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Última actualizaciónJue, 25 Nov 2021 10am

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Diseñando bacterias que detectan sustancias peligrosas

Localizar la presencia de minas antipersona gracias a señales ópticas emitidas por bacterias podría servir para abordar un problema que afecta a muchos miles de personas en situaciones de post-conflicto. En esta dirección, son prometedores los resultados de un equipo del Centro Nacional de Biotecnología (CSIC) que aplica la ingeniería de bacterias a cuestiones medioambientales.

 

Bacterias con la proteina XylR modificada detectan restos de explosivos.La instalación de minas antipersona en el suelo es una actividad relativamente sencilla, mientras que su detección y desactivación es mucho más complicada, costosa y peligrosa. Las principales dificultades radican en el reducido tamaño de las minas y en el uso de materiales no metálicos, utilizados precisamente para no ser detectadas. Actualmente la extracción manual continúa siendo la manera más extendida para la eliminación de estos artefactos explosivos (con la ayuda de animales y de robots), pero desde hace unos años se están explorando nuevas tecnologías para permitir una detección más segura y efectiva.

En este sentido, cabe destacar la línea de investigación que está desarrollando el grupo de Microbiología Medioambiental Molecular del Centro Nacional de Biotecnología (CSIC), que estudia la posibilidad de utilizar las bacterias del suelo, específicamente programadas, como detectores de minas antipersona.

Microorganismos genéticamente modificados

El uso de microorganismos genéticamente modificados para la remediación de episodios de contaminación con sustancias químicas, tóxicas o peligrosas, es un campo de investigación que se viene explorando desde hace un par de décadas. La emergencia de la ingeniería genética tuvo un papel muy relevante en su desarrollo y también generó ambiciosas expectativas. Ahora bien, en el transcurso de los años los investigadores se han dado cuenta de que la “ingeniería de microorganismos” es algo mucho más complejo de concebir de lo que quizás se pensó en un inicio. Las bacterias, aunque constituyen un modelo bastante simple de organización, presentan cierta complejidad y “no siempre es fácil reprogramarlas para que hagan aquello que se quiere”, explica Aitor de las Heras, investigador del Centro Nacional de Biotecnología (CSIC).

“No siempre es fácil reprogramar las células para que hagan aquello que se quiere”

Ahora, la emergencia de la denominada biología sintética está ofreciendo un marco en el que superar las limitaciones con las que se han encontrado los investigadores en el pasado. Se proponen diseños más robustos (estandarización, ortogonalidad, modularidad, etc.) para la incorporación en las células vivas de circuitos biológicos, compuestos por ADN y proteínas, programados para desempeñar nuevas funciones. En este contexto, un grupo del Centro Nacional de Biotecnología (CSIC) está desarrollando varias líneas de investigación que combinan la microbiología ambiental y la biología sintética con la intención de (re)diseñar bacterias para finalidades ambientales. Entre ellas, destaca la generación de unas bacterias que son capaces de detectar y emitir una señal óptica en presencia de algunas sustancias explosivas que son características de las minas antipersona.

Rediseñar una bacteria

El trinitrotolueno (TNT) es un componente habitual de las minas antipersona; y también es frecuente encontrar un pequeño porcentaje -inferior al 10%- de  alguno de sus derivados (1,3 dinitrobenceno y 2,4 dinitrotolueno). Parece ser que estas sustancias, con el tiempo, se filtran en el terreno circundante del artefacto explosivo.
El grupo Microbiología Medioambiental Molecular (MEML, por sus siglas en inglés) que dirige Víctor de Lorenzo en el Centro Nacional de Biotecnología (CSIC) partió de la idea que, si estas sustancias están presentes en el terreno, se podría modificar las bacterias que son habituales del suelo (en concreto, Pseudomonas putida) para que produjeran una reacción visible en su presencia. Desafortunadamente, no se conocía ninguna proteína que fuera capaz de responder ante la presencia de nitrotoluenos induciendo la expresión de genes. No obstante, se consideró el hecho de que en Pseudomonas putida existen algunas proteínas que participan en la regulación de las vías de degradación del tolueno las cuales podrían servir de base para el diseño de la bacteria “sensor”.

Pseudomonas putida, organismo de referencia en biotecnología ambiental.

