas direcciones al mismo tiempo, y por eso nos sorprendió mucho ver eso en estos hongos. Me cautivó de inmediato, porque se podía ver a simple vista que estos organismos habían inventado algo extraordinario, una extraña forma de física, para hacerlo posible. A veces, cuando ves algo, te das cuenta inmediatamente de que es especial. Definitivamente, este fue uno de esos casos.

Mapeo de flujos de carbono bidireccionales

Y tiene sentido que el fluido fluya en ambas direcciones. Basta con pensar en lo que deben hacer estos organismos. Obtienen todo su carbono de las plantas. Pero no lo obtienen de forma gratuita, sino que tienen que «pagarlo» con otros recursos de nutrientes (principalmente fósforo y nitrógeno) de los que se alimentan haciendo crecer sus redes desde la raíz hasta el suelo. Para impulsar ese crecimiento, tienen que alejar constantemente el carbono de la raíz. Al mismo tiempo, también necesitan recuperar los nutrientes del suelo recolectados para obtener más carbono. De ahí el tráfico en ambos sentidos. Las cosas deben moverse en ambos sentidos todo el tiempo.

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Otra cosa realmente fascinante que notamos es que los flujos a través de la red son extremadamente dinámicos. Una cosa es que el fluido fluya en ambas direcciones al mismo tiempo en la misma tubería. Lo que también notamos con bastante rapidez es que, si observas diferentes partes de la red en momentos diferentes, los comportamientos del flujo son muy diversos y también cambian con el tiempo. No solo fluyen en ambas direcciones al mismo tiempo, sino que también pueden cambiar repentinamente de dirección y empezar a fluir en sentido contrario.

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Hongos micorrízicos y cadenas de suministro en red

Un desafío comparable al de construir el robot ha sido automatizar el procesamiento de los datos, que el robot produce constantemente en masa. Necesitábamos desarrollar una canalización informática que extrajera la arquitectura de red sin intervención humana. Esto permitió a nuestro equipo estudiar los mapas resultantes para decidir a qué ubicaciones de red específicas hacer zoom.

En términos de comercio, la red en la que crecen los hongos micorrízicos fuera de la raíz de la planta es como una cadena de suministro. La pregunta que nos hacemos en este artículo es: ¿cómo construye el hongo esa cadena de suministro? Y una vez que está construida, ¿cómo la opera? El robot nos permitió obtener imágenes de la red completa de la cadena de suministro. Una cosa es poder ver solo una parte de una red, pero cuando tienes el mapa de toda la red, puedes empezar a hacerte diferentes tipos de preguntas.

A escala de toda la red, se sabe que estos hongos cambian sus comportamientos de intercambio de nutrientes en función de las plantas asociadas y las condiciones ambientales específicas. En cierto sentido, se podría decir que la red está tomando la decisión de hacer X o Y. Pero si nos fijamos en la forma en que los organismos toman decisiones, por lo general, solemos pensar en los que tienen cerebro. Esos organismos toman decisiones utilizando un sistema nervioso. El hongo no tiene eso a su disposición. Sabemos muy poco sobre los mecanismos para el procesamiento de la información y la toma de decisiones en un hongo.

El artículo de investigación fue producido por un equipo multidisciplinario compuesto por cuatro instituciones y veintiocho autores. Las principales clases de personas eran físicos, biólogos, ingenieros e informáticos. Los dos héroes que dirigieron el artículo son los primeros autores, Loreto Oyarte Gálvez, quien construyó el robot junto con un excelente equipo de ingenieros de AMOLF, y Corentin Bisot, quien desarrolló el proceso de computación y también gran parte de la teoría y el modelado. El proyecto comenzó como una colaboración entre mi propio grupo en AMOLF, el grupo de Toby Kier en la Universidad Libre y el grupo de Howard Stone en Princeton. Soy un físico que trabaja con seres vivos, un biofísico. Toby es biólogo evolutivo y ecólogo, y Howard Stone es un experto en mecánica de fluidos. El equipo también contó con la participación del científico informático Christophe Godin de la ENS Lyon (Francia), experto en morfogénesis de plantas.

