martes, 27 de septiembre de 2011

Kamikazes, pilotos suicidas: diseñan y construyen bacterias que detectan y matan a otros patógenos.


El término kamikaze, de origen japonés, fue utilizado para referirse a los ataques suicidas efectuados por pilotos de una unidad especial de la Armada Imperial Japonesa contra embarcaciones de la flota de los aliados a finales de la Segunda Guerra Mundial. Ahora, los investigadores han diseñado y construido un nuevo sistema biológico que permite a una bacteria detectar al patógeno Pseudomonas aeruginosa, explotar ella misma y soltar sustancias antimicrobianas para matar a Pseudomonas. Un auténtico kamikaze bacteriano.


El USS Bunker Hill fue atacado por dos aviones suicidas en menos de 30 segundos de diferencia el 11 de mayo de 1945 (Fuente: Wikipedia).

Los resultados, publicados en Molecular Systems Biology, sugieren que la bacteria manipulada puede ser empleada para prevenir o tratar las infecciones de Pseudomonas aeruginosa en humanos. Se trata de un trabajo de biología sintética en el que manipulan un microbio para que lleve a cabo funciones nuevas que normalmente no es capaz de realizar, como es el caso de matar a otra bacteria.

En concreto, han manipulado la bacteria Escherichia coli (una cepa inocua no patógena) para hacerla capaz de detectar determinadas moléculas que produce Pseudomonas aeruginosa. Estas moléculas desencadenan que E. coli produzca a su vez una proteína con acción antibiótica capaz de matar a Pseudomonas. En condiciones normales E. coli no es capaz de producir esta proteína, denomina piocina (al contrario de lo que ocurre con los antibióticos tradicionales, la resistencia a las piocinas es infrecuente). En este proceso E. coli estalla liberando la proteína tóxica y muriendo ella misma también. Según esta estrategia, E. coli libera la piocina tóxica solo en presencia de Pseudomonas. Además, la piocina no afecta a otros microbios, lo que significa que este tratamiento no debería matar a otras bacterias beneficiosas del organismo.

El sistema podría ser modificado para activarse frente a otras moléculas parecidas producidas por otros patógenos como Vibrio cholera (que provoca el cólera) o Helicobacter pylori (gastritis crónica).

Los investigadores han demostrado que este sistema no solo funciona cuando Pseudomonas crece libremente en medios de cultivo líquidos, sino que también actúa cuando la bacteria forma biofilms o biopelículas como cuando se multiplica dentro del organismo. Todavía no se ha probado en infecciones experimentales con animales, si funciona se podría pensar en administrar como bebida pro biótica a pacientes inmunocomprometidos para prevenir la infección con Pseudomonas.


Este nuevo diseño, denominado Pathogen Sensing and Killing’ system, funciona en varias etapas: 1) la bacteria “kamikaze” (E. coli) detecta las moléculas de AHL que produce Pseudomonas; 2) entonces, se activa en E. coli la producción de la proteína tóxica piocina S5; 3) y la acción de otra proteína E7 que hace que E. coli estalle y se lise; 4) esto libera la piocina S5 al medio externo y mata a Pseudomonas.
 
Pseudomonas aeruginosa es una bacteria capaz de colonizar el sistema respiratorio y gastrointestinal humano y que desarrolla muy rápidamente resistencia a los antibióticos. Causa cerca del 10% de todas las infecciones adquiridas en los hospitales y es especialmente grave en pacientes inmunocomprometidos, con las defensas debilitadas. Normalmente el tratamiento de estas infecciones es a base de antibióticos, pero estos también eliminan las bacterias beneficiosas de nuestro organismo, lo que hace a nuestro cuerpo más susceptible de ser colonizado por bacterias patógenas. Por esta razón, esta nueva estrategia antimicrobiana de luchar contra la bacteria patógena empleando otra bacteria es muy prometedora.
 
Engineering microbes to sense and eradicate Pseudomonas aeruginosa, a human pathogen. N. Saeidi y col. Molecular Systems Biology, 2011,7: 521.

miércoles, 21 de septiembre de 2011

Cuestión de control: Streptomyces, la bacteria que produce más del 80% de los antibióticos que conocemos.

