En un publicado hoy en PLoS Biology, investigadores de IGI Vivek Mutalik del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y Adam Arkin de UC Berkeley reporta avances en la comprensión biología de fagos y resistencia a fagos que allanan el camino hacia el uso de estos pequeños depredadores para luchar contra los antibióticos bacterias fotosintéticas. En septiembre, Mutalik habló con la escritora científica de IGI, Hope Henderson, sobre este trabajo.
¿Qué estudia su laboratorio?
Estudiamos principalmente biología sintética y funcional genómica of microbios. Principalmente, desarrollamos herramientas para estudiar bacterias, las observamos en el microbioma contexto y conseguir que hagan cosas. A lo largo del camino, me he quedado fascinado por bacteriófagos.
¿Quién no está entusiasmado con los fagos? Son las cosas más geniales del mundo y no las entendemos.
Son las "incógnitas conocidas" en el mundo microbiano. Queremos aprender más sobre los fagos, cómo infectan las bacterias y cómo las bacterias se defienden y, en última instancia, diseñarlas para matar bacterias específicas para aplicaciones en la salud humana y la agricultura.
¿Qué es un fago?
Los bacteriófagos, o fagos para abreviar, son depredadores bacterianos. Son virus que infectan bacterias y usan bacterias para crecer y multiplicarse. Los fagos se encuentran en todas partes: ¡son las entidades biológicas más abundantes en la tierra! Cada tipo de fago tiene un único genoma,, tamaño, forma y ciclo de infectividad, de los cuales tenemos un conocimiento muy limitado. Pero sabemos que los fagos son máquinas de matar muy precisas que infectan bacterias específicas. No son como los antibióticos en el sentido de que cuando se agregan antibióticos, se destruye una gran clase de bacterias. Sabemos que la cola en la parte inferior de (la mayoría) de los fagos determina qué bacterias infectan, pero no entendemos exactamente cómo. Además, aunque estamos mejorando como secuenciación de fagos, no sabemos bien para qué codifican estos genomas de fagos. Básicamente, sabemos quiénes están allí, pero no sabemos qué están haciendo.
El objetivo final es comprender la biología de los fagos lo suficiente como para que podamos desarrollar enfoques para la eliminación dirigida de patógeno bacterias. El estudio de la resistencia a los fagos nos da una ventana a su funcionamiento interno.
¿Qué se puede hacer con los fagos modificados genéticamente?
El espacio de aplicación es enorme: podemos utilizar fagos diseñados con "funciones" específicas en la salud humana, la agricultura, la alimentación, la carne, la industria de la acuicultura, la remediación ambiental y más. Si comprendemos profundamente cómo funcionan los fagos, podemos diseñarlos para eliminar una cepa particular de bacterias en el microbioma intestinal para ayudar a tratar una infección o diabetes, o matar un patógeno bacteriano que está atacando los cultivos de tomate.
¿Qué significa "resistencia a los fagos" y qué tiene que ver con la ingeniería de fagos?
Puede pensar que es similar a la resistencia a los antibióticos. Cuando agrega antibióticos a las bacterias, ¡no les gusta! Proponen métodos para sobrevivir y adaptarse a las condiciones. Cuando agrega fagos a las bacterias, sucede lo mismo: pasan por lo que llamamos un proceso de selección. Habrá algunas bacterias con ciertos cambios genéticos que les permitirán sobrevivir a los fagos. En otras palabras, la población bacteriana del huésped muta y ahora el fago no puede infectarlos. Eso es resistencia a los fagos. Estudiar la resistencia a los fagos es una forma de estudiar los fundamentos de cómo los fagos infectan bacterias específicas. Si el cambio gen es, digamos, parte de un receptor en la superficie de la bacteria, entonces sabemos que el fago interactúa con esa parte del receptor para entrar en la bacteria.
¿Qué encontraste en este documento?
Usamos fagos bien estudiados y E. coli, una bacteria de laboratorio, para observar la resistencia a los fagos. Debido a que es un sistema conocido, podríamos asegurarnos de que nuestra plataforma sea efectiva recapitulando lo que ya se ha encontrado y podríamos identificar cosas nuevas.
