Construyendo bacterias para mantenernos sanos

Algunos de los billones de bacterias que viven en el intestino, incluidos virus, eucariotas y arqueas, sintetizan algunos de los neurotransmisores responsables de los nervios, la ansiedad y la euforia.

Cuando no tiene suficiente, o tiene demasiado, de cualquiera de estas hormonas, su salud mental puede verse afectada.

Tae Seok Moon, profesor asociado en el Departamento de Energía, Medio Ambiente y Ingeniería Química de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis, dice que personalmente ha experimentado este desequilibrio. Y está trabajando en una solución: bacterias modificadas genéticamente que pueden controlar la producción química del intestino de una persona y corregir cualquier desequilibrio.

Su investigación fue publicada el 11 de noviembre en la revista Sistemas celulares.

«Es un trabajo difícil de hacer», dijo Moon, «mantener los neurotransmisores en equilibrio». Pero ya ha comenzado. En 2017, Moon recibió una subvención para diseñar un probiótico específicamente destinado a proteger a las personas de los efectos adversos para la salud de los picos de adrenalina.

El método de Moon implica el desarrollo de un «sensor bacteriano» que puede detectar ciertas sustancias químicas en el intestino de una persona. Trabajó en sensores similares en su laboratorio con el objetivo de diseñar genéticamente un tipo de sistema modular con diferentes sensores. Ya había desarrollado sensores de temperatura, pH, niveles de oxígeno, luz, contaminantes y otras sustancias químicas relacionadas con enfermedades.

La especificidad es la clave

Moon no es la primera persona en desarrollar este tipo de sensores, pero hasta ahora han sufrido principalmente de falta de especificidad. Los sensores pueden tener problemas cuando se trata de diferenciar entre moléculas estructuradas de manera similar.

«La especificidad en la ingeniería es uno de los grandes desafíos», dijo Moon. «Pero hemos demostrado que se puede hacer».

La prueba está en la ingeniería genética. Escherichia coli Nissle 1917 (EcN), que tiene un sensor para un solo tipo de molécula.

El equipo pudo comenzar con una ruta de sensor que se encuentra naturalmente en las bacterias. El primer autor Austin Rottinghaus, un estudiante de doctorado en el laboratorio de Moon, y otros miembros del laboratorio utilizaron modelos informáticos para explorar cómo las mutaciones afectarían la sensibilidad de la ruta. Los investigadores pudieron desarrollar una vía de sensor que era sensible a las moléculas que les interesaban, y solo a esas moléculas.

Se incorporaron sensores en EcN, convirtiendo a las bacterias en cazadoras de precisión. Podrían discriminar entre fenilalanina (Phe) y tirosina (Tyr), dos moléculas estructuralmente similares asociadas con trastornos (PKU) y tirosinemia tipo 2, respectivamente.

El equipo también desarrolló sensores para feniletilamina (PEA) y tiraamina (Tyra) de estructura similar, las cuales se encuentran en los alimentos y los intestinos.

Con esta prueba de concepto, el laboratorio de Moon ahora puede trabajar en el desarrollo de un actuador, una proteína que actuará en función de la información recopilada por el sensor. Por ejemplo, la PKU es una enfermedad genética que hace que los niños acumulen demasiada fenilalanina. Una bacteria completamente diseñada puede tener un sensor para detectar el aminoácido y un actuador que puede degradarlo si los niveles de fenilalanina son demasiado altos.

Estos tipos de organismos modificados pueden ser útiles más allá de un entorno médico. También se pueden usar para monitorear la calidad de los alimentos o para regular las vías de la ingeniería metabólica microbiana, los procesos que se usan para crear muchos productos farmacéuticos, combustibles u otros productos químicos.

Sin embargo, debido a sus experiencias, Moon está personalmente más interesado en las bacterias que pueden detectar niveles de neurotransmisores en el intestino. «Si los niveles son demasiado altos, las bacterias producen una enzima que degrada el químico objetivo. Si es demasiado bajo», dijo, «las bacterias producen una enzima que puede sintetizar más».

Aproximadamente el 95% de la hormona serotonina es sintetizada por bacterias en el intestino. Cuando este y otros neurotransmisores están fuera de control, una persona puede sufrir mucho, dijo Moon. Quiere acabar con este sufrimiento.

«Este es el comienzo de nuestra solución de ingeniería».