Las bacterias con función de registro captan el estado de salud del intestino
"Este nuevo método nos permite obtener información directamente del intestino, sin tener que perturbar las funciones intestinales"
Investigadores de la ETH de Zúrich, el Hospital Universitario de Berna y la Universidad de Berna han dotado a las bacterias intestinales de una función de registro de datos para controlar qué genes están activos en ellas. Estos microorganismos podrían ofrecer algún día un medio no invasivo para diagnosticar enfermedades o evaluar el impacto de una dieta en la salud.
Los investigadores utilizan los datos con una imagen simbólica.
pixabay.com/Unsplash
Nuestro intestino alberga innumerables bacterias que nos ayudan a digerir los alimentos. Pero, ¿qué hacen exactamente los microorganismos dentro del cuerpo? ¿Qué enzimas producen y cuándo? ¿Y cómo metabolizan las bacterias los alimentos beneficiosos para la salud que nos ayudan a evitar enfermedades?
Para obtener respuestas a estas preguntas, los investigadores del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Biosistemas de la ETH de Zúrich, en Basilea, modificaron las bacterias para que funcionaran como registradores de datos sobre la actividad de los genes. Junto con científicos del Hospital Universitario de Berna y de la Universidad de Berna, han probado estas bacterias en ratones. Se trata de un paso importante hacia el uso de bacterias sensoras en medicina en el futuro para aplicaciones como el diagnóstico de la malnutrición y la comprensión de qué dietas son buenas para un individuo.
El sistema inmunitario se convierte en un registrador de datos
La función de registrador de datos fue desarrollada en los últimos años por investigadores dirigidos por Randall Platt, profesor de Ingeniería Biológica de la ETH de Zúrich. Para ello, emplearon el mecanismo CRISPR-Cas, que es un tipo de sistema inmunitario presente de forma natural en muchas especies bacterianas. Si las bacterias son atacadas por virus, pueden incorporar fragmentos del ADN o ARN viral a una sección de su propio genoma llamada matriz CRISPR. Esto permite a las bacterias "recordar" los virus con los que han estado en contacto, lo que les permite combatir un futuro ataque viral con mayor rapidez.
Para utilizar este mecanismo como registrador de datos, los investigadores no se preocuparon por los fragmentos de ADN de los intrusos virales, sino que se centraron en algo más: el mecanismo puede explotarse de forma que las bacterias incorporen fragmentos de su propio ARN mensajero (ARNm) en la matriz CRISPR. Las moléculas de ARNm son el modelo que las células utilizan para fabricar proteínas. Por ello, los fragmentos de ARNm pueden revelar qué genes se utilizan para construir proteínas para ejecutar funciones celulares.
Para que el método fuera eficaz, los científicos introdujeron la matriz CRISPR de la especie bacteriana Fusicatenibacter saccharivorans en una cepa de la bacteria intestinal Escherichia coli, considerada segura para los humanos y disponible como probiótico. La transferencia incluía el plano de una enzima llamada transcriptasa inversa, que es capaz de transcribir el ARN en ADN. Esta enzima también transcribe la información del ARNm en forma de ADN, que junto con las proteínas asociadas a CRISPR que lo acompañan, es necesario para incorporar el fragmento de ADN a la matriz CRISPR.
Obtención de información sin alterar el organismo
A continuación, investigadores del Hospital Universitario de Berna y de la Universidad de Berna, dirigidos por Andrew Macpherson, administraron estas bacterias intestinales modificadas a ratones en el laboratorio. Recogieron muestras fecales de los animales y aislaron el ADN bacteriano, que luego analizaron mediante secuenciación de ADN de alto rendimiento. Con una evaluación bioinformática posterior, realizada y evaluada en colaboración, pudieron trabajar a través de la masa de datos y reconstruir la información genética de los fragmentos de ARNm. Esto permitió a los científicos determinar por medios no invasivos la frecuencia con la que las bacterias intestinales fabricaron una determinada molécula de ARNm durante su estancia en el organismo y, por tanto, qué genes están activos.
