Cómo un experimento con bacterias podría transformar el entendimiento actual del cáncer

*Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

Para que el tamaño de una población se mantenga estable a lo largo del tiempo, sus tasas de natalidad y mortalidad deben estar equilibradas. Si la tasa de natalidad es demasiado alta, puede producirse una explosión demográfica; si es demasiado baja, la población se reducirá.

Este tipo de equilibrio existe, por ejemplo, entre los aproximadamente 10 billones de células que componen nuestro cuerpo. Cuando llegamos a la edad adulta, nuestras células madre pueden dividirse para renovar los tejidos corporales, pero después de dividirse varias veces, se convierten en células maduras que se dividen unas cuantas veces y luego mueren. Solo nos damos cuenta de este equilibrio cuando se altera, por ejemplo, cuando las células comienzan a dividirse sin control y crean tumores cancerosos.

De ello se desprende que el equilibrio entre células en división y maduras es una condición previa para la existencia de cualquier organismo multicelular, pero ¿cómo se mantiene? En un estudio publicado recientemente en Cell, investigadores del Instituto de Ciencias Weizmann utilizaron organismos unicelulares para comprender mejor cómo los organismos multicelulares mantienen este equilibrio y se protegen del cáncer.

La diferenciación celular es un “entrenamiento de especialización” biológico, en el que una célula madre se divide en dos células hijas, una de las cuales asume un papel definido y adquiere las características necesarias para cumplirlo. Cuando las células experimentan la diferenciación, su nueva especialidad es útil para el organismo multicelular del que forman parte, pero pagan un alto precio individual: cuanto más avanzan en esta vía de especialización, más disminuye su capacidad de replicación, hasta que ya no pueden dividirse en absoluto.

Esta división lenta de las células diferenciadas las hace vulnerables a poblaciones de células que se dividen y crecen a un ritmo más rápido y, por lo tanto, pueden apoderarse del tejido y sus recursos. En algunos tipos de cáncer de la sangre, por ejemplo, las células madre de la médula ósea experimentan una mutación que ralentiza su diferenciación y les permite producir más células madre hijas. Estas células mutantes aprovechan el punto débil natural del proceso de diferenciación, superando a la población de células sanas en un proceso conocido como toma de posesión mutante.

Aunque en cada división celular de nuestro cuerpo se produce una mutación de media, la mayoría de nosotros disfrutamos de décadas de buena salud, a través de innumerables divisiones celulares, sin sufrir la invasión de mutantes. Esto sugiere que existen mecanismos eficaces para hacer frente a esta amenaza, aunque sean difíciles de identificar en organismos complejos.

Los científicos del grupo de investigación del profesor Uri Alon en el Departamento de Biología Celular Molecular de Weizmann decidieron modificar las bacterias E. coli, que normalmente no se diferencian, para someterlas a un proceso de diferenciación artificial, lo que permitió a los investigadores estudiar cómo una población celular se enfrenta a la invasión de mutantes.

“El modelo de E. coli tiene una serie de claras ventajas“, explica el Dr. David Glass, que dirigió el estudio en el laboratorio de Alon. “Una de ellas es un corto tiempo de generación, que nos permitió estudiar el desarrollo de mutantes a lo largo de cientos de generaciones en el laboratorio”. Para producir bacterias E. coli capaces de diferenciarse, los investigadores se inspiraron en las cianobacterias llamadas Anabaena , que se diferencian (cortando ciertos segmentos de su ADN) en respuesta a una escasez de nitrógeno en su entorno. Aunque las bacterias diferenciadas pierden la capacidad de dividirse, ganan una importante ventaja de supervivencia: la capacidad de abastecerse a sí mismas y a toda la colonia de nitrógeno.

Para imitar el proceso de diferenciación en el modelo de E. coli , los científicos cultivaron las bacterias en un entorno que incluía antibióticos, pero carecía de un aminoácido esencial. Mediante ingeniería genética, insertaron en cada bacteria varias copias de un gen de resistencia a los antibióticos y varias copias de un gen que producía el aminoácido que faltaba. Antes de que comenzara el proceso de diferenciación artificial, es decir, cuando las bacterias se encontraban en un estado equivalente al de las células madre, los genes de resistencia a los antibióticos estaban activos, por lo que las bacterias podían dividirse y diferenciarse a un ritmo elevado a pesar de la presencia del antibiótico. Cuando comenzó el proceso de diferenciación mediante la supresión de los genes de resistencia a los antibióticos, las bacterias perdieron gradualmente su capacidad de dividirse y diferenciarse, pero obtuvieron una ventaja para sobrevivir: los cortes en el ADN activaron gradualmente los genes que producían el aminoácido esencial.

