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martes, 28 de noviembre de 2017

¿Podrías acabar con un alien utilizando CRISPR?



Sin duda, Alien es el endoparásito más famoso. Una vez que el facehugger ha cumplido su trabajo no hay manera de sacar al embrión del hospedador. Éste se desarrollará y finalmente encontrará su camino hacia fuera.

Hay ciertas bacterias patógenas que se comportan como auténticos "aliens" ya que son parásitos intracelulares. Se introducen en las células y una vez allí se multiplican hasta que acaban con ellas. Los patógenos intracelulares suponen un problema cuando hay que tratar las infecciones que provocan, ya que es difícil para los antibióticos alcanzar el interior de nuestras células. Este problema se hace mucho mayor si esas bacterias parásitas son además resistentes a los antibióticos. ¿Cómo podemos deshacernos de ellas?

En un reciente artículo del Trends in Biotechnology, Adrienne C. Greene propone que se pueda utilizar la tecnología CRISPR para desarrollar un nuevo tipo de sustancias antimicrobianas que se podrían adaptar al patógeno que deben eliminar, aunque éste haya desarrollado una resistencia antimicrobiana, y que además fueran totalmente específicos evitando así dañar a la microbiota comensal. Todo muy bonito pero hay un pequeño problema. ¿Cómo hacer llegar un complejo macromolecular de RNA y proteína con un tamaño de unos 160 kD hasta el interior de una bacteria objetivo? Un abordaje que se ha intentado con éxito es el siguiente. En primer lugar diseñar un complejo CRISPR/RNA capaz de eliminar un gen esencia de un patógeno. Después codificar ese complejo CRISPR/RNA en un fásmido. De esa forma el complejo queda encapsulado en una cápsida de fago que luego es usado para infectar a la bacteria objetivo. Una vez dentro, el complejo CRISPR/RNA se encarga de destruir genes esenciales y acabar con el patógeno.

Ahora esta idea se quiere llevar un paso más allá combiando los fásmidos CRISPR y la nanotecnología para eliminar patógenos intracelulares. El problema a solventar es cómo dirigir a esos fásmidos hasta las células objetivo y hacerlos entrar para que acaben con la bacteria. En la figura de abajo se muestra la idea. En A tenemos el fásmido que codifica para el complejo CRISPR/RNA y que es específico de la bacteria patógena. En B, los fásmidos son encapsulados en partículas de sílice. Dichas partículas serían funcionalizadas con una membrana (C) en la que se dispondrían péptidos y proteínas diseñadas para unirse a las células infectadas (D). Una vez dentro de la célula los fagos serían liberados y se unirían a las bacterias patógenas (E) introduciéndoles el complejo CRISPR y matándolas (F) sin afectar a la célula hospedadora.



La idea tiene muchas ventajas. Los fagos son muy específicos por lo que no afectarían a la microbiota normal. Además, se podrían diseñar las partículas para que solo reconocieran a las células infectadas y no a otras. Pero también es verdad que hay un poco de "cuento de la lechera". La nanotecnología necesaria para elaborar esas partículas funcionalizadas donde irán encapsulados los fagos todavía no existe. El problema es que los fagos son muy variables en morfología y un diseño de cápsula que permita la utilización para un fago no tiene porque valer para otro. Otro problema es encontrar el fago que sea capaz de unirse al patógeno que queremos eliminar. Para ello se necesitan avances en las tecnologías de cribado (screening) de fagos que permitan encontrar una aguja en un pajar de forma rápida, sencilla y barata.

Como dice el autor del artículo, la pregunta que queda al final es cómo adaptar una idea que funciona en el laboratorio al tratamiento de las futuras amenazas infecciosas. Y quien sabe, quizás diseñar en el futuro un fásmido anti-alien.

martes, 21 de noviembre de 2017

El retorno de las hormigas-zombi

Hormigas-zombi


Ya hemos hablado en este blog del hongo parásito Ophiocordyceps unilateralis también conocido como el hongo que convierte a las hormigas en zombis. Recientemente se ha publicado un trabajo en la revista PNAS que ha permitido una mejor comprensión de cómo hace el hongo para manipular el comportamiento de su hospedador.

Maridel Fredericksen, una estudiante del grupo liderado por David Hughes ha estudiado las interacciones a nivel celular entre el hongo y las células de los tejidos de la hormiga. Para ello lo que han hecho es coger hormigas y parasitarlas, o bien con O. unilateralis o con el hongo Beauveria bassiana. Este último es un hongo entomófago que invade todos los tejidos del insecto pero que no modifica su comportamiento (y que tiene interesantes aplicaciones biotecnológicas como bioinsecticida). Después han cogido las hormigas parasitadas y las han cortado en rebanadas con un grosor de 50 nanómetros. Luego han hecho fotografías microscopicas de cada una de esas rebanadas y posteriormente han reconstruido en 3D lo que han observado. ¿Parece fácil? No lo es tanto. Para hacer la reconstrucción 3D se tenían que manejar unas 2000 imágenes en las cuales hay que distinguir entre las células del hongo y las células de la hormiga. Asumiendo que una persona entrenada puede hacer dicho trabajo en 20 minutos (es mucho asumir) eso quiere decir que necesitaríamos todas las horas de un mes completo para completar el análisis. En lugar de eso lo que han hecho es colaborar con un grupo de Inteligencia Artificial para poder enseñar a un ordenador (lo que se denominan procesos "deep-learning") a distinguir entre las células fúngicas y del insecto para que posteriormente realizara la reconstrucción.


