Bacterias kamikazes para acabar con tumores

Kamikaze attack. Fuente. Durante la Segunda Guerra Mundial los japoneses descubrieron que la mejor manera de usar a los kamikazes era en oleadas en lugar de lanzar ataques individuales y sostenidos. De esa forma podían sobrepasar a las defensas aéreas

Uno de los sueños en el desarrollo de terapias anticancerosas es diseñar una herramienta nanotecnológica que pueda ser dirigida de manera precisa al tumor y que una vez allí libere el medicamento antitumoral sin que afecte a las células sanas. Hasta ahora se han desarrollado y probado desde nanopartículas magnéticas hasta virus modificados ex-profeso. Pero ahora entra en el juego un jugador bastante más grande: la bacteria Salmonella enterica.

El grupo liderado por Jeff Hasty acaba de diseñar una bacteria que puede actuar como un vehículo capaz de ser dirigido al tumor y una vez allí, la bacteria se lisa liberando el medicamento. En principio no parece algo muy novedoso ya que dicha estrategia se ha usado con otros objetivos (ver por ejemplo el blog microBIO). La novedad consiste en que las bacterias se lisan simultáneamente cuando legan al tumor, en ciclos sincrónicos, lo cual maximiza la eficiencia del medicamento al mismo tiempo que minimiza la toxicidad.

Los tumores crean un nicho ecológico bajo en oxígeno que se parece bastante al que se encuentra en otras partes del cuerpo como por ejemplo el lumen intestinal. Esas zonas de baja concentración de oxígeno son debidas a que no suelen tener mucha vascularización. Paradójicamente eso es una ventaja para el tumor, ya que esas zonas hipóxicas están relativamente protegidas del ataque de las células del sistema inmune. Pero si la hipoxia es mala para nuestras defensas no lo es para las bacterias. Ya en el siglo XIX los médicos alemanes W. Busch y F. Fehleisen y el norteamericano W. Coley llegaron a usar bacterias patógenas para intentar destruir tumores con un cierto grado de éxito. Las bacterias proliferan en el tumor compitiendo por los recursos y al mismo tiempo estimulan al sistema inmune. Sin embargo, hay que tener cuidado con que las bacterias no proliferen demasiado o podemos pasar de tener un enfermo con un tumor a un enfermo con una septicemia. Una mejora es modificar genéticamente a la bacteria para que se lise una vez ha acabado con el tumor, pero aunque la idea sobre el papel era buena en la práctica no parecía funcionar muy bien, hasta ahora.

El problema es que para ser efectiva dicha estrategia las bacterias debían lisarse de manera simultánea (algo parecido a lo que hace el Escuadrón Suicida Macabeo de La Vida de Brian). Y eso es precisamente lo que han hecho en el grupo de Hasty. Han acoplado el llamado sistema de percepción de quorum (quorum sensing) con la capacidad de encontrar un tumor y una vez allí liberar una toxina antitumoral mediante la lisis celular. El sistema de percepción de quorum permite que las células se comuniquen entre si regulando su expresión genética en respuesta a los cambios de densidad de población.

Cómo funciona el sistema de percepción de quorum.

En las bacterias Gram negativas se necesitan al menos tres componentes para hacer funcionar un sistema de percepción de quorum . Uno es la molécula señal, la acil-homoserin-lactona (AHL, esfera roja en el vídeo). Una proteína receptora, LuxR (esfera azul en el vídeo), que se activa cuando se le une AHL. LuxR es un regulador de la transcripción que al activarse permite que se expresen unos determinados genes controlados por el promotor P_luxI, entre ellos el gen de la enzima LuxI, que producirá mucho más AHL. Eso hará que aumente la concentración de la sustancia lo que hará que se activen más LuxR de otras bacterias colindantes. La molécula AHL difunde sin problemas a través de la membrana con lo que se consigue que la concentración de dicha molécula sea similar en todas las células lo que asegura la ejecución sincronizada de cualquier programa genético controlado por LuxR

Los investigadores han usado un cepa atenuada de Salmonella enterica serovar Typhimurium para probar su sistema. Bajo el control del promotor P_luxI han colocado cuatro genes que codifican para lo siguiente: la enzima LuxI, el gen de la hemolisina E, la proteína verde fluorescente (GFP), y el gen de la proteína lítica E del fago φX174. Si hay poca densidad poblacional de bacterias entonces no hay activación de dichos genes. Pero si se alcanza una densidad crítica, se activa la transcripción de los cuatro genes. Eso produce que se acumule la hemolisina E, la GFP y la proteína E en el interior de las bacterias. Cuando se alcanza un determinada concentración de proteína E, las bacterias se lisan liberando la hemolisina E y la GFP. La primera acaba con las células tumorales y la segunda permite seguir y monitorizar a las bacterias. Pero ocurre que no todas las bacterias mueren. Unas pocas sobreviven y vuelven a repoblar el nicho. Cuando se alcanza el nivel poblacional crítico todo el proceso se vuelve a repetir con lo que se acaba en un proceso sincrónicode crecimiento, lisis bacteriana y liberación de toxina.