"Este nuevo método nos permite obtener información directamente del intestino, sin tener que perturbar las funciones intestinales", afirma Andrew Macpherson, profesor y director de Gastroenterología del Hospital Universitario de Berna. Por ello, el método presenta grandes ventajas respecto a las endoscopias, que pueden ser desagradables para los pacientes y siempre implican una perturbación de la función intestinal, ya que los intestinos deben estar vacíos para el examen.
Determinar el estado de la dieta
"Las bacterias son muy buenas registrando las condiciones ambientales y adaptando su metabolismo a nuevas circunstancias, como los cambios en la dieta", afirma Macpherson. En experimentos con ratones a los que se les dio diferentes alimentos, los investigadores pudieron demostrar cómo las bacterias adaptaban su metabolismo al respectivo suministro de nutrientes. Un informe de los hallazgos se ha publicado en el último número de la revista Sciencecall_made.
Los investigadores quieren seguir desarrollando el método para poder estudiar algún día a pacientes humanos y ver cómo la dieta influye en el ecosistema intestinal y cómo esto afecta a la salud. En el futuro, esperan utilizar el método para determinar el estado dietético de niños o adultos. Con esta información, los médicos podrán diagnosticar la desnutrición o decidir si un paciente necesita suplementos nutricionales.
Además, los investigadores fueron capaces de reconocer las respuestas inflamatorias en el intestino. Los investigadores administraron las bacterias sensoras a ratones con inflamación intestinal y a ratones sanos. De este modo, pudieron identificar el perfil específico de ARNm de las bacterias intestinales que pasan al modo de inflamación.
Distinguir las distintas bacterias
La investigación actual, publicada en la revista Science, incluye un avance científico que permite a los investigadores distinguir dos cepas de bacterias entre sí basándose en "códigos de barras" genéticos individuales. En el futuro, esto permitirá investigar en animales de laboratorio la función de las mutaciones genéticas en las bacterias. Esto permitirá a los científicos comparar el perfil de ARNm de diferentes bacterias, por ejemplo, las normales frente a las mutantes. Gracias al registrador de datos moleculares, es posible por primera vez determinar este perfil, a medida que pasan por el intestino y no sólo cuando las bacterias llegan a las heces, de modo que la información muestra lo que ocurría cuando las bacterias aún vivían en el intestino.
Otra vía concebible sería seguir desarrollando el sistema para distinguir los perfiles de ARN de las bacterias en el intestino delgado y en el grueso. Además, la función de registro de datos podría incorporarse a otros tipos de bacterias. Esto abriría la puerta a aplicaciones en la monitorización medioambiental. Un análisis de las bacterias del suelo de un campo de cultivo, por ejemplo, permitiría determinar si se han utilizado herbicidas.
Posible aplicación segura
Los investigadores han presentado solicitudes de patente para el método en sí y para los perfiles de ARN característicos que son firmas de ciertas moléculas nutricionales e indicadores de la salud intestinal.
Antes de que las bacterias sensoras puedan utilizarse fuera del laboratorio -incluso en pacientes humanos-, los científicos todavía tienen que aclarar varias cuestiones legales y de seguridad, ya que las bacterias han sido modificadas genéticamente. "En principio, hay formas de utilizar microorganismos vivos modificados genéticamente como agentes diagnósticos o terapéuticos en medicina, siempre que se cumplan ciertas condiciones", explica Platt. Es posible, por ejemplo, modificar las bacterias sensoras para que necesiten ciertos nutrientes y, por tanto, puedan sobrevivir sólo dentro del intestino de un paciente. En cuanto estas bacterias concretas salgan del intestino, morirán. La integración de mecanismos de seguridad adecuados es el siguiente paso para la aplicación del método en medicina.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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