Por qué los microbios secretan moléculas para modificar su entorno: el caso de los sideróforos quelantes de hierro

Muchos microorganismos secretan moléculas que interactúan con recursos fuera de la célula. Esto incluye, por ejemplo, enzimas que degradan polímeros como la quitina y quelantes que se unen a metales traza como el hierro. A diferencia de la captación directa a través de la superficie celular, tales estrategias de liberación conllevan el riesgo de perder las moléculas secretadas hacia sumideros ambientales, incluidos los genotipos 'tramposos'. Sin embargo, dichas estrategias de secreción son comunes, incluso en el ambiente marino bien mezclado. Aquí, investigamos los beneficios de una estrategia de liberación cuya eficiencia ha sido cuestionada con frecuencia: la captación de hierro en el océano mediante la secreción de quelantes de hierro llamados sideróforos. Planteamos la pregunta de si la liberación en sí misma es esencial para la función de los sideróforos, lo que podría explicar por qué esta arriesgada estrategia de liberación es tan común. Desarrollamos un modelo de reacción-difusión para determinar el impacto de la liberación de sideróforos en la captación de hierro de las principales fuentes de hierro en ambientes marinos, hierro coloidal o particulado, formado debido a la mala solubilidad del hierro. Encontramos que la liberación de sideróforos es esencial para acelerar la captación de hierro, ya que los sideróforos secretados transforman partículas grandes de hierro que difunden lentamente en complejos de hierro-sideróforo pequeños y de difusión rápida. Además, encontramos que las células pueden compartir sinérgicamente sus sideróforos, dependiendo de su distancia y el tamaño de las fuentes de hierro. Nuestro estudio ayuda a entender por qué la liberación de sideróforos es tan común: aunque se pierde una gran fracción de sideróforos, la solubilización de hierro a través de sideróforos secretados puede aumentar eficientemente la captación de hierro, especialmente si los sideróforos son producidos cooperativamente por varias células. En general, la captación de recursos mediada a través de la liberación de moléculas que transforman su sustrato podría ser esencial para superar la limitación de difusión, específicamente en los casos de recursos grandes y agregados. Además, encontramos que incluir la reacción de la molécula liberada con el sustrato puede impactar el resultado de interacciones cooperativas y competitivas, haciendo que nuestro modelo también sea relevante para la captación basada en liberación de otros sustratos.