¿Podrá un teléfono móvil comunicarse con las bacterias de nuestro cuerpo?

La microelectrónica nos ha transformado la vida. Teléfonos móviles, auriculares, marcapasos, desfibriladores, todos estos aparatos y más se basan en los diminutos diseños y componentes de la microelectrónica. La microelectrónica ha cambiado también nuestra forma de recopilar, elaborar y transmitir la información. 

Sin embargo, estos dispositivos raramente proporcionan acceso a nuestro mundo biológico; hay lagunas técnicas. No podemos conectar sin más un móvil a la piel y esperar recibir información sobre nuestra salud, como por ejemplo, si hay una infección o qué tipo de bacteria o virus está implicado. Tampoco podemos programar el móvil para fabricar y administrar un antibiótico, ni aunque sepamos si el patógeno es un estafilococo o un estreptococo. Cuando queremos que el mundo de la biología se comunique con el de la electrónica nos topamos con un problema de traducción. 

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La investigación que acabamos de publicar con otros colaboradores en Nature Communications nos acerca un paso más a la superación de esa laguna de comunicación. En lugar de basarnos en las habituales señales moleculares, como las hormonas o los nutrientes, que controlan la expresión génica, creamos un sistema de “conmutación” sintético en células bacterianas que reconoce los electrones. Esta nueva tecnología –un eslabón entre los electrones y la biología– puede en última instancia permitirnos programar nuestros teléfonos y otros dispositivos microelectrónicos para detectar y tratar enfermedades de modo autónomo. 

Comunicar con electrones, no con moléculas

Uno de los obstáculos que los científicos han encontrado al intentar relacionar los dispositivos microelectrónicos con los sistemas biológicos está relacionado con el flujo de información. En biología, casi toda la actividad se hace posible mediante la transferencia de moléculas como la glucosa, la epinefrina, el colesterol y la insulina, que transmiten señales entre células y tejidos. Las bacterias infecciosas segregan toxinas moleculares y se adhieren a nuestra piel mediante receptores moleculares. Para tratar una infección, necesitamos detectar estas moléculas para identificar las bacterias, distinguir sus actividades y determinar cómo responden mejor. 

Los dispositivos microelectrónicos no procesan información con moléculas. Un dispositivo microelectrónico está en general compuesto por silicio, oro, sustancias químicas como boro o fósforo y una fuente de energía que proporciona electrones. Por sí mismos, son poco adecuados para establecer comunicación molecular con células vivas. 

Las llamadas moléculas “redox” pueden transportar electrones, de modo similar a un cable

En los sistemas biológicos no existen electrones libres, de modo que casi no hay forma de conectar con la microelectrónica. Hay, sin embargo, una pequeña clase de moléculas que transportan electrones de manera estable. Son las llamadas moléculas “redox”, que pueden transportar electrones, de modo similar a un cable. La diferencia está en que, en el cable, los electrones pueden fluir con libertad hacia cualquier localización interior; las moléculas redox deben experimentar reacciones químicas –reacciones de oxidación o de reducción– para “ceder” los electrones. 

Aprovechando la naturaleza electrónica de las moléculas redox, hemos diseñado genéticamente bacterias que respondan a ellas. Nos centramos en moléculas redox que podían ser “programadas” por el electrodo de un dispositivo microelectrónico. El dispositivo alterna el estado de oxidación de la molécula: bien la oxida (pierde un electrón) o bien la reduce (gana un electrón). El electrón se suministra mediante una fuente de energía común en electrónica, como puede ser una pila. 

Queríamos que nuestras células bacterianas se “activasen” y “desactivasen” por el voltaje aplicado, voltaje que oxidaba una molécula redox natural, la piocianina. 

La oxidación eléctrica de la piocianina nos permitía controlar nuestras células de diseño, encendiéndolas y apagándolas para que sintetizasen (o no) una proteína fluorescente. Podíamos detectar con rapidez lo que ocurría en estas células porque la proteína emite una tonalidad verde. 

En otro ejemplo creamos bacterias que, al activarlas, nadaban a partir de una posición estacionaria. Normalmente, las bacterias nadan en un movimiento aleatorio conocido como “run and tumble” [carrera y caída]. La fase de “carrera” garantiza su avance en línea recta. Cuando “caen”, se mantienen básicamente en un punto. Una proteína denominada CheZ controla la fase de “carrera” de la actividad natatoria de las bacterias. Nuestro conmutador electrogenético activó la síntesis de CheZ, de modo que las bacterias pudiesen avanzar.