“Para determinar qué tasa de diferenciación funciona mejor, realizamos una competición entre 11 cepas de E. coli, cada una de las cuales corta segmentos de ADN (es decir, se diferencia) a una velocidad diferente”, explica Glass. “Mezclamos cantidades iguales de bacterias, las cultivamos durante el transcurso de unos días y luego comprobamos cuáles habían sobrevivido. Descubrimos una selección muy fuerte a favor de las bacterias que se diferenciaban a una tasa moderada y descubrimos que las cepas de bacterias con una tasa moderada de diferenciación mantenían el equilibrio óptimo de tipos de células en su población. En un momento dado, solo una minoría de las células eran ‘células madre puras’ o ‘células completamente diferenciadas’, y una mayoría se encontraba en estados intermedios del proceso”.

Esta tasa de diferenciación óptima y moderada es compartida por varios sistemas del cuerpo humano, en los que se mantiene un equilibrio cuantitativo entre células madre, células progenitoras en diferentes etapas de diferenciación y células diferenciadas que ocasionalmente mueren y son reemplazadas por otras nuevas.

Para que el tamaño de la población sea constante, es importante mantener ese equilibrio incluso cuando cambian las condiciones ambientales. Para averiguar si las bacterias de su modelo realmente mantenían este equilibrio incluso en condiciones cambiantes, los investigadores las cultivaron en 36 combinaciones diferentes de concentraciones de antibióticos y aminoácidos en el medio de cultivo.

“Vimos que en todas las situaciones, salvo en las más extremas, como la ausencia total de antibióticos, la tasa de diferenciación óptima de las células se mantuvo en el rango moderado y se mantuvo el equilibrio”, explica Glass. “Esto significa que el equilibrio de la población que caracteriza al modelo de diferenciación que desarrollamos es, en gran medida, inmune a los cambios y amenazas ambientales”. Pero, ¿es una población de bacterias que se diferencia a un ritmo óptimo también inmune a la invasión de mutantes, como los sistemas de los organismos multicelulares?

Para comprobar la capacidad de estas bacterias de resistir la invasión de mutantes, los investigadores las cultivaron durante muchas generaciones y comprobaron si aparecían mutaciones aleatorias durante el largo periodo de crecimiento, creando bacterias que no se diferencian en absoluto y se dividen sin control. En otras palabras, ¿las bacterias mutantes provocan la invasión de mutantes o se las suprime en una fase temprana? La primera vez que realizaron el experimento, los investigadores se sintieron decepcionados al encontrar invasiones de mutantes en la mitad de los casos. “Descubrimos que cuando un cambio genético rompe la conexión entre la ralentización de la diferenciación y la obtención de esa ventaja de supervivencia, los mutantes que no se diferencian pueden tomar el control”, añade Glass.

A continuación, los investigadores repitieron el experimento con una nueva cepa bacteriana que fue modificada genéticamente para ser inmune a la mutación identificada. “Logramos cultivar alrededor de 270 generaciones de bacterias diferenciadoras y no se produjo ninguna invasión mutante. Desafortunadamente, la invasión de Israel el 7 de octubre interrumpió el experimento y las bacterias pueden ser aún más resistentes”, afirma Glass.

“Mostramos que un sistema en el que las células de E. coli diferenciadas dejan de dividirse, pero obtienen una ventaja de supervivencia, puede mantener un equilibrio poblacional óptimo y evitar la invasión mutante. Muchas enfermedades, como el cáncer y los trastornos autoinmunes, son exclusivas de los organismos multicelulares. Cuando modificamos genéticamente cada vez más características de los sistemas multicelulares en organismos unicelulares, podemos descubrir los puntos débiles y buscarlos también en el tejido humano”.

“Más allá de la ciencia básica, estos nuevos hallazgos también podrían tener un impacto en el uso de bacterias en la industria”, añade Glass. “Las bacterias modificadas genéticamente se utilizan actualmente en la producción a gran escala de insulina, enzimas y otras sustancias que utilizamos los seres humanos. Crear una población de bacterias diferenciadoras que mantenga su equilibrio, se renueve e incluso evite la invasión de mutantes podría ser muy útil en estos procesos de producción”.

Los participantes del estudio incluyeron a la Dra. Anat Bren, Elizabeth Vaisbourd y el Dr. Avi Mayo del Departamento de Biología Celular Molecular de Weizmann.

El profesor Uri Alon es director del Instituto Sagol de Investigación sobre la Longevidad y titular de la Cátedra Abisch-Frenkel. Su investigación también cuenta con el apoyo de la Fundación Rising Tide.