Con ese fin, investigadores de la UCLA ha desarrollado una tecnología para realizar más de un millar de reacciones químicas a la vez en un sello grande, controlado por PC microchip, lo que podría acelerar la identificación de los potenciales fármacos  para el tratamiento de las enfermedades como el cáncer.

Su estudio aparece en la edición del 21 de agosto de la revista “Lab on a Chip” y está disponibles en línea.

Un equipo de químicos de la UCLA, biólogos e ingenieros que colaboraron en la tecnología, que se basa en la microfluídica – la utilización de dispositivos miniaturizados para manejar automáticamente y con canales de pequeñas cantidades de líquidos y sustancias químicas invisibles para el ojo. Las reacciones químicas se realizaron mediante la química “haga clic en situ” una técnica que se utiliza a menudo para identificar potenciales moléculas de drogas que se unen fuertemente a las enzimas, proteínas para activar o inhibir el efecto de una celda, y se analizaron mediante espectrometría de masas.

Aunque tradicionalmente sólo una pocas reacciones químicas se podrían producir en un chip, el equipo de investigación pionero en la manera de iniciar reacciones múltiples produjeron un chip capaz de realizar 1.024 reacciones simultáneamente, y como sistema de prueba identificaron potentes inhibidores de la enzima de la anhidrasa carbónica de la especie bovina.

A pesar de que un millar de ciclos de procesos complejos, como los controles de muestreo, la mezcla de una biblioteca de reactivos, los lavados secuenciales de los microcanales; todo el roceso tiene lugar en el dispositivo o “microchip” y se terminaron en pocas horas. Por el momento, el equipo de la UCLA se limita a analizar la reacción de los resultados fuera de línea, pero en el futuro, tienen la intención de automatizar este aspecto de la obra también.

“Esta metodología revoluciona el proceso de laboratorio para la búsqueda de drogas, lo que reduce el consumo de los reactivos y acelera el proceso para la identificación de los potenciales candidatos”, dijo el autor del estudio Hsian-Rong Tseng, un investigador de la UCLA Crump Institute for Molecular Imaging, profesor asociado de farmacología molecular y médica en la Escuela de Medicina David Geffen en UCLA, y miembro del Instituto de Nanosistemas de California en la UCLA.

Según los investigadores, la tecnología puede abrir muchas áreas para estudios biológicos y medicinales.

El trabajo prueba que la multiplicación del virus de la hepatitis (VHC) depende de tres proteínas celulares que pertenecen a la vía de degradación del los RNA mensajeros celulares, las proteínas Lsm1, Rck/p54 y PatL1. Además, otros dos virus que pertenecen al mismo grupo viral, un virus que afecta a las bacterias y otro a plantas, también dependen de estas proteínas. Esta es la primera vez que se observa tal conservación evolutiva en el uso de proteínas del huésped, desde un virus de bacterias a un virus humano. Este uso conservado abre nuevas perspectivas para el desarrollo de antivirales de amplio espectro.

En los últimos años, este grupo de investigadores se concentró en encontrar, no las proteínas del virus, sino las proteínas del huésped que el virus necesita para su replicación. “La hipótesis de partida era encontrar factores celulares que fueran importantes para la replicación de múltiples virus con el objetivo de poder desarrollar antivirales que fueran efectivos para un amplio rango de virus”, afirma Juana Díez, directora del trabajo y de la Unidad de Virología Molecular del Departamento de Ciencias Experimentales y de la Salud de la UPF.

Los virus son pequeños “parásitos” intracelulares que dependen de la célula para su multiplicación. Como su información genética es muy limitada, necesitan de las proteínas del huésped para completar su ciclo de vida. Como estas proteínas celulares están implicadas en la degradación del RNA mensajero, “uno esperaría que también degradaran los genomas virales; sin embargo, esto no ocurre: los virus “secuestran” estas proteínas humanas y las utilizan para su propia reproducción haciendo que varíen ligeramente su función”, explica la investigadora.

La identificación de dichas proteínas puede proporcionar nuevos blancos para el desarrollo de tratamientos más eficaces que no estarían sujetos a la variación y generación de resistencias, ya que las proteínas del huésped son muy estables. “Si además pudiéramos identificar proteínas del huésped que por su importancia fueran utilizadas no solamente por un virus concreto sino por un rango de virus, contaríamos con nuevas dianas para el desarrollo de antivirales de amplio espectro”. Una ventaja de tales antivirales es que podrían ser efectivos incluso para virus que todavía no conocemos.

