Gracias, bacterias

En estos tiempos aciagos de recortes y déficits presupuestarios, es cada vez más difícil justificar las investigaciones que se llevan a cabo en el ámbito científico. En un mundo ideal, no habría porqué justificar ninguna investigación que supusiese un avance en el conocimiento; pero lamentablemente siempre ha habido una necesidad de buscar el aspecto práctico de las investigaciones para compensar el «gasto» que supone para una sociedad. Por esta razón debemos entrecomillar lo de “gasto” y reemplazar este término por el de “inversión”, pues el conocimiento siempre y en cualquier circunstancia va a suponer un beneficio en sí mismo. Algo que se escapa generalmente a los que enarbolan la bandera de la aplicabilidad por encima de todo, es que en la inmensa mayoría de casos en que se ha hecho un descubrimiento o un avance de gran magnitud, no se ha debido a una búsqueda concreta y enfocada de dicho avance en particular. De hecho, lo más común es que las aplicaciones y ventajas de cierto conocimiento surjan a posteriori, y es muy frecuente que dichos usos ni siquiera se imaginasen en un principio. Para ilustrar esto, hoy voy a hablaros de algunos avances tecnológicos importantísimos, surgidos a raíz del estudio de unas formas de vida humildes y a veces injustamente marginadas: nuestras amigas las bacterias.

Las bacterias son tan diminutas que sólo las vemos cuando han crecido por millones sobre una superficie, dando lugar a estos mogolloncitos que llamamos «colonias». En esta foto, se puede observar colonias de aspecto diferente que corresponden al crecimiento de 3 especies distintas: Pseudomonas aeruginosa, Enterococcus faecalis y Staphylococcus aureus (fuente)

Las bacterias son esa clase de organismos que lamentablemente se hacen populares a base de mala fama. Bien es cierto que no pocas especies de bacterias son responsables de severas enfermedades que nos afectan a los humanos (tan graves como el cólera o la tuberculosis), y que precisamente una de las primeras cosas que se conocieron de las bacterias es que causaban enfermedades. La primera impresión es la que cuenta y a pesar de que con el paso del tiempo las virtudes y ayudas que las bacterias han supuesto para la Humanidad son innegables, siguen arrastrando una connotación negativa en su nombre que hace que cualquiera ponga muecas cuando se le habla del tema. Hay bacterias en el agua insalobre, bacterias que contaminan las heridas, bacterias apostadas siniestramente en los aires acondicionados… sin embargo, cada vez es más popular el conocimiento de otros beneficios de las bacterias, hasta el punto que publicitar yogures infestados de ellas es una estrategia de márketing exprimida hasta el ridículo. Esto se debe al hecho de que las bacterias no sólo forman parte de nuestros ecosistemas en abundante proporción (que no las veamos no significa que no estén ahí), sino que forman parte de nuestro organismo y gracias a ellas somos capaces de digerir y procesar alimentos que por nosotros mismos no podríamos (de ahí a las mágicas propiedades de los yogures con bacterias, eso sí, hay un trecho).

Pero no entraremos en todas estas virtudes de nuestra vida en comunidad con las bacterias. Retrotraigámonos a los albores de la biología molecular y pongámonos en la piel de los investigadores que decidían utilizar estos organismos tan sencillos (constituidos por una única célula) y tan fáciles de reproducir en ingentes cantidades en un laboratorio para estudiar la vida desde una aproximación simplificada. Estudiando las bacterias se desentrañaron muchos de los mecanismos moleculares que se dan en todos los seres vivos (la suerte de haber evolucionado a partir de ancestros comunes hace que estos mecanismos sean extremadamente parecidos), y los investigadores se han ido encontrando con una serie de herramientas que la bacteria usa para sus propios fines, pero que pronto demostraron valer para mucho más en manos de un sagaz investigador. Os voy a comentar 4 de estas herramientas porque conforman el núcleo de la mayor parte de estrategias utilizadas diariamente en ingeniería genética para manipular los genes de cualquier organismo a nuestro antojo:

1- Buscando y copiando genes: ADN polimerasa

Esta proteína con actividad enzimática es la responsable de copiar y extender cadenas de ADN: una molécula indispensable para cualquier organismo pues permite la replicación del ADN, nada menos (recordemos que el ADN es el constituyente de nuestro genoma, el libro de instrucciones para la formación de cualquier organismo vivo). El descubrimiento de bacterias que habitaban ecosistemas de temperaturas extremas llevó a conocer ADN polimerasas capaces de replicar el ADN en condiciones de temperatura donde éste se encuentra desnaturalizado, es decir, separado en las dos hebras que lo conforman. Este hecho facilitó el desarrollo de la técnica conocida como PCR (reacción en cadena de la polimerasa) gracias a la cual mediante ciclos de aumento y disminución de temperatura, se consigue en cuestión de minutos amplificar secuencias de ADN y producir las grandes cantidades necesarias para detectar, ampliar y manipular los genes. Todos tenemos ADN polimerasas en nuestro interior, pero no fue hasta que se descubrió este microorganismo (siendo estrictos, se trata en este caso de una arqueobacteria) tan peculiar que se pudo facilitar en gran medida la técnica con el fin que comentamos. Así pues, disponiendo de esta herramienta y la información cada vez más completa recopilada en las bases de datos informáticas, podemos elegir nuestro gen favorito de nuestra especie favorita y comenzar a jugar con él. Una vez lo tenemos amplificado, vamos a ver cómo lo manipulamos. 

