jueves, 14 de septiembre de 2017

“Tunear” la microbiota intestinal


Tus propias bacterias serán las que sinteticen el agente terapéutico desde el interior de tu intestino

Imagínate que un día vas al médico y te receta que te tomes una pastilla repleta de bacterias intestinales y que cada vez que te encuentres mal te bebas un vaso de agua en el que has disuelto un fármaco. Y vas y te curas. Pues eso, que suena un poco homeopático y a ciencia ficción, ocurrirá.

La microbiota es esa comunidad de microorganismos buenos que viven en nuestro cuerpo sano, gracias a los cuales podemos incluso disfrutar de una salud de hierro. Nos influyen mucho más de los que te imaginas. Gracia a ellos se activan nuestras defensas y se mantienen a raya a otros microorganismos patógenos, evitando que nos colonicen y causen enfermedades. Nos ayudan además a hacer la digestión y nos proporcionan vitaminas y otros compuestos que nosotros no podemos sintetizar y que son necesarios para nuestra salud. Una buena microbiota es sinónimo de una buena salud. Vivimos en equilibrio con nuestra microbiota y tenemos que cuidarla porque cuando la maltratamos y ese equilibrio se pierde, nuestra salud se resquebraja. Hay muchos ejemplos que relacionan la microbiota con la enfermedad: desde alergias, diabetes, obesidad y enfermedades autoinmunes, hasta Alzheimer, Parkinson y autismo, incluso el cáncer. Por eso, intentamos manipular la microbiota intestinal con alimentos probióticos, prebióticos o simbióticos, cada vez más sofisticados y mejor diseñados, e incluso reemplazarla por completo mediante un trasplante de microbiota, el llamado trasplante fecal. Sin embargo, manipular la microbiota es mucho más complicado que lo que podíamos imaginar. La razón es que la microbiota es un complejo consorcio con millones de interacciones entre los propios microbios y nuestras células, y todavía no entendemos bien los mecanismos por los que la microbiota mantiene la salud o desencadena la enfermedad.

Una de las bacterias más abundantes en el intestino

Si te digo que menciones una bacteria presente en nuestro intestino seguro que piensas en alguien como Escherichia coli. Y sí, esta bacteria se aísla del intestino (de ahí lo del apellido “coli”, de “colon”), pero a pesar de ser tan famosa, no es la más abundante. Casi el 90% de las bacterias intestinales pertenecen a los grupos Bacteroidetes y Firmicutes, bacterias Gram negativas anaerobios obligados. Y en concreto una de las más numerosas es la bacteria del género Bacteroides.

Bacteroides spp.

Nuevas herramientas genéticas para manipular la microbiota intestinal

Si queremos manipular la microbiota una posibilidad es modificar o manipular esta bacteria tan abundante, pero el problema es que hasta ahora no se han desarrollado herramientas que lo permitan. Sabemos manipular la expresión de los genes en Escherichi coli, quitarle un gen, ponerle otro, modificarlo, … pero en otras bacterias anaerobias como Bacteroides, no es tan fácil (Los promotores que regulan la expresión de los genes de Bacteroides son diferentes a los de otras bacterias, lo que hace que muchos vectores de expresión no funcionen en esta bacteria).

Ahora, se han publicado en la revista Cell un par de artículos que describen nuevas herramientas genéticas para manipular o “tunear” Bacteroides a nuestro antojo, desde hacerle que exprese una nueva proteína, hasta encender o apagar la expresión de un gen in vivo cuando la bacteria está dentro del intestino, simplemente tomando un inductor sintético en el agua de bebida.

Por una parte, los investigadores (1) han desarrollado una construcción genética que integran en el genoma de Bacteroides y que permite a la bacteria sintetizar gran cantidad de una nueva proteína, aumentando en más de 30.000 veces su producción. Además, comprobaron que esta modificación genética no afecta a la estabilidad y viabilidad de la bacteria que sigue siendo capaz de colonizar de forma eficaz el intestino y de producir dicha proteína in vivo dentro del intestino (del ratón). Para comprobarlo, los investigadores introdujeron esa construcción genética en seis especies distintas de Bacteroides. En cada una de ellas la construcción genética producía una proteína fluorescente diferente, de forma que cada especie bacteriana podía diferenciarse una de otra por el color fluorescente. Infectaron ratoncitos de laboratorio con una mezcla de las seis bacterias marcadas y dejaron que éstas colonizaran el intestino. Al cabo de unos días, comprobaron que las seis había colonizado el intestino de forma eficaz y se podían distinguir individualmente según el color fluorescente (Figura 1). Esta nueva construcción genética abre la puerta a investigar la función concreta de Bacteroides en la microbiota in vivo, un paso más para entender la compleja ecología del intestino.


