El sueño de la bacteria virtual se hace realidad
Por Susana Gallardo
La ciencia ha logrado descifrar el genoma de muchos organismos vivos, además del humano, y ahora, con esa información, se dispone a construir una bacteria con herramientas informáticas. Un equipo de investigadores de Canadá intenta construir una versión virtual de la conocida Escherichia coli.
Luego de haber logrado identificar la secuencia genética de diversos organismos, los investigadores se disponen ahora a construir una bacteria, molécula a molécula, en el interior de una computadora. Este es el objetivo de Michael Ellison, un biólogo de la Universidad de Alberta, en Canadá.
Los investigadores parten del supuesto de que la comprensión de cómo se ensamblan e interactúan las diversas partes de un organismo va a permitir un gran avance de la biología. De este modo, según argumentan, los biólogos serán capaces de interpretar la vida de manera tan profunda como los ingenieros llegan a comprender el puente o el avión que han construido.
Según ellos, será imposible conocer en detalle la biología hasta tanto no sea posible simular un organismo vivo.
Ellison forma parte de un equipo internacional de investigadores que intentan que el sueño se haga realidad y, para ello, han decidido recrear la Escherichia coli, una humilde habitante de los intestinos humanos que ha sido, durante décadas, la especie favorita de la experimentación biológica.
Según Ellison, eligieron el “organismo más simple acerca del cual se conoce mucho”. Sin embargo, la tarea no será sencilla.
Lo cierto es que, por más simple que sea la bacteria en cuestión, es muy compleja para ser recreada en una computadora. Pero vale el esfuerzo, según afirman los investigadores, porque será una herramienta poderosa para probar drogas, realizar ingeniería genética y comprender los misterios más profundos de la vida.
"Tener el modelo de una bacteria virtual nos permitiría predecir las consecuencias de determinados cambios en el entorno, o en la constitución genética del organismo, en su comportamiento. Por ejemplo, podría ayudar a determinar qué es lo que induce a que organismos normalmente inofensivos ataquen a su hospedador, tornándose una amenaza para la salud. También sería muy útil en el caso de los microorganismos que se utilizan en procesos biotecnológicos, ya que permitiría determinar qué elementos del medio, o qué procesos metabólicos conviene modificar para obtener un mejor rendimiento del proceso", explica la doctora Julia Pettinari, profesora de Microbiología en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA.
Una bacteria con trayectoria
La
Escherichia coli fue descubierta en 1885, pero su popularidad hizo
eclosión en la década de 1940 cuando los investigadores se dieron cuenta que la
podían utilizar para indagar los secretos de los genes. En 1970 pudieron
insertar ADN extraño en el interior de la bacteria y, de este modo, la
transformaron en una fábrica de compuestos valiosos, como la insulina.
Pero ¿por qué E. coli? "Este microorganismo es un habitante normal de nuestra flora intestinal y desde el principio fue el favorito de los investigadores, debido a la facilidad con que crece y es manipulado en el laboratorio. Además, tiene una gran versatilidad metabólica, ya que puede utilizar muchos sustratos diferentes para crecer, y adapta fácilmente su metabolismo a diferentes condiciones nutricionales y de aireación. Debido a esto, es empleado en varios procesos biotecnológicos, muchas veces utilizando cepas que contienen genes provenientes de otros microorganismos", detalla Pettinari, que es también investigadora del Conicet, y agrega: "Por otra parte, algunas cepas han cobrado notoriedad debido a su capacidad patogénica, como en el caso de la célebre bacteria de las hamburguesas, E.coli O157:H7. El estudio del comportamiento de estas cepas patógenas tiene por supuesto una gran importancia sanitaria".
La investigación en E. coli se aceleró a partir de 1997, cuando se publicó su genoma completo. Así fue posible inspeccionar sus 4.288 genes y descubrir de qué manera algunos de ellos se agrupaban y trabajaban en equipo para descomponer los nutrientes, hacer nuevas copias de ADN y realizar otras diferentes tareas.
Algunos investigadores especularon que en poco tiempo podrían entender cómo trabajan en conjunto los diferentes componentes de la bacteria. En realidad, esto, ya en 1967 había sido el deseo de Francis Crick (que junto con James Watson determinó la estructura del ADN en 1953).
Pero este era casi un sueño imposible. En efecto, E. Coli posee unos 60 millones de moléculas biológicas, lo cual convierte la tarea en algo extremadamente difícil de llevar a cabo.
