Desarrollan biosensores con bacterias que brillan al unísono

Un equipo de biólogos y bioingenieros de la Universidad de California en San Diego (UC San Diego), Estados Unidos, han creado un “letrero luminoso” viviente compuesto de millones de células bacterianas que brillan al unísono de manera intermitente, como bombillas parpadeantes.

Para conseguirlo, los científicos añadieron una proteína fluorescente a los relojes biológicos de multitud de bacterias. Después, sincronizaron los relojes de miles de bacterias dentro de una misma colonia, para que todas brillasen de manera coordinada.

Este logro no tiene únicamente un fin visual ni pretende sólo demostrar lo que puede hacer la biología sintética. Los científicos afirman que, además, podría tener importantes aplicaciones en el futuro.

Sensores vivos, y adaptables

Según publica la UC San Diego en un comunicado, utilizando este mismo método, los investigadores desarrollaron un sensor bacteriano simple, capaz de detectar niveles bajos de arsénico.

En él, las reducciones en la frecuencia de las oscilaciones del patrón de brillo intermitente de las bacterias sirven como indicador de la presencia de cierta cantidad de dicha sustancia venenosa.

Dado que las bacterias son sensibles a muchos tipos de contaminantes ambientales y de organismos patógenos, podrían usarse para desarrollar biosensores bacterianos de bajo coste, capaces de detectar diversos metales pesados que son contaminantes, así como organismos peligrosos para la salud.

Estos biosensores tendrían varias ventajas. Por un lado, como están formados por organismos vivos, podrán responder a cualquier cambio en la presencia o cantidad de toxinas, algo que los sensores químicos no pueden hacer.

Por otra parte, al estar formados por organismos vivos, estos biosensores podrían servir para controlar de manera continuada una muestra dada durante largos periodos de tiempo, mientras que la mayoría de equipos de detección sólo son útiles para mediciones realizadas en un momento concreto”, explica Jeff Hasty, profesor de biología y bioingeniería de la UC San Diego y director del equipo responsable de la investigación.

En este sentido, Hasty añade que “como las bacterias responden de formas diversas a diferentes concentraciones variando la frecuencia de su patrón lumínico, pueden proporcionar un actualización continúa de la información sobre la toxicidad o el peligro que entraña cualquier patógeno en cualquier momento”.

James Anderson, otro de los científicos implicados en la investigación, afirma por su parte que este nuevo concepto “demuestra cómo se puede aplicar la investigación en biología sintética a tecnologías que mejoren la salud humana”.

Sinergia de gases y de moléculas

Las técnicas para la fabricación del sensor brillante estuvieron basadas en trabajos previos de los científicos, de los que se ha hecho eco la revista Nature en los últimos cuatro años.

En un primer artículo aparecido en dicha publicación, los científicos explicaron el desarrollo de un método de fabricación de un reloj biológico robusto y manipulable, capaz de producir bacterias que brillaban de forma intermitente.

En el segundo artículo, publicado en 2010, los investigadores informaron del diseño y desarrollo de una red bacteriana basada en un mecanismo de comunicación que emplean las bacterias, en la que fueron sincronizados todos los relojes biológicos de una colonia bacteriana, de manera que miles de microorganismos se encendieran y apagaran al unísono.

Hasty explica al respecto que “se sabe que muchas especies de bacterias se comunican por un mecanismo conocido como detección de quórum, es decir, transmitiendo pequeñas moléculas para provocar y coordinar diversos comportamientos. Asimismo, también se sabe que otras bacterias interrumpen este mecanismo de comunicación por la degradación de dichas moléculas de transmisión”.

Pero la detección de quórum no puede ser usada para sincronizar de manera instantánea a millones de bacterias de miles de colonias. Según Hasty: “Si tienes muchas células oscilando, el tiempo de propagación de la señal (molecular) es demasiado duradero como para sincronizar a 60 millones de células instantáneamente por esta vía”.

La solución encontrada por los científicos a esta imposibilidad fue la siguiente: descubrieron que cada colonia bacteriana emite gases que, cuando son compartidos entre miles de otras colonias dentro de un chip de microfluidos especialmente diseñado, sí se pueden sincronizar todos los millones de bacterias presentes en el chip.

Las colonias sincronizarían “gracias a la señal del gas, vía intercambio de gases”, añade Hasty. La detección de quórum ayudaría a este proceso, porque es necesaria para generar una señal lo suficientemente importante como para que se produzca la coordinación de las bacterias por el intercambio de gases.

Futuro detector portátil

Los estudiantes de graduado Arthur Prindle, Phillip Samayoa e Ivan Razinkov diseñaron los chips de microfluidos que contuvieron las colonias de bacterias. Los chips más grandes contienen entre 50 y 60 millones de células bacterianas, y son del tamaño de un clip. Los más pequeños, que contienen aproximadamente dos millones y medio de células, miden la décima parte que los chips grandes.

Cada una de las colonias bacterianas brillantes comprende lo que los científicos denominan un “biopixel”, un punto individual de luz muy similar a los píxeles de las pantallas de los ordenadores o de las televisiones. El chip de microfluidos más grande contiene alrededor de 13.000 biopíxeles, y el menor unos 500 biopíxeles.

Hasty cree que en los próximos cinco años, habrán conseguido desarrollar un pequeño sensor portátil con chips de microfluidos llenos de bacterias, para determinar la presencia y las concentraciones de varias sustancias tóxicas y de organismos patógenos en estudios de campo. Los resultados de esta investigación también han aparecido detallados en Nature.

En cuanto a la biología sintética, ésta está definida como la síntesis de biomoléculas o ingeniería de sistemas biológicos con funciones nuevas que no se encuentran en la naturaleza.

Se trata de una disciplina que, a diferencia de otras, no se basa en el estudio de la biología de los seres vivos, sino que posee como objetivo el diseño de sistemas biológicos que no existen en la naturaleza. De esta forma, esta rama de la ciencia busca la creación de nuevos organismos programables, es decir, la creación de microorganismos a la carta que se comporten como pequeñas máquinas.

En la actualidad, la biología sintética se está aplicando a distintos campos de investigación, como el desarrollo de biocombustibles, la resolución de problemas complejos por parte de comunidades de bacterias o la fabricación de ADN artificial destinado a mejorar la supervivencia de algunas células.