También logramos transmitir señales eléctricas a una comunidad de células para que manifestasen una conducta colectiva. Creamos células con conmutadores que controlan la síntesis de una molécula transmisora que se difunde a las células vecinas y, a su vez, provoca cambios en la conducta de estas. La corriente eléctrica activaba células que, a su vez, “programaban” un proceso de señalización biológica para alterar la conducta de las células cercanas. Aprovechamos la percepción de quorum o autoinducción: un proceso natural por el que las bacterias “hablan” con sus vecinas y el conjunto de células puede comportarse de modos beneficiosos para toda la comunidad. 

Y lo que tal sea aún más interesante, nuestros grupos demostraron que podemos activar y desactivar la expresión génica. Al invertir la polaridad del electrodo, la piocianina pasa de oxidada a reducida, su forma inactiva. Luego se manipularon las células para que recuperasen rápidamente su estado original. De este modo, el grupo mostró la capacidad para alternar repetidamente la activación y desactivación de la conducta programada eléctricamente. 

Curiosamente, el conmutador de activación y desactivación proporcionado por la piocianina era muy débil. Al incluir otra molécula redox, la ferricianida, descubrimos una forma de ampliar todo el sistema, de modo que la expresión génica, también con activación y desactivación, fuese muy fuerte. Todo el sistema era resistente, repetible y no afectaba negativamente a las células. 

Percepción y respuesta celular

Armados con este avance, los dispositivos podrían tener la capacidad de estimular bacterias eléctricamente para efectuar terapias y dirigirlas a un lugar concreto. Por ejemplo, imaginemos que tragamos una pequeña cápsula microelectrónica capaz de registrar la presencia de un patógeno en nuestro tracto gastrointestinal y que contenga también fábricas bacterianas vivas capaces de efectuar una terapia antimicrobiana o de otro tipo, todas en un sistema autónomo programable. 

Estos métodos de comunicación molecular se utilizaron para identificar patógenos, monitorizar el “estrés” en los niveles sanguíneos de personas con esquizofrenia e incluso determinar las diferencias de melanina de los pelirrojos.

Los estudios actuales derivan de trabajos anteriores realizados en la Universidad de Maryland en los que los investigadores habían descubierto formas de “registrar” información biológica, mediante percepción del entorno biológico, y basándose en las condiciones predominantes, “transcribir” electrones a los dispositivos. Con nuestros colaboradores, hemos “enviado” moléculas redox desde los electrodos, dejado que dichas moléculas interactuasen con el microentorno cercano al electrodo y después las hemos recuperado para que pudiesen informar al dispositivo de lo que habían visto. Esta forma de “comunicación molecular” es, de algún modo, análoga al sonar, aunque utilizando moléculas redox en lugar de ondas sonoras. 

Estos métodos de comunicación molecular se utilizaron para identificar patógenos, monitorizar el “estrés” en los niveles sanguíneos de personas con esquizofrenia e incluso determinar las diferencias de melanina de los pelirrojos. El equipo de Maryland lleva casi una década desarrollando metodologías que permitan aprovechar las moléculas redox para estudiar la biología transcribiendo directamente la información a dispositivos con electroquímica. 

Quizá sea hora de integrar estas tecnologías: emplear la comunicación molecular para observar el funcionamiento biológico y transferir la información a un dispositivo. Después utilizar ese dispositivo –tal vez una pequeña cápsula o incluso un teléfono móvil– para programar bacterias que fabriquen sustancias químicas u otros compuestos que transmitan nuevas órdenes al sistema biológico. Puede sonar fantástico, a muchos años de los usos prácticos, pero nuestro equipo trabaja con ahínco en esas aplicaciones tan valiosas. ¡Atentos a los avances!

Gregory Payne es profesor de bioingeniería en la Universidad de Maryland.

Cláusula de divulgación

William Bentley recibe financiación de la Fundación Nacional para la Ciencia, el Departamento de Agricultura y el Departamento de Defensa (Agencia de Defensa para la Reducción de Amenazas, DTRA) estadounidenses.

Gregory Payne recibe financiación de la Fundación Nacional para la Ciencia, los Institutos Nacionales para la Salud y el Departamento de Defensa estadounidenses.