Los sistemas inmunitarios bacterianos entran en escena

Hasta hace una década, los científicos no sabían que las bacterias tenían sistemas inmunitarios complejos, que podían sostener el ritmo de la evolución de los virus llamados fagos que infectan a las bacterias. Esto cambió con el descubrimiento de lo que ahora es el mecanismo inmunitario bacteriano más famoso: CRISPR. Los científicos se dieron cuenta de que CRISPR es un editor genético natural, y que ha revolucionado el mundo de la investigación biológica en miles de laboratorios de todo el mundo. Ahora, los investigadores entienden que la mayoría de los microorganismos tienen sistemas inmunitarios sofisticados de los cuales CRISPR es solo un elemento; pero no ha habido una forma adecuada de identificar estos sistemas. En un estudio masivo sistemático, el profesor Rotem Sorek y su equipo en el Instituto Weizmann de Ciencias han revelado la existencia de 10 mecanismos inmunitarios de defensa en bacterias anteriormente desconocidos. "Los sistemas que hemos descubierto son distintos a todo lo que habíamos visto antes", dijo Sorek. "Pero entre ellos, pensamos que hay uno o dos que podrían tener el potencial de aumentar las herramientas de edición genética, y otros que apuntan al origen del sistema inmunitario humano". Los resultados del estudio se publicaron recientemente en Science.

Las bacterias no pueden basarse solo en CRISPR en la lucha contra los fagos, explica Sorek, miembro del Departamento de Genética Molecular del Instituto. De hecho, muchos fagos tienen unas proteínas "anti CRISPR", que cancelan la actividad de las CRISPR, lo que sugiere que hay otros sistemas que realizan esa tarea. Sorek y su equipo comenzaron la búsqueda de estos sistemas creando un programa de ordenador que puede analizar todos los genomas bacterianos que alguna vez se hayan secuenciado, aproximadamente 50.000 genomas en total. En lugar de buscar secuencias con características predefinidas, los algoritmos que crearon buscaron las "firmas estadísticas" de los genes involucrados en la defensa, por ejemplo, su localización en "islas defensivas" donde varios genes relacionados con las defensas se encuentran uno cerca del otro. Después, debido a que los genes del sistema inmunitario rara vez trabajan solos, incluso en las bacterias, los investigadores desarrollaron métodos analíticos complejos por ordenador para entender qué genes unen sus fuerzas y trabajan juntos para formar un sistema de defensa.

Una vez que redujeron el número de los posibles genes de defensa de millones a varios cientos, los investigadores necesitaron probar los mecanismos candidatos que habían identificado. En lugar de intentar aislar las secuencias genéticas de cientos de bacterias diferentes, el equipo recurrió a la biología sintética: ordenar que se hagan los genes. Enviaron las cadenas de código genético, que suman aproximadamente 400,000 bases, o "letras" de código genético, a un laboratorio comercial donde se sintetizaron docenas de diferentes sistemas multigénicos para ser analizados. Estos sistemas sintéticos se introdujeron en bacterias de laboratorio que tenían su sistema inmunitario natural inactivado. Las bacterias se expusieron a fagos y a otros elementos infecciosos para observar si el sistema de defensa trasplantado era viable. De los diversos sistemas que los investigadores examinaron, 10 protegieron fuertemente a las bacterias de laboratorio de la infección, identificándolas así como nuevos sistemas de defensa inmunológica. 

Sorek dijo que, entre las diversas etapas del análisis por ordenador y experimentación, el estudio necesitó del intenso esfuerzo de seis personas que trabajaron durante dos años en su laboratorio. Las Dras. Shany Doron y Sarah Melamed, con la activa participación de Gal Ofir, la Dra. Azita Leavitt, la Dra. Anna Lopatina y el Dr. Gil Amitai. El equipo se reunió cada dos semanas para un "consejo de defensa" para tratar las diferentes ramas de la investigación y los mecanismos de defensa que habían descubierto.

Los investigadores aún no saben cómo funciona el nuevo sistema inmunitario bacteriano, ya que algunos, según Sorek, "parecen tener funciones sorprendentes que ahora estamos comenzando a investigar". Uno de estos sistemas contiene dominios de receptor tipo Toll/Interleucina (o TIR, por sus siglas en inglés). Ya se sabía que los dominios TIR estaban involucrados en los sistemas inmunitarios, pero hasta ahora no en el de los microorganismos. Estos dominios son una parte integral del sistema inmunitario humano e incluso de las plantas, pero nunca antes se había demostrado que estuvieran involucrados en la defensa antiviral en las bacterias. "Nuestros descubrimientos demuestran que algunas de las partes importantes de nuestro propio sistema inmunitarios tienen profundas raíces evolutivas en los mecanismos de inmunidad bacteriana", dice Sorek.

Otros genes parecían haber sido "prestados" de sistemas bacterianos no defensivos. Uno de ellos, por ejemplo, es conocido por los flagelos que las bacterias usan para nadar. Estos genes proporcionan a los flagelos energía al permitirles tomar protones; uno de los nuevos sistemas de defensa encontrados en el laboratorio de Sorek usa estos genes para protegerse contra los fagos. Otro, llamado condensina, generalmente protege el ADN durante la división celular, y los investigadores descubrieron un sistema de defensa que usa componentes del mecanismo de la condensina para proteger a las bacterias contra la invasión de plásmidos: pequeños anillos de ADN que pueden parasitar las células bacterianas.

 "El hecho de que logramos encontrar 10 nuevos sistemas de defensa bacteriana implica que hay aún más", dice Sorek. "Mi laboratorio continúa buscando otros nuevos. Además, estamos comenzando a enfocarnos en varios de los más prometedores para entender cómo funcionan”.

Sorek indicó que los nuevos descubrimientos son emocionantes debido a las nuevas visiones que ofrecen sobre la evolución de los sistemas inmunitarios y la eterna batalla entre los virus y los organismos que infectan. Pero también cree que algunos pueden convertirse en herramientas poderosas para la investigación biológica: "Todos los sistemas inmunitarios, por definición, deben dirigirse a los elementos invasores de una manera muy específica pero flexible, y podemos utilizar esta orientación con fines biotecnológicos, como lo hemos hecho con CRISPR y con las enzimas de restricción anteriores. Cualquiera de los nuevos sistemas que encontramos podría ser la próxima herramienta de edición de genes, o quizás incluso la base de herramientas moleculares aún más interesantes ", dice Sorek.

La investigación del Prof. Rotem Sorek está respaldada por el Fondo INCPM de la Fundación Familiar David y Fela Shapell para Estudios Preclínicos; el Instituto Y. Leon Benoziyo de Medicina Molecular; el Centro Dana y Yossie Hollander de proteonímica estructural; la Fundación Abisch Frenkel para el Fomento de las Ciencias de la Vida; La Fundación Benéfica de Leona M. y Harry B. Helmsley; Martin Kushner Schnur; y el Consejo Europeo de Investigación.

Los comunicados de prensa del Instituto Weizmann se publican en Internet en

http://wis-wander.weizmann.ac.il/, y están también disponibles en http://www.eurekalert.org/