Construcción genética para fabricar una bacteria kamikaze que se suicide en oleadas. En a podemos ver los cuatro genes controlados por el promotor P_luxI (ver texto para la explicación). En b se muestra como la población activa la expresión de esos genes cuando llega a una determinada densidad poblacional. Debajo aparece el vídeo de como funciona dicho sistema. Fuente: Omar Din et al.  

¿Es efectiva esta estrategia? Los científicos lo han probado en ratones en combinación con quimioterapia. Han encontrado que los tumores se veían reducidos de tamaño, pero no conseguían hacerlos desaparecer y al final se volvían resistentes al tratamiento. Está claro que no es una panacea, pero es un paso más en el desarrollo de nuevas terapias

Esta entrada participa en la LIX Edición del Carnaval de Química cuyo blog anfitrión es Hablando de Ciencia.

Enlaces de interés: En el blog Microbichitos encontrarás Un intermitente de bacterias verdes para frenar a las células malignas por Miguel Vicente.

Referencias:

M. Omar Din, Tal Danino, Arthur Prindle, Matt Skalak, Jangir Selimkhanov, Kaitlin Allen, Ellixis Julio, Eta Atolia, Lev S. Tsimring, Sangeeta N. Bhatia & Jeff Hasty. Synchronized cycles of bacterial lysis for in vivo delivery. doi:10.1038/nature18930

Shibin Zhou. Synthetic biology: Bacteria synchronized for drug delivery. doi:10.1038/nature18915

Supernova bacteriana

La fotografía de arriba es una composición realizada por Jeff Hasty, de la Universidad de California San Diego. Es una composición de tres imágenes. Por un lado las grandes bacterias son imágenes obtenidas con un microscopio electrónico de barrido a las que se ha aplicado falso color. Debajo de ellas puede verse una colonia bacteriana de E. coli fotografiada con un microscopio óptico. Las bacterias han sido manipuladas para actuar como relojes que emiten un flash sincrónicamente. La "supernova" explosiva se produce cuando las bacterias han alcanzado una determinada densidad celular (mecanismo de quorum sensing). Finalmente, en la parte inferior puede verse un diagrama del cuaderno de notas de Christiaan Huygens, que fue el primero en describir la sincronización de osciladores en el siglo XVII.

Aquí tenéis el espectacular vídeo de la "supernova":

Y aquí otro vídeo mostrando a cientos de colonias de E. coli "flaseando" en sincronía.

Esta entrada participa en el XII Carnaval de la Biología que aloja "Blog de laboratorio" y en el XXX carnaval de la Física que se aloja en "La Enciclopedia Galáctica".

Sepias espaciales

A cualquiera que le guste la saga de "La Guerra de las Galaxias" recordará una escena de "El Retorno del Jedi" en la que el almirante al mando de la flota estelar de los rebeldes era una especie de calamar. Bueno, pues ahora la NASA ha mandado a unas cuantas de sus parientes al espacio en el último vuelo de la lanzadera Endeavour, y su misión también será importante. Nada menos que determinar si la falta de gravedad puede afectar al comportamiento de las bacterias simbiontes.

Euprymna scolopes al microscopio electrónico de barrido en falso color(Fuente: New Scientist)

Euprymna scolopes, es una sepia de unos 3 cm de tamaño que vive en las aguas de Hawai. En el mundo de la microbiología es conocida porque suele establecer una simbiosis con la bacteria Vibrio fischeri. La sepia posee en su parte ventral una bolsa que está repleta de dichas bacterias. ¿Y para qué le sirve tenerlas ahí? Pues para generar luz.

Vibrio fischeri al microscopio electrónico, al microscopio de fluorescencia y cultivado en una placa petri (Fuente de las imágenes: PNAS, Microbewiki y Journal of Bacteriology)

Vibrio fischeri es una bacteria bioluminiscente. En su genoma se encuentran unos genes llamados lux que codifican, entre otras cosas, a la enzima luciferasa. Esta enzima es capaz de generar luz mediante una reacción bioquímica. Pero, si observamos a una bacteria bajo el microscopio no veremos una pequeña bombillita nadadora. La emisión de luz requiere que haya una determinada densidad de población bacteriana. Es decir, si hay pocas bacterias, no hay bioluminiscencia. Si hay muchas, entonces comienzan a brillar. Luego Vibrio fischeri es capaz de detectar la densidad de población de sus congéneres. Es lo que se llama en biología, sentido de quorum (o en inglés quorum sensing)

Mecanismo de quorum y bioluminiscencia. Cuando hay pocas bacterias no hay gran cantidad de moléculas inductoras (pentágonos rojos). Cuando hay muchas, hay una gran cantidad de moléculas inductoras que inducirán una gran expresión de los genes lux y por tanto de producción de luz (Fuente: Universidad de Zurich)

La sepia Euprimia scolopes alimenta con azúcares y aminoácidos a las bacterias que contiene su órgano luminiscente para así conseguir una gran densidad celular y poder emitir una potente luz. Si hiciéramos una disección de dicho órgano encontraríamos que no es una simple bolsa. En la parte más interna las paredes de la bolsa están recubiertas de una proteína conocida como reflectina. Y su función precisamente es reflejar la luz. En la parte de la bolsa que da al exterior, lo que hay es unas proteínas que forman una lente. El saco de tinta además está modificado para actuar como una especie de diafragma. De esa forma la sepia puede regular la intensidad del haz de luz que generan las bacterias bioluminiscentes.

