Las bacterias “amigables” de nuestro sistema digestivo están recibiendo una mejora, que algún día podría permitir programarlas para detectar y, en última instancia, tratar enfermedades como el cáncer de colon y los trastornos inmunitarios.
En un artículo publicado hoy en la revista Cell Systems, investigadores del MIT presentan una serie de sensores, interruptores de memoria y circuitos que pueden codificarse en la bacteria intestinal humana común Bacteroides thetaiotaomicron.
Estos elementos básicos de computación permitirán a las bacterias detectar, memorizar y responder a señales en el intestino, con aplicaciones futuras que podrían incluir la detección temprana y el tratamiento de la enfermedad inflamatoria intestinal o del cáncer de colon.
Los investigadores han construido previamente circuitos genéticos en organismos modelo como E. coli. Sin embargo, según Timothy Lu, profesor asociado de ingeniería biológica y de ingeniería eléctrica e informática, que dirigió la investigación junto con Christopher Voigt, profesor de ingeniería biológica del MIT, estas cepas solo se encuentran en niveles bajos en el intestino humano.
“Queríamos trabajar con cepas como B. thetaiotaomicron que están presentes en muchas personas en niveles abundantes y pueden colonizar el intestino de forma estable durante largos periodos”, afirma Lu.
El equipo desarrolló una serie de componentes genéticos que pueden utilizarse para programar con precisión la expresión génica en las bacterias. “Con estas piezas construimos cuatro sensores que pueden codificarse en el ADN de la bacteria y que responden a una señal para activar y desactivar genes dentro de B. thetaiotaomicron”, afirma Voigt.
Estos pueden ser aditivos alimentarios, incluidos azúcares, que permiten controlar las bacterias mediante los alimentos que ingiere el huésped, añade Voigt.
“Memoria” bacteriana
Para detectar y registrar patologías en el intestino, incluidos signos de sangrado o inflamación, las bacterias deberán recordar esta información e informarla al exterior. Para lograrlo, los investigadores dotaron a B. thetaiotaomicron de una forma de memoria genética. Utilizaron una clase de proteínas conocidas como recombinasas, que pueden registrar información en el ADN bacteriano al reconocer direcciones específicas del ADN e invertir su orientación.
Los investigadores también implementaron una tecnología conocida como interferencia CRISPR, que puede utilizarse para controlar qué genes se activan o desactivan en la bacteria. La emplearon para modular la capacidad de B. thetaiotaomicron de consumir un nutriente específico y de resistir la muerte causada por una molécula antimicrobiana.
Los investigadores demostraron que su conjunto de herramientas y interruptores genéticos funcionaba en B. thetaiotaomicron que colonizaba el intestino de ratones. Cuando a los ratones se les dio de comer alimentos con los ingredientes adecuados, se comprobó que las bacterias podían recordar lo que habían comido.
Conjunto de herramientas ampliado
Los investigadores planean ahora ampliar la aplicación de sus herramientas a diferentes especies de Bacteroides. Esto se debe a que la composición microbiana del intestino varía de una persona a otra, lo que significa que una especie determinada puede ser la bacteria dominante en un paciente, pero no en otros.
“Nuestro objetivo es ampliar nuestro conjunto de herramientas genéticas a una amplia gama de bacterias que son organismos comensales importantes del intestino humano”, afirma Lu.
El concepto de utilizar microorganismos para detectar y responder a signos de enfermedad también podría aplicarse en otras partes del cuerpo, añade.
Además, circuitos genéticos computacionales más avanzados podrían construirse sobre este conjunto de herramientas genéticas en Bacteroides para mejorar su rendimiento como herramientas de diagnóstico y terapia no invasivas.
“Por ejemplo, queremos alcanzar una alta sensibilidad y especificidad al diagnosticar enfermedades con bacterias modificadas”, afirma Lu. “Para lograrlo, podríamos diseñar bacterias que detecten múltiples biomarcadores y que solo activen una respuesta cuando todos estén presentes.”
Tom Ellis, líder del grupo del Centro de Biología Sintética del Imperial College London, que no participó en la investigación, afirma que el artículo toma muchas de las mejores herramientas desarrolladas para aplicaciones de biología sintética con E. coli y las traslada para su uso con una clase común de bacterias intestinales.
“Mientras que otros han desarrollado herramientas y aplicaciones para diseñar circuitos genéticos o biosensores en bacterias que luego se colocan en el intestino, este artículo destaca por encima de los demás al diseñar primero un miembro del género Bacteroides , el tipo de bacteria más común que se encuentra en nuestro intestino”, afirma Ellis.
Hasta ahora, el estudio ha demostrado la eficacia del enfoque en ratones, y aún queda un largo camino antes de que pueda aprobarse su uso en humanos, afirma Ellis.
Sin embargo, el artículo abre realmente la posibilidad de que algún día existan células modificadas que residan en nuestro intestino durante largos periodos, afirma. “Estas podrían realizar tareas como la detección y el registro, o incluso la síntesis in situ de moléculas terapéuticas cuando se necesiten.”
Este artículo se publica en colaboración con MIT. La publicación no implica el respaldo de las opiniones por parte del Foro Económico Mundial.
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Autoría: Helen Knight escribe para MIT News.
Imagen: bacterias intestinales observadas al microscopio. REUTERS
