La fuerza motriz de protones lleva impulsando el flagelo bacteriano desde hace mil millones de años, y hasta ahora no sabíamos cómo.
Publicado por Santiago Campillo Brocal
Biólogo. Máster en Biología Molecular y Biotecnología, Director de Muy Interesante Digital
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A esa escala, el agua es alquitrán. Dos micras de largo, rodeada de un fluido que, proporcionalmente, equivale a nadar en melaza. Necesitas moverte: hay nutrientes ahí fuera, y quedarte quieta significa morir. En algún momento, hace más de mil millones de años, la bacteria que llevaría el peso de toda la vida en la Tierra encontró la solución. Y no solo era perfecta: resulta que también te mueve a ti.
A varios cientos de revoluciones por segundo, más rápido que el volante de inercia de un motor de Fórmula 1, el flagelo bacteriano empuja la célula a diez veces su propio tamaño en un segundo. Lo descubrió Howard Berg, físico de Harvard, en los años 70. Y hasta hace muy poco, no sabíamos cómo funcionaba. Ahora sí.
Berg llegó a las bacterias con formación de físico y un problema concreto: los microbios se salían del campo del microscopio antes de que pudiera observar nada. Su solución fue construir un microscopio de rastreo automático que seguía a la bacteria allá donde fuera, registrando cada corrección de posición como si fuera un mapa de su trayectoria.
Lo que vio lo cambió todo. Las bacterias no nadan de forma continua: avanzan en línea recta, giran caóticamente sobre sí mismas y vuelven a avanzar en una dirección distinta. El movimiento recto ocurre cuando los flagelos giran en sentido antihorario y se enredan en un haz que actúa como hélice. Cuando uno invierte el sentido, el haz se deshace y la bacteria tumba. Así navega. Así ha navegado durante mil millones de años.
Berg lo intuyó antes de poder verlo. Pegó dos células por sus flagelos y comprobó que giraban en sentidos opuestos: rotación confirmada. Y eso, en los años 70, era una idea que nadie en biología tomaba en serio. Lo que vino después tardó cincuenta años en completarse.
"La idea de un motor molecular era descabellada. Nadie pensaba que algo pudiera rotar. Ondularse, sí. Pero rotar requiere una geometría que la gente no creía accesible para la biología".
Aravinthan Samuel, Universidad de Harvard
La clave estaba en poder verlo. Y eso no fue posible hasta que la criomicroscopía electrónica (cryo-EM) alcanzó resolución suficiente para distinguir la arquitectura molecular de sus piezas.
En la base del motor hay un anillo de 34 proteínas idénticas, el anillo C, que flota en el citoplasma justo debajo de la membrana celular. Cuando el anillo C gira, el flagelo gira con él. Eso se sabía desde los años 80. Lo que no estaba claro era qué lo ponía en movimiento.
La respuesta llegó en 2020, en dos estudios simultáneos de cryo-EM. El equipo de Susan Lea, entonces en la Universidad de Oxford, y el grupo liderado por Nicholas Taylor, de la Universidad de Copenhague, junto a Marc Erhardt, de la Universidad Humboldt de Berlín, publicaron la estructura de los estatores, los complejos proteicos que rodean al anillo C por fuera. La geometría del estátor resultó ser pentagonal: cinco proteínas MotA rodean a dos MotB centrales, formando una rueda que encaja con el anillo C como un engranaje en otro engranaje. La proporción 5:2 señalaba directamente al mecanismo: el estátor no es un soporte pasivo. Rota. Pero, ¿qué lo hace rotar?
Y en Escherichia coli, ese giro ya había dejado otras pistas que los investigadores llevaban años persiguiendo.
Antes de entrar en el mecanismo, conviene acotar lo que sabemos con precisión. El modelo funcional del motor flagelar está construido casi en exclusiva sobre estudios en E. coli y Salmonella. Existen bacterias que usan sodio en lugar de protones, como Vibrio, cuyo motor tiene variaciones estructurales todavía no completamente mapeadas. La universalidad del modelo tiene matices reales.