Tejidos reflectantes de E. scolopes. Clikear en la imagen para agrandarla (A) Localización de los tejidos reflectivos en una disección ventral (dg, glándula digestiva ; er, reflector ocular; lor, órgano reflector de luz; m, manto) y no reflectivos (el, lentes oculares; g, branquias) En el cuadro pequeño se puede ver al animal adulto emitiendo luz. (B) Microfotografía de la disección del órgano luminoso (pequeña línea naranja de la foto A). El epitelio central (e) está rodeado del reflectante (lor), que a su vez está rodeado de divertículos de la bolsa de tinta (is). El tejido de la lente (lol) está localizado en la superficie ventral del órgano luminoso. (C) Imagen de microscopía electrónica de transmisión del cuadrado naranja en B. Pilas de placas con material reflector (p) entre fibras de tejido conectivo (ct) y gránulos de tinta (ig). (D) Placas de material reflectante magnificadas. En su interior se encuentra la reflectina. (Fuente: Crookes et al.)

Y eso es muy importante para la sepia. Euprimia scolopes es un cazador nocturno. Durante el día se entierra en la arena. Por la noche abandona su escondite y caza pequeñas gambas. Pero con 3 cm de tamaño, la sepia corre el peligro de ser el cazador cazado. Muchos depredadores se colocan en el fondo y cuando observan alguna silueta recortada en el cielo estrellado van a por ella. Pero la sepia tiene un camuflaje infalible. La luz emitida por sus bacterias hace que se parezca a una estrella más.

Cuando llega el día, la sepia vuelve al fondo arenoso a enterrarse. Pero antes de hacerlo expulsa el 95% de las bacterias de su interior. Se piensa que sería muy costoso para la sepia el mantenerlas vivas durante todo el tiempo que no está alimentándose. De esa forma, las bacterias vuelven a crecer en el interior del órgano, aunque también vuelve a recapturar algunas mientras respira el agua de mar. Y las bacterias que han sido liberadas pueden buscar una nueva sepia como hospedador.

Euprymna scolopes enterrándose en la arena(Fuente: Wikipedia)

La simbiosis mutualista entre Vibrio fischeri y Euprimia scolopes no es obligada, pues cada uno de ellos puede vivir sin el otro. Pero ciertamente es muy íntima y por eso es un buen modelo para estudiar el establecimiento de una simbiosis entre un animal y una bacteria. La relación entre ambas comienza desde muy temprano en la vida de la sepia. Nada más nacer las sepias comienzan a interaccionar con todos los microorganismos presentes en el agua de mar. Una de las cosas que hacen es generar una sustancia mucosa alrededor de los poros que dan entrada al órgano bioluminiscente. La síntesis de dicha mucosidad se ve estimulada por el peptidoglicano, el componente esencial de las paredes bacterianas. Ese moco es una primera barrera para las bacterias, pues sólo las que estén flageladas como Vibrio pueden nadar dentro de él y llegar al interior.

Hay otras barreras que impiden que el interior de la sepia sea colonizada. La sepia produce una peroxidasa que utiliza el peróxido de hidrógeno para producir especies reactivas del oxígeno que acaben con las bacterias. Vibrio fischeri evita ese ataque simplemente generando una catalasa que destruye el peróxido de hidrógeno antes de que pueda ser usado por la peroxidasa. Una vez que V, fischeri alcanza el interior del órgano bioluminiscente pierde la flagelación y se agrupa formando un biofilm.

Pues bien, según se cuenta en la revista New Scientist lo que se quiere saber es si la falta de gravedad puede alterar el establecimiento de la simbiosis entre la sepia y la bacteria. Para ello, en el Endeavour se han mandado unas sepias recién nacidas que no han estado en contacto con la bacteria y que serán incubadas con ellas durante 28 horas. Posteriormente las sepias con sus bacterias serán fijadas y se analizará que ha pasado. Se espera que los resultados puedan ayudar a entender o prever posibles problemas en otro tipo de simbiosis mucho más diversas y complejas: las de los seres humanos con su microbiota.

Esta entrada participa en el IV Carnaval de la Biología organizado por BioUnalm, y en el V Carnaval de la Química y el XIX Carnaval de la Física organizado por Scientia.

Crookes, W. (2004). Reflectins: The Unusual Proteins of Squid Reflective Tissues Science, 303 (5655), 235-238 DOI: 10.1126/science.1091288

Visick KL (2009). An intricate network of regulators controls biofilm formation and colonization by Vibrio fischeri. Molecular microbiology, 74 (4), 782-9 PMID: 19818022