Thermus aquaticus, microorganismo que alberga la ya famosa Taq Polimerasa (fuente)

2- La navaja suiza de los ingenieros moleculares: los plásmidos

Otro de los fascinantes descubrimientos del mundo bacteriano fue que estos seres poseían, además de una cadena de ADN genómico responsable de contener la información del organismo, unas moléculas de ADN accesorias y más pequeñas, de forma circular, a las que se llamó plásmidos. En los plásmidos se incluye información genética que dota a la bacteria de propiedades adicionales, y es un material que se puede intercambiar entre individuos. Independientemente de las implicaciones evolutivas de este hecho, la aplicación práctica para un investigador es de una magnitud colosal: la tecnología de los plásmidos permite crearlos a nuestro gusto, combinando propiedades de replicación y de expresión de proteínas, y encadenando en ellos los genes que desemos reproducir. El día a día de la investigación molecular se hace mediante combinación de los genes de estudio en distintos plásmidos que nos permiten expresarlos en diferentes organismos, y permiten modificar fácilmente dichos genes para provocar que la proteína resultante adquiera propiedades que no tenía antes. Como las bacterias y casi todas las células son capaces de incorporar plásmidos a su interior con la metodología adecuada, tener los genes incluidos en plásmidos es la manera de llevarlos de un organismo a otro para investigar tranquilamente con ellos. La forma de hacer todo esto es, conceptualmente, de una sencillez aplastante: basta con “cortar” el plásmido para abrir el anillo, y “pegar” el gen de interés volviendo a cerrar luego. Para eso necesitaremos únicamente dos herramientas más.

Esquema de una bacteria donde se muestra el ADN genómico (bacterial DNA) y unos plásmidos (plasmids) (fuente) 

 3- Tijeras moleculares: los enzimas de restricción

Estas proteínas, que la bacteria utiliza en principio para degradar (cortar a trocitos) ADNs extraños que por alguna razón le hayan entrado sin pedir permiso (léase virus), se convierte en manos de los investigadores en algo fundamental. Cada enzima de restricción corta secuencias concretas, y su uso conjunto permite decidir por dónde cortar para posteriormente pegar nuestros genes y plásmidos y realizar así las combinaciones que comentábamos en el apartado anterior. Recordemos que desde que hemos aprendido a secuenciar, es decir, leer los genomas de los organismos, podemos trabajar «a la carta» con prácticamente cualquier gen imaginable. Si queréis saber más de estos peculiares enzimas, recomiendo encarecidamente leer este artículo.

Ya tenemos la manera de amplificar genes, cortarlos y un soporte para manipularlos y transportarlos entre organismos. Sólo queda saber cómo pegarlos.

Uno de los más famosos enzimas de restricción es HinDIII, aislado a partir de la bacteria Haemophilus influenzae. Tan famoso es que hay quien le ha dedicado un blog y todo (fuente)

4- Dejando todo bien arregladito: ligasas

Después de todo lo repasado hasta el momento, a nadie sorprenderá que las bacterias dispongan de unas proteínas capaces de unir fragmentos de ADN separados, para reparar errores en la replicación, o las roturas del ADN que producen daños como la luz ultravioleta. Esta es la labor que desempeñan las ADN ligasas, las cuales aprovechamos para juntar esos trocitos de ADN con los que hemos estado confeccionando nuestras herramientas de trabajo. Así que ya tenemos lo que necesitamos: abrir y cerrar plásmidos, encadenando fragmentos de genes “al gusto”, se convierte en una estrategia de “cortar y pegar”, tal y como suena.

 Esquema del funcionamiento de las ADN ligasas, cuyo trabajo es en general más fácil si existen trozos de cadena de ADN en forma simple (extremosprotuberantes) (fuente)

Evidentemente, hemos simplificado mucho todo el proceso. Pero a grandes rasgos este es el procedimiento cotidiano mediante el cual podemos trabajar con los genes de los organismos de una manera inimaginable hace décadas. El día a día del laboratorio consiste en amplificar genes, cortarlos, llevarlos de un plásmido a otro, para a continuación introducirlos en organismos modelo (celulares o animales) y estudiar el efecto de su inactivación, de su hiperactivación, de mutaciones… las posibilidades que se abren para el estudio de los procesos biológicos son infinitas. Puede parecer ciencia ficción, pero esto lo hacemos cotidianamente en innumerables laboratorios a lo largo y ancho del globo, y mediante esta tecnología se ha conseguido por ejemplo: producir insulina en cantidades ingentes sin necesidad de extraerla de ningún animal, crear vacunas más seguras y específicas, analizar mutaciones responsables de enfermedades humanas y cómo contrarrestar su efecto, y recabar una cantidad ingente de información que algún día, a su vez, supondrá la base para aplicaciones tecnológicas que no podemos ni tan siquiera imaginar.

Y todo ello, gracias a estos organismos tan diminutos como asombrosos. Los pioneros en la colonización de nuestro planeta, moldeadores de nichos ecológicos y facilitadores de procesos digestivos. Algunos de ellos son nuestros enemigos, pero tanto ellos como los más beneficiosos nos han proporcionado las claves para entender y manipular la base de la vida. Creo que es razón más que suficiente para estarles agradecidos.

 Carlos Romá Mateo

Dr. Litos