Esta vez han sido un grupo de colegas españoles los que han publicado en PLoS ONE un trabajo que contribuye a conocer mejor a Streptomyces, las bacterias que producen la mayor parte de los antibióticos naturales. En concreto, trabajan con Streptomyces coelicolor aprovechando que su genoma está secuenciado, para identificar nuevos genes implicados en la producción de antibióticos

 Streptomyces coelicolor tiene un color azulado característico, y es un buen modelo de trabajo porque produce antibióticos coloreados.

Streptomyces es una bacteria filamentosa que habita principalmente en el suelo donde tiene que competir por su supervivencia con el resto de los organismos que existen. Una manera de hacerlo es producir una gran cantidad de antibióticos para matar a otros organismos que compiten con él y que incluso utiliza como nutrientes para su propio desarrollo. De hecho, Streptomyces produce más del 80% de los antibióticos conocidos, así como otras sustancias antitumorales y antiparasitarias.

La bacteria produce los antibióticos dependiendo de determinadas señales ambientales, como la cantidad de nutrientes, la temperatura o la acidez (el pH) del suelo. Para ello, Streptomyces es capaz de “sentir” estas señales ambientales y regular la producción de antibióticos. Los investigadores han identificado unos sistemas de regulación denominados Sistemas de Dos Componentes. Estos sistemas se llaman así porque están constituidos por dos proteínas, una sensora que recibe una señal ambiental, y otra proteína que regula la respuesta haciendo que los genes se expresen o no. Se sabe que Streptomyces posee unos 67 sistemas de este tipo, siendo una de las bacterias con mayor número de Sistemas de Dos Componentes. Esta abundancia de Sistemas de Dos Componentes refleja una compleja red de regulación necesaria para que esta bacteria se adapte y sobreviva en condiciones tan cambiantes y adversas como puede ser el suelo. Sin embargo, la función concreta de la mayoría de estos sistemas es desconocida.

  
Sistema regulador de dos componentes: la proteína sensora detecta una señal ambiental, lo que se traduce en que la proteína reguladora controla la expresión de determinados genes.
(Infografía realizada por Heber Longás)

En este trabajo, los investigadores españoles, mediante elegantes experimentos de mutación y novedosos análisis con microarrays, han descubierto cómo Streptomyces emplea dos de estos sistemas. Uno de ellos resultó ser un regulador positivo de la producción de antibióticos, lo cual se comprobó porque al eliminarlo disminuía la producción. El otro es un regulador negativo, porque cuando lo eliminaban la bacteria producía incluso más antibióticos. No cabe duda que conocer mejor cómo Streptomyces es capaz de producir antibióticos permitirá avanzar en la mejora y producción de estas sustancias antibacterianas. No debemos olvidar que todavía hoy en el siglo XXI las enfermedades infecciosas siguen siendo la primera causa de muerte en nuestro planeta.

Novel Two-Component Systems Implied in Antibiotic Production in Streptomyces coelicolor. Yepes A, et al. 2011. PLoS ONE 6(5): e19980.

miércoles, 14 de septiembre de 2011

Tu iPhone funcionará con bacterias no con pilas: Geobacter una bacteria que produce electricidad.


De la misma manera que nosotros respiramos oxigeno, hay bacterias que respiran hierro!. Nuestras células usan la materia orgánica, el azúcar por ejemplo, para metabolizarlo hasta CO2, que expulsamos en la respiración. En ese proceso, el oxigeno que respiramos lo transformamos en vapor de agua, H20.


Geobacter, una bacteria que normalmente se encuentra en el suelo, es capaz de respirar hierro. Para ello, degradan la materia orgánica hasta CO2, pero en vez de emplear el O2 para formar H2O, emplean óxidos de hierro insolubles (Fe3+) que transforman en magnetita (Fe3O4). De esta manera transfieren electrones sobre los óxidos de hierro. El proceso se denomina respiración microbiana anaerobia.

Ahora, un equipo de físicos y microbiólogos de la Universidad de Massachusetts (EE.UU.) ha descubierto que Geobacter es capaz de transferir electrones fuera de la célula y transportarlos varios centímetros (lo que supone miles de veces el tamaño de la propia bacteria!). Esto lo consiguen a través de unos filamentos proteicos que ella misma produce, que los denominan “nanocables” microbianos. Estos “nanocables” forman una red que recorren las biopelículas o biofilms que forma la bacteria y tienen una conductividad comparable a la de los polímeros sintéticos que se utilizan comúnmente en la industria electrónica. Además, la conductividad del biofilm puede ser afinada mediante la regulación de los genes de la bacteria. Es la primera vez que se observa la conducción de carga eléctrica de tipo metálico a lo largo de un filamento de proteínas.