Los investigadores del MEML (http://www.cnb.uam.es/~meml/ ) centraron su atención en la proteína XylR -codificada por el plásmido TOL pWW0- que controla la actividad del promotor Pu, el cual permite o bloquea la degradación del tolueno y del xilenos. Concretamente, crearon una extensa serie de variantes de la proteína XylR para encontrar posibles candidatas a actuar como biosensores. Para ello, se hizo una selección in vitro de aquellas variantes XylR que inducían una mayor actividad del promotor Pu en respuesta a nitrotoluenos. Las variantes de la proteína XylR que finalmente fueron seleccionadas se fusionaron a marcadores lux o GFP (que emiten una señal luminosa o fluorescente, respectivamente) y, finalmente, se dispersaron células de Pseudomonas putida portadoras de esta construcción en un sistema experimental (que los investigadores llaman microcosmos) que contenía 2,4 dinitrotolueno.
Los resultados mostraron que esas bacterias emitían una señal óptica al entrar en contacto con el compuesto explosivo. Con este experimento, se pudo validar, por primera vez, el potencial de estos sensores microbiológicos de revelar trazas de explosivos típicos de los campos de minas.

Experimentos fuera del laboratorio

A partir de ahí, y si se quiere aplicar los resultados del diseño de bacterias a los campos minados reales, es necesario tener en cuenta las medidas de seguridad ambiental apropiadas. Los ecosistemas naturales contienen una cantidad de variables mucho mayor que las situaciones controladas de experimentación. Además, hay una responsabilidad añadida cuando se contempla la posibilidad de insertar en la naturaleza organismos creados artificialmente. Los microorganismos programados para la (bio)detección y la (bio)remediación deben garantizar el mantenimiento de la biodiversidad existente, para evitar que la solución a un problema cree a su vez otro problema.

“Hay que optimizar los biosensores para aumentar la respuesta con menor cantidad de explosivo"

En el caso de las bacterias “sensor” de minas, se ha insertado el dispositivo de la proteína XylR en el cromosoma de la bacteria, en vez de en el plásmido, y se ha eliminado cualquier resistencia a antibiótico. Los plásmidos son fragmentos circulares de ADN que fácilmente se transfieren de una bacteria a otra. Al insertarlo en el cromosoma la modificación se hace mucho más estable genéticamente. Por su parte, las resistencias a antibióticos se utilizan para seleccionar los elementos del constructo deseado pero no deben estar presentes en las bacterias finales. De esta manera, es posible obtener microorganismos robustos, genéticamente estables y seguros.

Los logros del grupo de investigación MEML en su objetivo de utilizar cepas de Pseudomonas putida programadas como marcadores de minas antipersona son prometedores. Pero todavía es pronto para pensar en una aplicación en condiciones reales. Aitor de las Heras, investigador de MEML, comenta que en una próxima fase del proyecto “habrá que optimizar los biosensores para conseguir que aumenten la respuesta en presencia de una menor cantidad de compuestos explosivos y, más adelante, será necesario implementar un sistema para diseminar las cepas biosensores en los campos de minas”.

Así pues, habrá que esperar un poco para conocer los avances de las sucesivas fases del proyecto. En cualquier caso, estas investigaciones ofrecen buenas perspectivas para el desarrollo de una renovada ingeniería de bacterias –tanto en sus técnicas como conceptualmente- que se muestra proclive a desplegar su potencial en acciones humanitarias y medioambientales.

Laura Valls
Unidad de Cultura Científica

 

Perfil del grupo


Foto de grupo actual del MEML. Centro Nacional de Biotecnología (CSIC)Aitor de las Heras. Hizo la tesis en el departamento de genética y microbiología de la Universidad Complutense de Madrid. Posteriormente, entró en el laboratorio de Microbiología Medioambiental Molecular del CNB. Le apasiona escuchar música de todo tipo, especialmente rock de los 70, jazz y clásica contemporánea; y actualmente está aprendiendo a tocar el piano. El cine, los libros y viajar son otras de sus aficiones.


Victor de Lorenzo. Terminó la Tesis en la Universidad Autónoma de Madrid en 1983, tras lo cual inició una carrera investigadora internacional que le llevó al Instituto Pasteur (Paris), a la Universidad de California (Berkeley), a la Universidad de Ginebra y al Centro Federal de Biotecnologia en Braunschweig, para terminar recalando en el CSIC en el año 1991. Desde entonces se ha dedicado a la Microbiología Ambiental. Sus ratos libres los dedica a la cocina y a los libros de Historia.

Otras líneas de trabajo del grupo.

  •     Biodetección y bioremediación de la contaminación con arsénico
  •     Ortogonalización de módulos metabólicos
  •     Camelbodies: herramientas proteómicas para el diagnóstico de ambientes contaminados y su evolución

 

Enlaces externos

Molecular Environmental Microbiology Laboratory. MEML

Centro Nacional de Biotecnología (CSIC)

Survey Action Center (información sobre el impacto de los campos de minas)