Reconstrucción tridimensional de la red fúngica que rodea las fibras musculares del insecto. En A se representa una fibra del músculo abductor de la mandíbula (en rojo) rodeado por 25 cuerpos hifales (amarillo). Clickear en la imagen para verla más grande. Las conexiones entre las células del hongo son pequeños tubos. Varias de las células tienen hifas en los polos y algunas corren paralelas a la fibra muscular (cabeza de flecha en recuadro interior). En el vídeo puede verse como se ha realizado esta reconstrucción. En B se muestran dos proyecciones diferentes de la reconstrucción. Las fibras musculares se encuentran en azul y los cuerpos fúngicos en rojo. Fuente de la imagen: Fredericksen et al. 2017.


Una vez realizadas las reconstrucciones lo que han visto es que en el caso de B. bassiana las hifas invaden todos los tejidos del insecto indistintamente. Pero en el caso de O. unilateralis lo que se han encontrado es que el micelio del hongo crece por todo el interior del insecto formando una red interconectada por unas estructuras especializadas a las que han denominado CATs por conidial anastomosis tubes. Las hifas rodean las fibras musculares de la hormiga pero sin destruirlas (puede verse la reconstrucción en este vídeo). También han visto que el hongo destruye las neuronas motoras de la hormiga asegurándose así el control muscular. Finalmente, han visto que el hongo no invade el cerebro de la hormiga. Lo que hace el hongo es controlar al hospedador de manera periférica al parecer secretando una serie de sustancias. Según Hughes, la hormiga se convierte en una marioneta en el que las cuerdas serían las hifas del hongo. Los investigadores creen que el hongo no ataca el cerebro de la hormiga hasta que se ésta no realiza el mordisco final en el envés de la hoja donde quedará fijada.

martes, 14 de noviembre de 2017

Teixobactina: cuando lo artificial es mejor que lo natural

Eleftheria terrae, una betaproteobacteria productora del antibiótico teixobactina. Origen de la imagen: Science News



En el año 2015 se descubrió la teixobactina, un nuevo tipo de antibiótico producido por la bacteria Gram negativa Eleftheria terrae. Lo más sobresaliente de la teixobactina era que su mecanismo de acción era distinto al de otros antibióticos. Inhibía la función de los lípidos II y III en el transporte de los precursores del peptidoglicano desde el citoplasma al exterior de la célula. Esa especificidad tan grande permitía suponer que no iba a ser fácil que aparecieran resistencias frente a dicho antibiótico.

Mecanismo de actuación de la teixobactina. Clikear para ampliar. A la izquierda se representa une esquema de la bacteria Gram negativa Eleftheria terrae secretando el antibiótico y éste uníéndose a las moléculas objetivo (rectángulo con la palabra TEIX). A la derecha tenemos una visión ampliada del mecanismo de acción sobre el lípido II y el lípido III que se encuentran localizados en la membrana plasmática. El interior celular estaría en la parte inferior y el exterior en la superior. En el esquema representan de manera simplificada los pasos de síntesis de los monómeros que formarán el peptidoglicano (hexágonos azules y verdes) y de los monómeros que formarán los ácidos teicoicos (elipses rojas y azules).  También se muestra el sitio de unión de la vancomicina (rectángulo rojo), que aunque afecte a la misma molécula, lo hace en un lugar diferente. Fuente: Sci-news.com 


Pero hay otros factores a tener en cuenta para que una molécula que se descubre de una bacteria del suelo llegue hasta los estantes de las farmacias. Uno de los principales es la cantidad de antibiótico que se puede obtener de un cultivo del microorganismo productor. Y aquí había dos inconvenientes: el primero es que Eleftheria terrae no es precisamente un buen microorganismo industrial de fácil crecimiento, el segundo es que la teixobactina no era sencilla de purificar a partir de los cultivos de dicha bacteria.

Evidentemente más de un grupo se ha puesto a buscar formas de producir mayor cantidad del antibiótico. Una por ejemplo es clonar los genes responsables de la biosíntesis del antibiótico en otro microorganismo que sea mucho más fácil de crecer en condiciones industriales. Otros han buscado formas de purificar más eficientemente el antibiótico. Y finalmente hay otra forma: sintetizar la teixobactina de forma artificial.

La síntesis de antibióticos artificiales no es nueva. El cloranfenicol originariamente fue descrito como un antibiótico producido por Streptomyces venezuelae, pero ahora resulta mucho más barato producirlo enteramente mediante síntesis química. Quizás pueda suceder lo mismo con la teixobactina, aunque sea un depsipéptido macrocíclico algo complejo. De hecho, las primeras pruebas para sintetizar químicamente la teixobactina no funcionaron ya que uno de los aminoácidos precursores, la enduracidina, era muy difícil de obtener.