El grupo de los virus de RNA de cadena positiva incluye a más de un tercio de todos los virus conocidos, desde virus de bacterias a virus de plantas, animales y humanos. Entre estos últimos se encuentran patógenos tan importantes como el virus de la hepatitis C, que infecta a más de 170 millones de personas y para el cual no existen tratamientos altamente efectivos que controlen esta pandemia. En la actualidad, no se dispone de suficientes opciones terapéuticas para tratar las infecciones producidas por este virus.

El estudio demuestra que el “secuestro” de estas proteínas es una estrategia compartida por otros patógenos de plantas e incluso bacterias del mismo grupo RNA de cadena positiva, añade Juana Díez. “Esto significa que es un proceso que se ha conservado a través de la evolución, de bacterias a virus humanos, y sería lógico que también se encuentre en otros virus humanos”.

¿Cómo lo han comprobado? Los investigadores han empleado técnicas de silenciamiento génico para silenciar momentáneamente esas proteínas, de forma que éstas no se expresen en la célula durante los dos o tres días durante los cuales se realiza el experimento. “Vemos cómo la falta de expresión de esas proteínas afecta a la replicación del virus en células hepáticas y también lo habíamos demostrado con un virus de plantas”.

“Si se atacan las proteínas del huésped, como éstas son muy estables, no se generan resistencias al tratamiento”. La cuestión radica en encontrar este tipo de proteínas del huésped que sean utilizadas por muchos virus: “creemos que dentro de este gran grupo de virus ARN de cadena positiva, aunque tenemos que demostrarlo, muchos virus utilizan esta vía de proteínas del huésped”. ¿Podría tener alguna relación en esta vía de replicación en el retrovirus del VIH? “No se ha determinado todavía; existen algunos pasos que podrían ser comunes entre los virus ARN de cadena positiva y los retrovirus”.

A la hora de encontrar dianas para desarrollar antivirales de amplio espectro es necesario también descartar la toxicidad: “En cultivos celulares hemos visto que el “silenciamiento” transitorio de esas proteínas no es tóxico”. El próximo paso es investigar este aspecto en modelos animales y también tratan de demostrar si estas proteínas están implicadas en otros virus humanos de importancia clínica que pertenecen al mismo grupo de virus, como el SARS (neumonía) o el virus West Nile (virus del Nilo Occidental), o también virus animales como el de la fiebre aftosa.

En el caso de poder desarrollar antivirales de amplio espectro se podría matar dos pájaros de un tiro: serían tratamientos para este grupo de virus que podrían funcionar “frente a virus que no conocemos y que incluso todavía no se han generado, ya que los virus que pertenecen a un determinado grupo viral tienen estrategias comunes en su replicación”.

Los resultados muestran que estos microorganismos son capaces de “prever” lo que viene en la secuencia de los acontecimientos y empezar a responder a la nueva situación antes de su inicio.

Bacterias como Escherichia coli, por ejemplo, que normalmente estan presentes sin causar daño en el tracto digestivo, encuentra una serie de diferentes ambientes en su camino. En particular, consideran que un tipo de azúcar – la Lactosa – es invariablemente seguido por un segundo  azúcar – la Maltosa – poco después. Pilpel y su equipo del Departamento de Genética Molecular, verificó que la bacteria responde genéticamente a la lactosa, y encontró que, además de los genes que le permiten digerir la lactosa, los genes para la utilización de la maltosa fueron parcialmente activado. Cuando se altera el orden de los azúcares, es decir que las bacterias ven maltosa en primer lugar, no se activan los genes de degradación de la lactosa, lo que implica que las bacterias han naturalmente “aprendido” a prepararse para una porción de maltosa después de un aperitivo de lactosa.

Otro microorganismo que experimenta cambios coherentes es la levadura del vino Saccharomyces cerevisiae. Como consecuencia de la fermentación, el azúcar y los niveles de acidez cambian, aumentan los niveles de alcohol y la levadura y el medio ambiente se calientan. Aunque el sistema es algo más complicada que el de E. coli, los científicos encontraron que cuando la levadura del vino siente el calor, comienzan la activación de los genes para hacer frente a las tensiones de la siguiente fase. Un análisis más detallado reveló que esta previsión y respuesta temprana es una adaptación evolutiva que le permiten al organismo aumentar las posibilidades de supervivencia.

