Terroristas microscópicos—bacterias suicidas para combatir infecciones

Esta es una de las aplicaciones más ingeniosas de la biología sintética… Diseñar bacterias capaces de matar a otras bacterias infecciosas y morir en el intento. Científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang han desarrollado una versión terrorista de la archiconocida E. coli, con la capacidad de detectar la presencia de la Pseudomonas aeruginosa —bacteria responsable de la mayoría de las infecciones intrahospitalarias— y explotar, literalmente, liberando una gran cantidad de sustancias antibióticas. Este interesante artículo fue publicado hoy en Molecular Systems Biology.

La biología sintética nos permite diseñar y construir funciones biológicas nuevas (o modificar las ya existentes), para obtener funciones que no pueden ser encontradas de manera natural. La biología sintética la podemos hacer todos en una hoja de papel, basta con tomar un grupo de rutas metabólicas de diferentes especies y construir un sistema elaborado que nos permita realizar una función en especial. Luego, identificamos los genes que necesitaríamos para construir cada una de las partes del sistema y, finalmente, lo insertamos en un organismo vivo sencillo como una bacteria.

Podemos construir sistemas biológicos para todo, por ejemplo, para la producción de un determinado compuesto químico (Ej.: un fármaco, un antibiótico, una matriz, etc.), para la degradación de sustancias complejas que contaminan los ambientes (Ej.: petróleo, insecticidas, etc.), para combatir las células cancerosas, para producir energía (Ej.: biocombustibles), etc. Las aplicaciones son infinitas.

Sin embargo, no se ha hecho mucho por el desarrollo de sistemas biológicos capaces de combatir los agentes infecciosos más importantes que tenemos hoy en día, principalmente aquellos que afectan a millones de personas en el mundo, sobre todo en los países más pobres. Por ejemplo, uno de ellos es la Pseudomonas aeruginosa, el principal agente infeccioso dentro de los hospitales, causando una serie de enfermedades respiratorias y gastrointestinales, especialmente en pacientes con el sistema inmune comprometido, tales como los pacientes de VIH, cáncer y aquellos que han recibido un trasplante de órganos.

La P. aeruginosa es una bacteria muy especial. Resiste prácticamente todos los tipos de antibióticos que existen, gracias a un eficiente sistema de eliminación de toxinas, y es tolerante a los ambientes adversos gracias a su capacidad de formar unas estructuras complejas llamadas biopelículas. Existen dos formas de tratarlas: mediante una quimioterapia a base de diferentes antibióticos y mediante el uso de virus bacterianos (fagos). El problema con la primera estrategia es que los antibióticos también afectan a la microbiota humana, la cual es beneficiosa para nosotros; mientras que el problema con la segunda es que las bacterias adquieren inmunidad contra los fagos [ver artículo en BioUnalm], y sólo pueden ser usados una vez.

Las P. aeruginosa poseen una estrategia muy eficiente para invadir los tejidos y eliminar la competencia: producen y secretan antibióticos, los cuales no les hacen daño a sí mismas. El principal antibiótico secretado es la piocina —el 90% de las P. aeruginosa lo producen. Dentro del grupo de las piocinas existen tres clases: R, F y S. Las piocinas S están conformadas por dos proteínas: una que se encarga de matar a la bacteria y otra que es reconocida por las bacterias que la producen para no ser autoelminadas (proteína inmunitaria). El año pasado, Ling et al. descubrieron una piocina del grupo S (piocina S5) capaz de matar a las cepas de P. aeruginosa nosocomiales; pero no hacían nada a las E. coli.

Para que las P. aeruginosa formen la biopelícula deben activarse una serie de genes de manera concertada. ¿Cómo hacen las bacterias para comunicarse y sincronizar la expresión de estos genes?. En el mundo bacteriano la comunicación se da a nivel químico. Las bacterias liberan factores al medio, los cuales se van acumulando a medida que las bacterias se van aglomerando, hasta que la concentración de dicho factor supera un umbral y los genes empiezan a expresarse de manera concertada. A este mecanismo se le conoce como quorum sensing, el cual además puede controlar una serie de respuestas fisiológicas diferentes.

