Minería Genómica Mexicana para conocer los secretos de las bacterias

Innovador trabajo propone una nueva forma de predecir el potencial químico de las bacterias para su aprovechamiento en el desarrollo de nuevos fármacos.

Academia Mexicana de Ciencias

Por contribuir al entendimiento de la evolución del metabolismo de Streptomyces, el género más extenso de actinobacterias, un grupo de bacterias que se encuentra principalmente en suelos, y el desarrollo de EvoMining, una estrategia de minería genómica para el descubrimiento de la diversidad química oculta en las bacterias, el doctor Pablo Cruz Morales obtuvo el Premio Weizmann 2015, en el área de ingeniería y tecnología.

El innovador trabajo emprendido por el investigador propone una nueva forma de predecir el potencial químico de las bacterias para su aprovechamiento.

Las bacterias que analiza Cruz Morales son las actinobacterias, las cuales producen una cantidad importante de moléculas debido al estilo de vida que tienen: una existencia en competencia con otros organismos y que para subsistir producen antibióticos y otras moléculas con el fin de atrapar nutrientes, detener el crecimiento de otros organismos o atraerlos, según les convenga.

Es por esta razón que  la investigación requirió como primer paso estudiar la evolución de las bacterias en su capacidad para producir esta gran diversidad de compuestos químicos.

Con el objetivo de entender este proceso evolutivo, Cruz Morales se enfocó en el análisis genómico de las actinobacterias Streptomyces, en las que están basados la mayoría de los antibióticos conocidos, así como otras sustancias antitumorales y antiparasitarias.

Para lo anterior es necesario explicar que una ruta biosintética es una serie de conversiones químicas que ocurren dentro de un organismo – en el caso de Streptomyces un microorganismo–, hasta llegar a una estructura química definida, y es precisamente esta vía la idea central detrás del desarrollo tecnológico diseñado por Pablo Cruz: todas las enzimas que hacen las conversiones químicas en una ruta biosintética especializada, como las de los antibióticos, tiene un ancestro en el metabolismo central, es decir, la química de la vida que todos los seres compartimos.

Todas las demás rutas biosintéticas especializadas son más recientes y evolucionaron del metabolismo central, ejemplo de ello es que ahora las plantas tienen aromas y colores muy diversos, se trata de adaptaciones químicas a su entorno más local. Por lo tanto, la idea era entender la relación evolutiva entre el metabolismo ancestral y el metabolismo especializado para poder traducir los genomas de las bacterias en predicciones químicas.

Imágenes de Streptomyces, el género más extenso de actinobacterias (Foto: cortesía del doctor Pablo Cruz).
Imágenes de Streptomyces, el género más extenso de actinobacterias (Foto: cortesía del doctor Pablo Cruz).

“Lo que estamos tratando de hacer ahora es encontrar en los genomas de las bacterias señales evolutivas que indiquen adaptación a algún desafío ambiental que se ha resuelto con química, es decir, produciendo una nueva molécula”.

Pablo Cruz mencionó que cuando probaba el poder predictivo que tenía el enfoque de la investigación se dio cuenta que le permitía hallar moléculas con actividades biológicas de alto valor comercial, como son los fármacos, por lo que empezó a pensar en su impacto en la biotecnología.

Contribución a la ciencia

A partir de esa observación y mediante el uso de la teoría evolutiva desarrolló una nueva estrategia de minería genómica que quedó plasmada en una herramienta bioinformática llamada EvoMining, la cual analiza la historia evolutiva del metabolismo de las bacterias a partir de sus genomas, lo que ayuda a descubrir nuevas rutas metabólicas.

EvoMining permitió encontrar moléculas que no se habían descrito antes.

Descubrimos un nuevo compuesto que contiene un átomo de arsénico. Se sabía desde hace décadas de la existencia de los arseno-orgánicos, pero no se tenía certeza de dónde venían”, anotó.

Utilizando la plataforma para la minería genómica en las bacterias Streptomyces coelicolor yStreptomyces lividans el investigador descubrió la primera ruta biosintética de incorporación de átomos de arsénico. Este es un ejemplo de una nueva clase de moléculas.

Con dicha tecnología Cruz Morales está en proceso de obtener dos patentes de compuestos que sirven para inhibir la proteólisis (degradación de proteínas).

MINERIA GENOMICA
 Minería genómica mexicana para conocer los secretos de las bacterias. Foto: Vanguardia.

La tesis doctoral premiada del investigador, que lleva por título Fuctional and evolutionary genomics of Streptomyces metabolism, propone una nueva forma de localizar la diversidad química en las bacterias y predecir el potencial químico que se encuentre en ellas.

Hallar moléculas bioactivas, o bioprospección, es un juego de números: entre más bacterias se analicen, más posibilidades hay de descubrir una nueva molécula.

Entre las décadas de 1940 a 1970, cuando se descubrió la mayor parte de los fármacos anti-infectivos en uso actual, este proceso era muy azaroso, pero ahora las nuevas herramientas genómicas con que se cuenta proveen de más certeza en la bioprospección.

Con EvoMining se puede predecir qué tan original y valioso será lo que produce una bacteria, aseguró Cruz Morales al describir su investigación, que estuvo bajo la dirección del doctor Francisco Barona Gómez, del Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad, del Cinvestav.

Este dato es importante porque resulta muy costoso encontrar nuevos antibióticos, pero con el uso de tecnología genómica, EvoMining y biología sintética, se podrá abaratar y acelerar el proceso de descubrimiento de moléculas en los programas de desarrollo de nuevos fármacos.

Además, para aprovechar su experiencia y las tecnologías desarrolladas, el científico se unió a StrainBiotech, una start-up fundada por científicos mexicanos jóvenes que busca desarrollar y aplicar tecnología para el descubrimiento, desarrollo y producción de fármacos.

“Queremos colaborar y participar de la industria farmacéutica nacional para desarrollar nuevas moléculas con tecnología mexicana. Contamos con recursos biológicos extraordinarios, con la capacidad tecnológica y creatividad para descubrir y desarrollar productos de alto valor”.