Ivan Pavlov demostrada por primera vez este tipo de previsión de adaptación, conocida como una respuesta condicionada, en perros en la década de 1890. Los perros pudieron ser entrenados para salivar en respuesta a un estímulo en repetidas ocasiones por una señal de campana antes de darles alimentos. En los microorganismos, dice Pilpel, ” la evolución a lo largo de muchas generaciones sustituye al aprendizaje condicionado, pero el resultado final es similar. ” «En tanto la evolución y el aprendizaje”, dice Mitchell, “el organismo adapta su respuesta a  las señales ambientales, lo que mejora  su capacidad para sobrevivir.” Romano: «Esto no son respuestas de estrés generalizado, sino precisamente, orientadas a un caso previsto.”

Para ver si eran realmente los microorganismos los que muestran una respuesta condicionada, Mitchell Pilpel idearon una nueva prueba para la E. coli basada en otro de los experimentos de Pavlov. Cuando Pavlov dejó de darle comida a los perros después de la señal de campana, la respuesta condicionada (salivar) se perdió finalmente dejando los animales de salivar despues del sonido. Los científicos hicieron algo similar, usando bacterias cultivadas por el Dr. Dekel de Erez, en el laboratorio del Prof. Uri Alon del Departamento de Biología molecular y celular, en un entorno que contiene el primer azúcar (la lactosa) pero no después con la maltosa. Después de varios meses, la bacteria evolucionó para detener la activación de los genes que degradan la maltosa, sólo convirtiéndolos en maltosa cuando estaba disponible.

“Esto nos demostró que hay un costo para la preparación avanzada, pero que los beneficios para el organismo son superiores a los costos en las circunstancias adecuadas”, dice Pilpel. ¿Cuáles son esas circunstancias? Sobre la base de la evidencia experimental, el equipo de investigación creó una especie de modelo costo/beneficio para predecir los tipos de situaciones en las que un organismo podría aumentar sus posibilidades de supervivencia por la evolución de anticipar acontecimientos futuros. Ellos ya están planeando una serie de nuevas pruebas de su modelo, así como las diferentes vías de experimentación sobre la base de los conocimientos que han adquirido.

Pilpel y su equipo creen que la respuesta genética condicionada puede ser un medio de amplia adaptación evolutiva que aumenta la supervivencia en muchos organismos – que puede también tener lugar en las células de organismos superiores, incluidos los seres humanos. Estos resultados podrían tener implicaciones prácticas, también. Microorganismos genéticamente modificados para la fermentación de materias vegetales para producir biocombustibles, por ejemplo, podría trabajar de manera más eficiente si lograran la capacidad genética para prepararse para el siguiente paso en el proceso.

Referencia

Amir Mitchell, Gal H. Romano, Bella Groisman, Avihu Yona, Erez Dekel, Martin Kupiec, Orna Dahan & Yitzhak Pilpel. Adaptive prediction of environmental changes by microorganisms. Nature. Publicado Online 17 Junio.

Colin Pouton y sus colegas notan que los pacientes prefieren, por lejos, las pastillas y cápsulas a la incomodidad e inconveniencia de las inyecciones. Sin embargo, muchos medicamentos y vacunas no pueden suministrarse por la boca, porque serían destruidas por el ácido del estómago sin ser absorbidos hacia el torrente sanguíneo. Un enfoque prometedor es utilizar bacterias vivas, que pueden sobrevivir a las duras condiciones y pasar fácilmente del intestino a la sangre.

Los científicos describen el desarrollo de una nueva cepa de Listeria monocytogenes, bacteria que suele causar  intoxicación alimentaria, pero que ha sido genéticamente modificada para ser inócua. En lugar de causar la enfermedad, los nuevos microbios se pueden cargar con la medicina o la vacuna, y entregar la carga beneficiosa al “infectar” las células.

Después de entrar en las células, las bacterias se rompen y mueren, lo que lleva al término acuñado por Pouton: “cepa suicida”. Los investigadores demostraron que las bacterias ingenierizadas que contienen una proteína de prueba pudieron penetrar con éxito un grupo de células intestinales cultivadas en el laboratorio y entregar la proteína dentro de ellas, sin provocar daños. Los resultados sugieren que el enfoque podría funcionar en los seres humanos, dicen los investigadores.

Colaborador: Álvaro Banderas