Sin embargo a fines de 1990 la meta ya parecía posible de alcanzar. No obstante, a pesar de las décadas de investigación, muchos de los genes de E. coli siguen en el misterio. Para poder avanzar en este conocimiento, los expertos en el tema están juntando fuerzas, y en 2002 formaron la Alianza Internacional Escherichia coli, con el fin de organizar proyectos en conjunto.
En uno de los proyectos, los investigadores crearon más de 3.900 cepas diferentes de E. coli, a cada una de las cuales les falta un gen.
A medida que aumenta el conocimiento acumulado acerca de E. coli, los investigadores han comenzado a construir modelos del microbio para capturar parte de su comportamiento. Por ejemplo, Bernhard Palsson, de la Universidad de California en San Diego, está realizando modelos del metabolismo de la bacteria. Al igual que otros organismos vivos, E. coli descompone los nutrientes por medio de enzimas, reduciendo las moléculas paso a paso.
Luego
emplea otras enzimas para reconstruir nuevas moléculas con los fragmentos
existentes. Palsson y sus colegas pudieron reconstruir las interacciones de más
de mil genes del metabolismo.
Los investigadores pueden predecir con qué velocidad un microbio puede crecer a partir de diferentes fuentes de nutrientes, o cómo cambia su crecimiento si se eliminan ciertos genes. Sobre la base de experimentos con E. coli real, los investigadores encuentran que el modelo da predicciones correctas el 78 por ciento de las veces. Ahora están ampliando el modelo a 2 mil genes.
Al mismo tiempo, investigadores del laboratorio de Philippe Cluzel, de la Universidad de Chicago, se han interesado en el movimiento de E. coli, que tiene varios flagelos que giran unas 270 veces por segundo. Si giran en el sentido contrario al de las agujas del reloj, se envuelven e impulsan a la bacteria uniformemente, mientras que si lo hacen en la otra dirección, se abren unas de otras e imprimen a la bacteria un movimiento errático. De este modo, los científicos han descubierto que la E. coli se mueve con avances y giros alternativos.
Para comprender estos procesos, los investigadores crearon una E. coli virtual que puede sensar su entorno y “decidir” cómo nadar. Los científicos simulan las reacciones químicas que transportan las señales desde los sensores a los motores, y pueden rastrear la trayectoria de la bacteria a través del espacio de tres dimensiones. La E. coli virtual nada en forma bastante parecida a la bacteria real.
Lo que esperan los investigadores es que este modelo permita comprender otras decisiones que toman las células. Éstas “deciden”, por ejemplo, dividirse en respuesta a ciertas señales, y, como se sabe, la división celular desenfrenada puede llevar al cáncer. La comprensión de las decisiones de E. coli puede ayudar a los investigadores a desentrañar las decisiones de células más complejas, como las humanas.
El modelo de E. coli debería ser capaz no sólo de nadar sino también de alimentarse, defenderse de la invasión de virus, hacer copias de ADN y muchas cosas más. Los científicos consideran que la construcción de un modelo que realice diferentes tareas puede ser muy difícil.
Los investigadores consideran que a través de estos modelos será posible hacer una ingeniería genética “real”. Por ingeniería genética real ellos se refieren a la posibilidad de diseñar un organismo o efectuarle cambios importantes.
La E. coli virtual va a permitir que los investigadores puedan ver con anticipación cómo ciertos cambios pueden afectar un organismo.
Sin duda ello abrirá muchísimas posibilidades. "Hasta ahora, las preguntas acerca del comportamiento de los organismos se han contestado mediante experimentos, pero no siempre es fácil realizarlos, ni interpretar los resultados obtenidos de manera completa. Disponer de un modelo virtual permitiría realizar sólo los experimentos clave para corroborar las predicciones, obteniendo mucha más información, y realizando un análisis más profundo y exhaustivo", señala Pettinari.
Y la investigadora concluye: "Cada vez se está más cerca de conocer la función de todos los genes que constituyen un ser vivo. Cuando se logre obtener un modelo capaz de predecir cómo se comporta ese organismo en las diferentes condiciones que encuentra en su entorno, estaremos frente a un organismo virtual tan 'real' como el verdadero, que reaccione frente al ambiente igual que su imagen de 'carne y hueso”.
Para leer más:
Nucleic Acids Res. 2004 January 1; 32
The CyberCell Database (CCDB): a comprehensive, self-updating, relational database to coordinate and facilitate in silico modeling of Escherichia coli
Shan Sundararaj, Anchi Guo, Bahram Habibi-Nazhad, Melania Rouani, Paul Stothard, Michael Ellison, and David S. Wishart