20 marzo, 2014

Convirtiendo a una bacteria en un reportero

Este será el reportero más extraño y avezado que hayas conocido jamás. Un reportero cuyo trabajo consiste en entrar a un lugar donde ningún humano ha llegado antes. Un lugar húmedo, oscuro, caliente y ácido. Lleno de seres que no dudarán en devorarte si te detectan husmeando por ahí sin ninguna autorización. Siria, Irak o Afganistán no se comparan con este lugar. Y todo esto lo hacen con el fin de que sepas lo que pasa ahí adentro. ¿Quieres conocerlo? Aquí una foto tomada de su Facebook:

E.coli | Fuente: Wellcome Images.

Su nombre es Escherichia coli y su trabajo es captar y recordar todas las señales químicas de su entorno a medida que pasa a través de los intestinos de un mamífero. En otras palabras, una bacteria reportera.

Es una idea descabellada pero imagina algún día contar con un microorganismo que en vez de causarte una enfermedad, ingrese a tu cuerpo para analizarlo desde adentro, para detectar la presencia de cualquier molécula que esté relacionada directamente con el desarrollo de algún tipo de enfermedad (Alzheimer, Parkinson, cualquier tipo de cáncer, infecciones virales o bacterianas, etc.). Sin dudas sería la mejor herramienta de diagnóstico clínico que podría desarrollarse. Sería altamente sensible y no sería invasivo. Suena a ciencia ficción. Pues, sí. Pero un reciente estudio publicado esta semana en PNAS nos permite soñar con que la ficción algún día se hará realidad.

Resulta que un equipo estadounidenses de la Universidad de Harvard y la Universidad de Boston, dirigidos por la Dra. Pamela Silver, han desarrollado una E. coli capaz de detectar la presencia de una molécula específica a medida que pasaba a través de los intestinos de un ratón. Y no sólo eso, la bacteria logró recordar qué molécula era incluso una semana después. Dicho de otra manera, Silver y su equipo desarrollaron un sistema de memoria basado en bacterias.

Lo que hicieron fue, básicamente, tomar prestado un sistema que regula la expresión de los genes de un virus de las bacterias (bacteriófago o, simplemente, fago). Este sistema es binario porque está conformado por dos componentes: cI y Cro. Ambos son mutuamente excluyentes. Esto quiere decir que cuando cI se expresa, Cro se reprime; y, cuando Cro se expresa, cI se reprime. Es un mecanismo muy fino de control que le permite al fago sobrevivir una vez infecte a la bacteria.

Cuando el fago entra a la bacteria, integra su ADN en el ADN de su hospedero. El material genético del virus literalmente forma parte del material genético de la bacteria. Normalmente, cI está presente en cantidades que van de 100 a 200 moléculas por cada bacteria infectada. Esta cantidad es suficiente para reprimir a Cro y que el material genético del fago no se active, manteniéndose integrado al genoma de la bacteria. A esta etapa se le llama fase lisogénica. Esto le permite al fago heredarse cada vez que la bacteria se divide. Sin embargo, si la bacteria es sometida a una situación de estrés o algo perturba su tranquilidad, Cro se activará y su número superará un determinado umbral (aproximadamente 1000 moléculas) que reprimirá a cI. En este momento, el material genético del fago se activa, empieza a multiplicarse y expresarse sin control, formándose miles de fagos. La bacteria explota y los nuevos virus son liberados para infectar nuevas bacterias. A esto le llaman fase lítica.

Entonces, Silver y su equipo usaron el sistema cI y Cro sin los genes virales. Estos fueron reemplazados por un gen llamado LacZ que codifica una enzima que transforma una molécula de IPTG (no es necesario saber su nombre exacto) en otra molécula que tiene una coloración azul. Entonces, si la bacteria tiene activo el gen LacZ, la colonia formada será de color azul. Por esta razón, a LacZ también se le conoce como un gen reportero. Adicionalmente, el sistema cI/Cro fue diseñado de tal forma que Cro sólo se activaría si en el medio hay un antibiótico conocido como tetraciclina. Entonces, mediante el uso de la ingeniería genética los investigadores construyeron un sistema de memoria como este:

TF1 vendría a ser Cro. TF2 vendría a ser cI. "Reporter" vendría a ser LacZ. Y el estímulo ambiental vendría a ser la tetraciclina. Entonces, en condiciones normales, cI esta activo reprimiendo la expresión de Cro (la bolita amarilla es el represor producido por cI), por lo que el sistema estaría "apagado" (OFF State). Cuando en el ambiente hay tetraciclina, Cro se activa y reprime la expresión de cI (el cuadradito azul sería el represor producido por Cro) y, además, expresa el reportero LacZ. El sistema estaría encendido (ON State).

Y ¿por qué le llaman sistema de memoria a esta construcción genética? Porque una vez se activa Cro, este permanece así por mucho tiempo, incluso si el estímulo ambiental --en este caso la tetraciclina-- ya no está presente en el entorno.

Una vez construido este módulo, fue introducido en el genoma de una cepa de E. coli aislada del propio ratón. Ya tenían su bacteria reportera. La idea es muy simple. La bacteria entrará al tracto digestivo del ratón y será colectada a través de sus heces una vez haga todo el recorrido por las tripas del roedor. Si la bacteria llega a detectar tetraciclina en los intestinos del ratón, el sistema se encenderá y se activará Cro. Las bacterias colectadas en las heces formarán colonias azules cuando se las someta a un tratamiento con IPTG. Si la bacteria no detecta tetraciclina, el sistema permanecerá apagado (cI activo) y las bacterias colectadas formarán colonias de color blanco (colonias normales).

Los investigadores dividieron a sus ratones en dos grupos experimentales. A uno le dieron pequeñas dosis de tetraciclina en el agua que bebían y a otros no (grupo control). Luego a los dos grupos les administraron por vía oral 10 millones de estas bacterias reporteras y colectaron sus heces en diferentes días. Los resultados fueron los esperados, las bacterias colectadas de los ratones a quienes se les dio tetraciclina formaron colonias azules, incluso una semana después, lo que demostraba que el sistema de memoria funcionaba adecuadamente y por un tiempo prolongado.

Este estudio demuestra que la estrategia de desarrollar microbios con la capacidad de "grabar" todo lo que pasa en un determinado ambiente puede funcionar correctamente. Por otro lado, con los grandes avances que viene teniendo la biología sintética y el desarrollo de nuevos circuitos y módulos genéticos, incluso circuitos lógicos, podemos pensar en un uso futuro como agentes de diagnóstico de distintas enfermedades, infecciones y males, sólo habría que cambiar el interruptor que activa el sistema para que reconozca otra molécula específica en vez de la tetraciclina.


Referencia:

ResearchBlogging.orgKotula, J., Kerns, S., Shaket, L., Siraj, L., Collins, J., Way, J., & Silver, P. (2014). Programmable bacteria detect and record an environmental signal in the mammalian gut Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1321321111

 

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