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Principales hallazgos de la investigación

1. Lo primero que aprendimos es que la forma en que los hongos construyen estas redes parece enfatizar las ganancias a largo plazo por encima de los beneficios a corto plazo. Esto no es lo que suelen hacer la mayoría de los microbios; cuando encuentran un buen lugar, crecen todo lo que pueden hasta que se quedan sin recursos. Por el contrario, estos hongos, después de adherirse a la raíz de una planta, se esparcen como una ola con una densidad muy baja. Lo que parecen priorizar es la exploración de otras plantas. Quizás aquellas que podrían ofrecerles un mejor acuerdo comercial. Parecen estar buscando nuevas oportunidades para la extracción y el comercio de recursos, en lugar de un crecimiento inmediato. Así que los hongos están solucionando algún tipo de problema de búsqueda de alimento, pero uno peculiar. Es como si buscaran oportunidades comerciales, en lugar de buscar comida en sí.

2. El segundo hallazgo es que las redes básicamente siempre forman sistemas de tráfico bidireccional dentro de sus tubos. Mencioné que es algo que vimos cuando empezamos a estudiar las imágenes. Cada filamento de la red es un tubo. Y en casi todos los tubos en los que vimos movimiento, había flujos en ambas direcciones. Es muy interesante y, en cierto modo, tiene sentido. Si pensamos en el tráfico humano, las carreteras de doble sentido permiten un enrutamiento más eficiente que los sistemas de sentido único. Pero también son más susceptibles a la congestión. Sin embargo, en el caso del tráfico de hongos, los flujos consisten en fluidos, no en automóviles. En realidad, los fluidos no se congestionan como lo hace el tráfico de automóviles. Por lo tanto, los flujos de fluidos bidireccionales son realmente una solución ingeniosa para el tráfico eficiente de nutrientes a través de estas redes.

3. El tercer hallazgo es que la forma de la red de hongos está determinada por unas pocas reglas muy simples y elegantes. Cuando analizamos una cantidad suficiente de estas redes, empezamos a preguntarnos: ¿cómo se las arreglan los hongos para controlar la forma de sus redes? Resulta que las reglas que siguen solo requieren información local. Para tomar una decisión sobre qué hacer con la construcción aquí, solo necesita información sobre lo que sucede cerca, no sobre lo que sucede en toda la red. En otras palabras, el proceso no necesita realmente un sistema de control centralizado ni un cerebro para controlar la forma de la red. Un buen ejemplo es que si una punta creciente choca con otra punta creciente, otro extremo de la red, las dos simplemente se fusionan.

Conclusión

No esperábamos encontrar esta autorregulación extrema del crecimiento en favor de la exploración y el comercio. Y cuando la encontramos, no esperábamos poder identificar las reglas de ramificación y fusión que explican esa autorregulación. Tampoco era obvio desde el principio que realmente seríamos capaces de mapear toda la red en cada momento a medida que crecía. Fue un momento realmente emocionante, cuando nos dimos cuenta de que realmente iba a funcionar. Estos datos nos están haciendo darnos cuenta de lo diferentes que son estas redes de las colonias microbianas típicas, que por lo general intentan llenar el espacio disponible mediante el crecimiento. Los hongos antiparasitarios parecen crecer tan densamente como necesitan para conectar a sus socios comerciales con los sitios de extracción de recursos. Es un desafío comprender matemáticamente estas estructuras. Nos entusiasma haber podido desarrollar un modelo matemático realmente simple que describe el proceso por el que estas redes se generan de forma dinámica, siguiendo patrones de crecimiento similares a los de las olas. En un sentido muy real, la dinámica de esas olas también describe cómo el carbono derivado de las plantas se mueve a través de los ambientes del suelo.

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