Figura 1. Detección simultánea in vivo de seis especies de Bacteroides. La imagen muestra una sección del colon del ratón colonizado por seis especies de Bacteroides modificadas genéticamente. Cada bacteria expresa una proteína fluorescente diferente: azul, Bacteroides eggerthii; naranja, Bacteroides ovatus; verde, Bacteroides thetaiotaomicron; rojo, Bacteroides fragilis; azul, Bacteroides uniformis; amarillo, Bacteroides vulgatus. (Fuente: referencia 1).

Un interruptor para encender o apagar genes en Bacteroides

En otro trabajo simultáneo (2), los investigadores desarrollaron otra estrategia similar para construir un vector genético que permita controlar la expresión de un gen en Bacteroides mediante un inductor (sustancia química) sintético.  Así, en ausencia de ese inductor la expresión del gen se reprime totalmente, mientras que la adición del inductor rápidamente activa el gen. Es como si fuéramos capaces de encender o apagar un gen de Bacteroides, simplemente añadiendo o quitando una determinada sustancia química.

Para esto, primero han integrado en el genoma de Bacteroides una nueva construcción genética que permite controlar la expresión de una proteína dependiendo de la presencia de un análogo de la tetraciclina, la anhidrotetraciclina, que actúa como inductor. Han empleado esta sustancia como inductor por varias razones: no está presente ni en los medios de cultivo para crecer la bacteria Bacteroides, ni en el intestino u otros tejidos de los mamíferos, ni en las dietas y alimentos que toman; además, la anhidrotetraciclina no es tóxica para la bacteria, ni puede ser degradada o empleada como nutriente. Primero comprobaron que el “interruptor” genético funcionaba perfectamente (Figura 2). Si el gen que lleva la construcción es un gen esencial para la bacteria, ésta solo sobrevive en presencia del inductor que “enciende” el sistema. Mientras que si el gen inserto en la construcción es tóxico para la bacteria, ésta sobrevive en ausencia del inductor, que “apaga” la expresión del gen. 


Figura 2. Vector de expresión para Bacteroides. ON: con inductor (aTC), se expresa el gen y se produce la proteína Nanoluc (fluorescente). OFF: sin inductor, se apaga el gen y no se sintetiza la proteína. (Fuente: referencia 2).

Lo alucinante es que este sistema funciona perfectamente in vivo, dentro del ratón. Para comprobarlo, añadieron Bacteroides modificados genéticamente con el vector que expresa una proteína fluorescente a un grupo de ratones. Comprobaron la presencia de esos Bacteroides en el intestino y en las heces del ratón, y vieron que solo eran fluorescentes cuando se les daba a los ratones el inductor anhidrotetraciclina en el agua de bebida. O sea, que la bacteria había colonizado el intestino y producía la proteína solo si en el agua de bebida estaba el inductor: podemos controlar desde fuera la expresión de una proteína por Bacteriodes que están dentro del intestino. La fluorescencia aumentaba unas 4.800 veces en presencia del inductor, y volvía a valores normales después de tres días de retirar el inductor (Figura 3). Además, comprobaron que esto funcionaba en ratones con una microbiota intestinal normal y completa y que no afectaba a la estructura microbiana de la misma. Han comprobado también que el sistema funciona en varias cepas distintas de cinco especies de Bacteroides diferentes, por lo que puede ser empleado para modificar genéticamente un amplio rango de bacterias del género Bacteroides.


Figura 3. Control de la expresión de un gen en Bacteroides dentro del ratón mediante un inductor. La cantidad de expresión del gen se mide por intensidad de la luminiscencia de las heces del ratón a lo largo de los días que está colonizado por Bacteroides. El inductor aTC (anhidrotetraciclina) se añadía en el agua de bebida durante tres días y luego se retiraba. La línea discontinua corresponde a la fluorescencia en los ratones controles en los que se les añadió la bacteria original sin el vector de expresión. (Fuente: referencia 2).

Esta construcción genética permite controlar de forma precisa la expresión de un gen concreto en la microbiota. Se podría proporcionar un agente terapéutico o una enzima concreta bajo demanda in vivo desde la propia microbiota intestinal, administrando el inductor en el aula de bebida, en la dieta, en una cápsula de liberación retardada o incluso mediante un edema. En el momento en el que te bebas el inductor, el Bacteroides que tienes en tu interior expresará el gen y liberará la proteína o el agente terapéutico, sintetizado por tu propia bacteria. Nunca la medicina ha sido tan personalizada.

(Fuente: referencia 2)

(1). Tunable Expression Tools Enable Single-Cell Strain Distinction in the Gut Microbiome. Whitaker WR y col. Cell. 2017.169(3):538-546.e12.
doi: 10.1016/j.cell.2017.03.041.

doi: 10.1016/j.cell.2017.03.045.

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