Dicho eso, la pieza central del mecanismo fue confirmada en diciembre de 2025 por el equipo de Aravinthan Samuel, en Harvard, en un estudio publicado en PNAS. Los protones entran en la bacteria porque hay una diferencia brutal de concentración: fuera hay decenas de miles de protones libres por unidad de volumen; dentro, menos de cien. Esa diferencia genera una corriente constante de más de 2.000 protones por segundo a través de los anillos pentagonales de cada estátor, y cada uno de ellos ejerce un empuje al atravesarlos.
"La energía entrópica de la fuerza motriz de protones se convierte en energía cinética de rotación. Eso es todo. Si entiendes eso, entiendes los fundamentos de todo lo que ocurre en biología".
Mike Manson, Texas A&M University
Las células mantienen esa corriente activamente mediante cadenas de transporte de electrones que bombean protones hacia el exterior. Cuando la bacteria se queda sin combustible y no puede mantener el gradiente, el motor se detiene.
Cuando el entorno empeora, la bacteria necesita cambiar de dirección. Para ello fosforila unas proteínas llamadas CheY, marcándolas con átomos de fósforo. Las CheY fosforiladas difunden por el interior celular en milisegundos y, al unirse a una proteína del anillo C, desencadenan una transformación en cascada.
El anillo C reconfigura toda su estructura en milisegundos, como un clip que salta de una posición estable a la otra, e invierte el sentido de rotación del flagelo. Dos estudios de cryo-EM publicados en Nature Microbiology en 2024, uno liderado por Lea, ya en el NIH, y otro por Tina Iverson, de la Universidad de Vanderbilt, revelaron el mecanismo atómico de ese cambio. En marzo de 2026, el grupo de Samuel confirmó en PNAS que el sistema es sensible a una sola molécula de CheY.
"Es una forma muy elegante de convertir una fuerza unidireccional en rotación bidireccional de un objeto grande".
Susan Lea, St. Jude Children's Research Hospital
Cuando el anillo adopta su forma alternativa, los estatores se apoyan en el borde interior del anillo en lugar del exterior. El resultado: la rueda grande gira al revés, el haz de flagelos se deshace y la bacteria tumba. Reorienta. Vuelve a nadar.
La fuerza motriz de protones no es una peculiaridad de las bacterias. La propuso Peter Mitchell en 1961, trabajando desde un laboratorio privado en una finca de Cornualles, y durante años fue recibida con escepticismo. En 1978 le dieron el Nobel de Química.
En tus mitocondrias ocurre exactamente lo mismo: las cadenas de transporte de electrones bombean protones al espacio intermembrana, crean un gradiente y dejan que los protones vuelvan a entrar a través de la ATP sintasa, una máquina rotatoria que fabrica ATP al girar. El principio es idéntico al del motor flagelar; solo cambia la escala y el destino de la energía. La bacteria y tú compartís el mismo motor energético fundamental.
"¿Cómo puedes tener miles de protones entrando en la célula cada segundo y seguir teniendo apenas unas decenas dentro?", se pregunta Manson. "Porque se unen a algo, se vuelven a bombear hacia fuera. Los equilibrios son increíblemente rápidos." Cuando la bacteria se queda sin combustible y no puede mantener el gradiente de protones, el motor se detiene. Exactamente como cualquier motor eléctrico que pierde corriente.
El flagelo es un factor de virulencia en muchas bacterias patógenas: sin él, no se mueven, no colonizan tejidos, no infectan con eficacia. Eso lo convierte en una diana farmacológica con una ventaja concreta: los mecanismos energéticos humanos usan la misma fuerza motriz de protones, pero en estructuras moleculares distintas. En principio, es posible bloquear los estatores bacterianos sin comprometer las mitocondrias.
Los detalles estructurales obtenidos entre 2020 y 2026 ofrecen ahora un mapa atómico sobre el que trabajar. Los antibióticos convencionales atacan la pared celular, la síntesis proteica o la replicación del ADN bacteriano. Un inhibidor del estátor abriría una vía completamente distinta. Lo que queda por establecer es si el mecanismo descrito en E. coli se replica con suficiente similitud en patógenos de interés clínico como Pseudomonas aeruginosa o Helicobacter pylori, y si los compuestos resultantes son suficientemente selectivos para no convertirse en una nueva amenaza contra las superbacterias resistentes que ya acumulan resistencia a casi todo.
Cincuenta años tardamos en entender cómo gira. Lo que sigue es saber si podemos pararlo.
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