Científicos resucitan moléculas prehistóricas en busca de la medicina moderna
El ADN de las bacterias de la Edad de Piedra esconde una enorme cantidad de productos naturales ancestrales con potencial terapéutico que desconocemos hasta hoy.
Modelo molecular de la estructura de un bacteriófago PRD1. Los bacteriófagos son virus que infectan bacterias. Crédito: Chris Hondros | Getty Images
Un equipo internacional de científicos reconstruyó el genoma de antiguas bacterias del Pleistoceno desconocidas hasta ahora y, a partir de sus ‘planos genéticos’, creó una plataforma biotecnológica que recrea las moléculas que fabricaban esas bacterias.
De esta manera, los autores, una ambiciosa colaboración de arqueólogos, bioinformáticos, biólogos moleculares y químicos, superaron todas las barreras tecnológicas y desarrollaron una técnica que, esperan, ayudará a encontrar nuevos antibióticos y fármacos en el futuro.
El trabajo, cuyos detalles se han publicado en Science, ha sido liderado por el Instituto Leibniz de Investigación de Productos Naturales y Biología de las Infecciones, por el Instituto Max Planck de Antropología Evolutiva (ambos en Alemania) y por la Universidad de Harvard (Estados Unidos).
Los microbios son las formas de vida más pequeñas que hay. Estos minúsculos seres vivos están dotados de una organización biológica elemental y son capaces de causar enfermedades. De hecho, muchos microbios son bacterias.
Esos pequeños seres vivos son químicos naturales y pueden fabricar miles de moléculas que actúan como medicamentos, como los antibióticos.
Pero producir estos complejos productos químicos naturales no es fácil. Para eso, las bacterias tienen genes especializados que codifican maquinaria enzimática capaz de fabricar esas sustancias químicas.
Stone Age molecules: Scientists rebuild microbial natural products up to 100,000 years old using dental calculus of humans & Neandertals. New study led by @LeibnizHKI, @MPI_EVA_Leipzig & @Harvard now out in @ScienceMagazine. See: https://t.co/DO391fjuhj & https://t.co/n5Z3QZ5S4c pic.twitter.com/OmF4VVpXFt
— MPI-EVA Leipzig (@MPI_EVA_Leipzig) May 4, 2023
Potencial terapéutico que desconocemos
Hasta hoy, el estudio científico de los productos naturales fabricados por los microbios se ha limitado a las bacterias actuales, pero dado que estos gérmenes llevan en la Tierra más de 3.000 millones de años, hay una enorme cantidad de productos naturales antiguos con potencial terapéutico que desconocemos, al menos por ahora.
“Nuestra meta ahora es trazar un camino para descubrir productos naturales antiguos y estudiar sus posibles aplicaciones”, explica Pierre Stallfoth, coautor principal y catedrático de Química Bioorgánica y Paleobiotecnología de la Universidad Friedrich Schiller de Jena y director del Departamento de Paleobiotecnología del Instituto Leibniz.
Reconstruir un enorme rompecabezas
Cuando un organismo muere, su ADN se degrada rápidamente y se fragmenta en multitud de piezas, pero gracias a los últimos avances informáticos, los científicos ya pueden unir esos fragmentos (como un rompecabezas) para reconstruir genes y genomas desconocidos.
El problema es que esta técnica no funciona bien con ADN antiguo del Pleistoceno, muy degradado y extremadamente corto.
Tras años de pruebas, el equipo consiguió tramos de ADN reconstruido de más de 100,000 pares de bases de longitud y recuperar una amplia gama de genes y genomas antiguos.
“Ahora podemos partir de miles de millones de fragmentos desconocidos de ADN antiguo y ordenarlos en genomas bacterianos de la Edad de Hielo perdidos hace mucho tiempo”, explica Alexander Hübner, investigador postdoctoral del Max Planck y coautor principal del estudio.
In our study published today in @ScienceMagazine, we provide a proof of concept for the potential use of ancient microbes as a source for developing new drugs by synthesising previously unknown metabolites from reconstructed gene clusters. https://t.co/c7T7rYe9NX
— Alex Hübner (@alexhbnr) May 4, 2023
Sarro dental, un cementerio de bacterias mineralizadas
El sarro dental es la única parte del cuerpo que fosiliza de manera rutinaria a lo largo de la vida, lo que le convierte en un cementerio de bacterias mineralizadas.
Para hacer este estudio, el equipo reconstruyó los genomas bacterianos atrapados en el sarro de 12 neandertales de hace unos 102,000-40,000 años, 34 humanos de hace unos 30,000-150 años y 18 humanos actuales.
Los investigadores reconstruyeron numerosas especies bacterianas orales y otras especies más exóticas cuyos genomas no se habían descrito antes, entre ellas, un miembro de Chlorobium que contenía un grupo de genes biosintéticos de función desconocida.
“El cálculo dental de la Dama Roja de El Mirón (centro de España), de 19,000 años de antigüedad, nos proporcionó un genoma de Chlorobium especialmente bien conservado”, explica Anan Ibrahim, del Instituto Leibniz.
“Tras descubrir estos enigmáticos genes antiguos, quisimos llevarlos al laboratorio para averiguar qué fabrican”.
El equipo usó herramientas de biotecnología molecular sintética para que las bacterias vivas produjeran las sustancias químicas codificadas por los genes antiguos. Ha sido la primera vez que este método se ha aplicado con éxito a bacterias antiguas.
El experimento permitió descubrir una nueva familia de productos naturales microbianos que los investigadores denominaron “paleofuranos”.
“Es el primer paso hacia el acceso a la diversidad química oculta de los microbios del pasado y añade una nueva y apasionante dimensión temporal al descubrimiento de productos naturales”, afirma Martin Klapper, investigador postdoctoral del Leibniz-HKI y coautor principal del estudio.
El siguiente paso es intentar usar esta técnica para encontrar nuevos antibióticos, concluyen los autores.
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