Combatir los virus con genes de defensa intercambiables
Las bacterias modifican rápidamente partes móviles de su genoma para desarrollar resistencia a los virus
Los virus bacterianos, llamados fagos, destruyen las bacterias. Las bacterias están constantemente expuestas a ataques virales. Un equipo de investigación dirigido por Martin Polz, microbiólogo de la Universidad de Viena, ha estudiado ahora cómo las bacterias se defienden de los depredadores virales. El estudio demuestra que las bacterias tienen elementos genéticos intercambiables diseñados específicamente para la defensa contra los virus, lo que permite a una población bacteriana cambiar su inmunidad innata con una rapidez sorprendente. La cuestión de cómo y con qué rapidez las bacterias desarrollan resistencia a los virus tiene una importancia fundamental para el desarrollo de terapias basadas en fagos contra las infecciones bacterianas.
Colonias de Vibrio creciendo en un filtro
© Kathryn Kauffman
La interacción depredadora entre bacterias y fagos
Los bacteriófagos son virus que utilizan las bacterias como células huésped. En el proceso de reproducción, destruyen la célula bacteriana: Las bacterias infectadas producen virus hasta que estallan. Como depredadores microbianos, los fagos conforman de forma significativa las diversas comunidades de microorganismos que desempeñan un papel importante en todos los entornos, para todos los organismos vivos y también para la salud humana. Además, debido a la creciente resistencia a los antibióticos, los fagos se consideran una alternativa prometedora a los antibióticos en el tratamiento de las infecciones bacterianas. "En realidad, la gente utilizaba los fagos desde el principio para luchar contra las bacterias. Sin embargo, luego fueron sustituidos por los antibióticos porque la interacción entre los virus y las bacterias aún no se conocía bien", explica Martin Polz, del Centro de Microbiología y Ciencia de Sistemas Ambientales (CMESS) de la Universidad de Viena. Hace aproximadamente un año, el microbiólogo se trasladó desde el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Cambridge (Estados Unidos) a la Universidad de Viena. Un proyecto de investigación que inició con su equipo en el MIT llegó al fondo de esta interacción.
Un equipo internacional de investigación descubre el rápido intercambio de genes de defensa móviles
El equipo de investigadores de la Universidad de Viena, el MIT y la Universidad de la Sorbona de París (Francia) ha estudiado en detalle cómo se defienden las bacterias contra los virus. "Cada célula bacteriana tiene un conjunto de genes de defensa que le permiten eliminar determinados virus", explica el director del proyecto de investigación. "Nuestro estudio demuestra que estos genes de defensa se intercambian muy rápidamente entre las células bacterianas. Esto es posible porque están integrados en los denominados elementos genéticos móviles que, a su vez, controlan si se transfieren de una célula a otra y cuándo."
La defensa contra los virus determina la evolución bacteriana
Cada bacteria no sólo posee un genoma central que comparte con todas las demás bacterias de su especie, sino que también contiene elementos genéticos móviles. Este genoma móvil e intercambiable puede diferir de una bacteria a otra, pero su función general sigue siendo poco conocida. El estudio demuestra que sirve principalmente para un propósito: la defensa contra los fagos. En consecuencia, la lucha contra los virus determina el intercambio de genomas y, por tanto, la evolución bacteriana. "Los hallazgos ponen de relieve la importancia de la defensa contra los fagos en el mundo microbiano", comenta Rotem Sorek, profesor del Instituto Weizmann de Ciencias de Israel. Sorek -él mismo no participó en el estudio- dirige una investigación puntera sobre la interacción de los fagos y las bacterias. Con el análisis preciso de estas islas de defensa, los científicos han resuelto un rompecabezas que ha ocupado a los investigadores durante la última década, dice.
Análisis de la evolución de los mecanismos de defensa innatos de las bacterias marinas Vibrio
El estudio analiza los mecanismos de defensa innatos del genoma. "Nuestros resultados destacan que esta inmunidad innata es la principal responsable de la defensa contra los virus. Basándose en experimentos de laboratorio, se había supuesto anteriormente que las bacterias se defendían de los virus principalmente modificando los receptores situados en su superficie", explica Fatima Aysha Hussain, autora principal del estudio. Durante tres meses, los investigadores recogieron diariamente muestras de agua en la costa de Nueva Inglaterra para explorar la interacción entre las bacterias Vibrio y los virus que interactúan con ellas en su hábitat real. Mediante análisis genómicos y genéticos, observaron un cambio evolutivo extremadamente rápido: A lo largo de los 93 días de estudio, las bacterias individuales desarrollaron resistencias específicas mediante el intercambio de elementos genéticos móviles. "Estos cambios se producen a lo largo de unas pocas generaciones, es decir, divisiones celulares", explica el investigador principal, Martin Polz. "Esto se traduce en que las bacterias son capaces de desarrollar resistencia a determinados virus en un plazo de entre semanas y meses en la naturaleza".
Importantes implicaciones para el diseño de terapias basadas en fagos
Los fagos y las bacterias interactúan de forma muy específica. De ahí que los ataques virales sólo tengan éxito en bacterias individuales, y no en toda una especie bacteriana. El estudio demuestra por qué es así: "Los genes de defensa son muy diversos y se intercambian muy rápidamente, por lo que siempre hay un gran número de individuos resistentes en la población", explica Martin Polz. Los resultados del estudio no sólo aportan conocimientos fundamentales sobre el funcionamiento de las comunidades microbianas. También señalan los retos que plantea la lucha contra las bacterias con fagos: "La rápida adquisición de resistencia debe tenerse en cuenta a la hora de desarrollar terapias con fagos, precisamente porque los elementos genéticos móviles similares a los que hemos estudiado también son responsables del rápido desarrollo de la resistencia a los antibióticos."
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Publicación original
Hussain, Fatima Aysha; Dubert, Javier; Elsherbini, Joseph; Murphy, Mikayla; VanInsberghe, David; Arevalo, Philip; Kauffman, Kathryn; Kotska Rodino-Janeiro, Bruno; Gavin, Hannah; Gomez, Annika; Lopatina, Anna; Le Roux, Frédérique; Polz, Martin F.; "Rapid evolutionary turnover of mobile genetic elements drives bacterial resistance to phages"; Science; 2021
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