Síntesis artificial del cloranfenicol. Fuente: Michigan State University


Pero el grupo liderado por Ishwar Singh, de la Universidad de Lincoln en el Reino Unido ha encontrado que la enduracidina puede ser sustituida por otro tipo de aminoácidos, incluyendo aminoácidos apolares como la leucina o la valina. Lo que se obtiene no es exactamente la teixobactina natural ya que su composición química es distinta, pero las nuevas moléculas funcionan igual de bien frente a las bacterias. Pero las ventajas son evidentes. Los aminoácidos utilizados son muchísimo más baratos y esto permite pensar en que probablemente se establecerá una ruta de síntesis química para producir industrialmente los análogos de teixobactina. Eso permitirá que en breve se pueda pensar en diseñar ensayos clínicos con humanos.

Teixobactina natural (izquierda) y teixobactina sintética (derecha). En rojo se indican  los D-aminoácidos y en negro los L. En azul se indica la posición de la enduracina en la teixobactina natural. En la artificial, dicho aminoácido se ha sustituido por la leucina. Fuente: Parmar et al. 2017.


Además, este avance ha permitido entender en parte como puede ser el mecanismo de acción de la teixobactina. Hasta ahora se pensaba que los aminoácidos catiónicos que presenta eran los responsables de su actuación, pero los aminoácidos usados no están cargados, así que eso parece indicar que las cargas catiónicas no están involucradas en la unión al objetivo molecular. Una nueva vía de investigacións e abre.

martes, 7 de noviembre de 2017

Altruismo microbiano

Chlorochromatium aggregatum. Las bacterias autótrofas epibiontes rodean a una betaproteobacteria móvil. Lo único que se ve de ella es el flagelo a la derecha (Fuente: Small Things Considered)


Un consorcio microbiano es una comunidad formada por un pequeño número de especies de microorganismos, generalmente dos. Su relativa simplicidad es una ventaja para su estudio experimental en el campo de la ecología microbiana. Hay varios ejemplos de consorcios microbianos, el más famoso es el que está representado en la fotografía de arriba y que se denomina Chlorochromatium aggregatum (ahora C. chlorochromatii). Está formado por unas bacterias vede del azufre fotoautótrofas (el epibionte) que rodean a una betaproteobacteria flagelada quimiorganotrofa.

En un reciente artículo de Nature Microbiology describen el estudio metagenómico de un consorcio microbiano que degrada la celulosa en condiciones aeróbicas y que está presente durante el compostaje de residuos agrícolas. Lo que han encontrado es que la dinámica de la comunidad es consistente con el desarrollo de una sucesión de microorganismos heterótrofos. Es decir, primero aparecen una serie de microorganismos degradadores que van a descomponer los polímeros biológicos en moléculas más simples, a continuación otros microorganismos degradadores y finalmente tendremos a los productores de ácidos húmicos.

Las diferentes etapas del compostaje. En la primera parte (1 a 2 semanas) intervienen los mesófilos. Posteriormente microorganismos termófilos que completan la degradación de la materia orgánica. Finalmente tenemos la etapa de maduración con la formación de los ácidos húmicos.


Lo que han encontrado estos investigadores es que al principio se establece una población pionera a la que han denominado "Candidatus Reconcilibacillus cellulovorans" y que posee un "cluster" genético que codifica para diversas hidrolasas glicosídicas, las enzimas responsables de las primeras etapas de degradación de la celulosa. Eso indica que no hay un solo tipo de hidrolasas sino varios, por lo que hay varias reacciones degradadoras de la celulosa que pueden llevarse a cabo gracias a esa población pionera. Eso es una ventaja si consideramos que el material de partida que se debe compostar suele tener un origen diverso. Pero además, dichas enzimas se organizan en grandes complejos macromoleculares muy estables que permanecen durante todo el proceso de compostaje aunque la población microbiana que los ha sintetizado ya no esté presente. Es decir, esos complejos multidominio poseen diversas capacidades celulolíticas y son una especie de “bien común” que va a beneficiar a toda la comunidad microbiana responsable del proceso de compostaje. Una lección de altruismo a pequeña escala.

Arriba (a). Abundancia relativa de las poblaciones microbianas dominantes al final de las dos semanas de compostaje. Muestras de DNA fueron recogidas a diferentes tiempos para la secuenciación metagenómica. Centro (b) Actividades de la Carboximeti-celulasa (rojo) y de la xilanasa (verde) a lo largo de los días que duró el experimento. Abajo (c) Abundancia relativa diaria de una de las poblaciones de Paenibacillaceae (rojo) comparado el resto del consorcio microbiano creciendo sobre celulosa. Nótese que las actividades enzimáticas permanecen aunque la población productora está muy disminuida. Fuente: Kolinko et al. (2017)