Entonces, el mismo grupo de investigadores que descubrieron la piocina S5 desarrollaron un sistema capaz de atacar a las P. aeruginosa infecciosas usando todo lo que acabamos de ver. Saeidi et al. diseñaron una E. coli capaz de responder al quorum sensing de las Pseudomonas, producir la piocina S5 y explotar para liberarla al medio y matar a todas las bacterias a su alrededor. En otras palabras, crearon una bacteria terrorista!.

A la E. coli le insertaron algunos genes:

1. Un gen que codifica para la proteína LasR. Esta proteína se une a la sustancia química liberada por Pseudomonas durante el quorum sensing llamada AHL 3OC₁₂HSL (una homoserin-lactona, HSL).
2. Un gen que codifica para la piocina S5 regulado por el promotor luxR. Cuando la proteína LasR se une a la HSL es capaz de activar el promotor luxR, y por lo tanto se expresará la piocina S5, la cual se acumulará dentro de las E. coli.
3. Un gen que codifica para una proteína de lisis llamada Lysis E7 regulado también por el promotor luxR. La LasR-HSL también activará el promotor luxR de este gen y se expresará la Lysis E7. Esta proteína tiene la capacidad de romper la membrana y pared celular de la E. coli.

Ahora, ¿cómo funciona este sistema?. La historia dice así…

Las P. aeruginosa se encuentran felices de la vida infectando un tejido. Para que la infección sea mejor deciden formar las biopelículas, para ello activan el mecanismo del quorum sensing. La E. coli terrorista que fue introducida al tejido detecta también la señal y empieza a producir un montón de piocina S5 —el antibiótico mortal para las Pseudomonas— sin levantar sospecha alguna. Algo así como cuando un terrorista entra a un centro comercial y activa el reloj de la bomba sin que nadie se de cuenta ni las cámaras de seguridad se percaten del hecho. Luego, la E. coli terrorista empieza a producir la proteína de lisis (Lysis E7). Cuando el temporalizador llega a cero, la E. coli es lisada por completo (“explota”) liberando toda su mortal carga. Las Pseudomonas no pueden hacer nada contra ella y mueren.

Aquí una cámara de seguridad del laboratorio tomó una imagen de la catástrofe! [ADVERTENCIA: La imagen que verá a continuación puede ser perjudicial para usted y su familia, se recomienda discreción].

Las E. coli suicidas mostraron un poder de aniquilación enorme: el 99% de las P. aeruginosa viables y el el 90% de las que formaron biopelículas murieron. Sin embargo, cabe resaltar que este ensayo fue hecho in vitro, así que no se sabe si llegará a funcionar o no en los organismos vivos. Lo resaltante de este trabajo fue que un diseño de una función biológica nueva puede ser construida y funcionar en la práctica. Imagínense algún día producir bebidas con cepas pro-bióticas con la capacidad de eliminar a los parásitos (Ej.: tenias y otros gusanos) y las bacterias perjudiciales (Ej: Helicobacter pylori) de nuestro tracto gastrointestinal de forma eficiente, específica y poco agresiva con nuestros tejidos. En principio, la biología sintética funciona, llevarlo a una escala superior tal vez tarde algunos años, pero ya estamos en buen camino.

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Referencia:

Saeidi, N., Wong, C., Lo, T., Nguyen, H., Ling, H., Leong, S., Poh, C., & Chang, M. (2011). Engineering microbes to sense and eradicate Pseudomonas aeruginosa, a human pathogen Molecular Systems Biology, 7 DOI: 10.1038/msb.2011.55

Esta entrada participa en el Carnaval de Biología de Verano (2° Parte) celebrado en ¡Jindetrés, sal!