Esta propiedad puede emplearse para transferir electrones a un ánodo, como en una pila. Así, Geobacter es una bacteria capaz de convertir la energía química (la que está “encerrada” en los enlaces químicos de los compuestos orgánicos) en energía eléctrica. 


Geobacter posee otras propiedades muy interesantes desde el punto de vista práctico y medioambiental. Por ejemplo, es capaz de alimentarse de sedimentos y residuos, de degradar los contaminantes derivados del petróleo o deshechos radioactivos y transformarlos en CO2 (bioremediación), o incluso en metano que puede emplearse como fuente de energía “limpia” (biofuel). 

Este hallazgo, publicado en Nature Nanotechnology, abre la posibilidad de emplear esta bacteria para generar electricidad a partir de residuos y desperdicios orgánicos. Podría revolucionar la nanotecnología y la biotecnología, ya que podría conducir en un futuro a la creación de nanomateriales más baratos y no tóxicos para los biosensores y la electrónica que interactúan con los sistemas biológicos.


martes, 6 de septiembre de 2011

El capitán América contra los virus: una nueva sustancia capaz de hacer que las células infectadas con virus se suiciden.


Como sabes, la mayoría de las infecciones bacterianas puede ser tratadas con antibióticos, como la penicilina, pero los antibióticos no son efectivos contra los virus. A pesar de una intensa investigación, actualmente existen relativamente muy pocas sustancia anti-virales. Por eso, desarrollar nuevos compuestos de amplio espectro capaces de inactivar varios tipos de virus a la vez es una prioridad en la lucha contra las infecciones virales.

Ahora, un grupo de investigadores del Massachusetts Institute of Technology's (MIT's) han diseñado una nueva sustancia que puede identificar las células que han sido infectadas por cualquier tipo de virus y matarlas

La técnica se basa en el hecho de que cuando un virus infecta una célula, el virus emplea la maquinaria celular para su propio provecho, esto es, multiplicarse y crear más copias del virus. Por eso decimos que los virus son parásitos intracelulares obligados. Durante este proceso, el virus produce unas moléculas de ácido nucleico ARN de doble hebra, que no se encuentran en las células sanas no infectadas.

La sustancia en cuestión es una proteína quimérica en la que se mezclan varios grupos o dominios con distintas funciones. Una parte de la proteína es capaz de unirse a ese ARN de doble hebra que producen solo las células que han sido infectadas con el virus. Y otra parte hace que se active en esas mismas células las reacciones que llevan a la muerte celular programa (una especie de “suicidio” celular también denominado apoptosis). Además, le han añadido unas secuencias o “señales” para asegurarse de que la proteína entra dentro de las células. Esta proteína por tanto combina dos tipos de acciones: si la célula está infectada por un virus y produce ARN de doble hebra, la proteína se une a él, lo que permite que active a su vez la muerte celular. Si la célula está sana y no ha sido infectada por el virus, la proteína no actúa. Solo mueren o se “suicidan”, por tanto, las células infectadas por el virus.

En el trabajo, publicado en PLoS ONE, los investigadores han ensayado la proteína contra 15 virus diferentes, y han encontrado que es efectiva contra todos ellos, incluidos los Rhinovirus que causan el resfriado común, el virus de la gripe H1N1, virus intestinales, el de la polio, el del Dengue y varios que causan fiebres hemorrágicas.


El nuevo sistema se denomina DRACO, del inglés Double-stranded RNA Activated Caspase Oligomerizer, y tiene un amplio espectro anti-viral: es efectivo contra virus con genoma ADN o ARN, con o sin envoltura, que se multiplican en el citoplasma o en el núcleo de las células, que infectan humanos o animales, o que emplean distintos tipos de receptores para su entrada en las células.

Los investigadores han demostrado también que esta proteína no tiene efectos tóxicos en una gran variedad de tipos de células humanas sanas, y que incluso es capaz de curar ratones infectados con el virus de la gripe H1N1.

Esta proteína está siendo ensayada con más virus y, según los autores, los resultados son muy prometedores, por lo que no hay que descartar que pronto comiencen ensayos clínicos en humanos.