Tomamos dos cepas de E. coli bacterias y bibliotecas construidas de mutaciones donde los genes tienen una función aumentada, pérdida de función o están funcionalmente delecionados. Estas bibliotecas están en un tubo de ensayo o en un matraz, y cada una tiene muchos mutantes diferentes. Cada mutación tiene un código de barras, por así decirlo, que nos permite saber qué gen está mutado. Entonces agregas un fago. La mayoría de las bacterias mueren, pero algunas sobreviven y se multiplican. Recopilamos a los sobrevivientes y estudiamos, ¿por qué están sobreviviendo? Podemos usar el código de barras para saber qué mutaciones tienen. Los genes que descubrimos son esenciales para que se procese la infección por fagos. Entonces, puedo comenzar a comprender realmente el panorama de la resistencia a los fagos.
Lo hicimos con 14 fagos en el papel. Algunos de estos están muy bien estudiados, mientras que otros son fagos nuevos. Con este sistema, pudimos capturar casi todos los datos sobre la resistencia a los fagos que se han generado durante 50 años. En otras palabras, los genes que ya sabemos que son importantes surgieron como aciertos. Eso nos permite saber que nuestro sistema realmente funciona y es robusto. ¡Esto tiene enormes implicaciones para comprender cómo responden las bacterias a los fagos y desarrollar formas de diseñar fagos! La premisa de nuestra propuesta al IGI fue mostrar que nuestra plataforma funciona para E. coliy luego escalarlo para usarlo con un par de bacterias patógenas. Así que ahora continúo ese trabajo con otros patógenos humanos y vegetales. ¡Es realmente emocionante comparar estos mecanismos de resistencia entre diferentes fagos y diferentes patógenos!
¿Su trabajo tiene implicaciones para COVID-19?
Absolutamente. Los investigadores han descubierto que más del 50% de los pacientes hospitalizados por COVID-19 también tienen coinfecciones bacterianas, como neumonía bacteriana. Estos pacientes reciben antibióticos, pero en realidad no siempre matan las bacterias o ayudan al paciente; eso es resistencia a los antibióticos. Todavía no les estamos dando fagos a estos pacientes, pero podrían ser parte del arsenal en algún momento. COVID-19 nos ha demostrado que no estamos preparados para combatir las enfermedades infecciosas. Esto también es muy importante desde el punto de vista de la bioseguridad nacional, especialmente porque claramente no estamos preparados para manejar cualquier liberación accidental (o intencional) de patógenos resistentes a los antibióticos en nuestro procesamiento de alimentos, tratamiento de agua o nuestro medio ambiente. Nuestra estrategia nacional parece ser más reactiva que proactiva. La amenaza de la resistencia a los antibióticos ha estado acechando frente a nosotros durante tanto tiempo, pero no hay nuevos antibióticos en proceso ni nuevas soluciones en desarrollo. Necesitamos un enfoque holístico y proactivo para resolver la resistencia a los antibióticos, y los fagos podrían ser un componente clave. Nunca antes me había sentido tan conectado a un espacio de aplicaciones. Me siento muy motivado.
Siempre que aíslo un fago es con la esperanza de que salve la vida de alguien. Quizás no ahora, pero algún día. Ese es un sentimiento muy satisfactorio.
¿Hay algo más que le gustaría decir?
Fue un proyecto arriesgado en el que es difícil conseguir que una agencia de financiación invierta, y estoy feliz de que IGI haya reconocido esto y haya tomado el riesgo. Al invertir en este proyecto, IGI ha establecido la experiencia, las herramientas y los recursos necesarios para realizar la caracterización e ingeniería de fagos.
Quiero agradecer a mi equipo. Específicamente, trabajar con el becario de postdoctorado Denish Piya y los académicos graduados Benjamin Adler y Harneet Rishi fue muy divertido. Solicité esta beca de IGI con Adam Arkin y Adam Deutschbauer como co-PI; ¡es un equipo increíble trabajar con estos pioneros en genómica funcional y biología sintética! Y luego tener a Britt Koskella y Kim Seed en el campus, Richard Calender al lado, trabajando junto al laboratorio de Jennifer Doudna, es solo un sueño hecho realidad.
