Los microbios que se utilizan con fines sanitarios, agrícolas o de otro tipo deben poder soportar condiciones extremas, y lo ideal es que los procesos de fabricación utilizados para elaborar comprimidos se conserven a largo plazo. Los investigadores del MIT han desarrollado una nueva forma de hacer que los microbios sean lo suficientemente resistentes como para soportar estas condiciones extremas.
Su método consiste en mezclar bacterias con aditivos alimentarios y farmacológicos de una lista de compuestos que la FDA clasifica como «generalmente considerados seguros». Los investigadores identificaron fórmulas que ayudan a estabilizar varios tipos diferentes de microbios, incluidas las levaduras y las bacterias, y demostraron que estas fórmulas pueden soportar altas temperaturas, radiación y procesamiento industrial que pueden dañar a los microbios desprotegidos.
En una prueba aún más extrema, algunos de los microbios regresaron recientemente de un viaje a la Estación Espacial Internacional, coordinado por la Gerente de Ciencia e Investigación del Centro Espacial de Houston, Phyllis Friello, y los investigadores ahora están analizando qué tan bien los microbios pudieron soportar esas condiciones.
«El objetivo de este proyecto es estabilizar organismos para condiciones extremas. En realidad, estamos pensando en una amplia gama de aplicaciones, ya sean misiones espaciales, aplicaciones humanas o usos agrícolas», afirma Giovanni Traverso, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, gastroenterólogo en el Brigham and Women’s Hospital y autor principal del estudio.
Miguel Jiménez, ex científico investigador del MIT que ahora es profesor adjunto de ingeniería biomédica en la Universidad de Boston, es el autor principal del artículo, que aparecerá en Materiales de la naturaleza.
Sobreviviendo a condiciones extremas
Hace unos seis años, con financiación del Instituto de Investigación Traslacional para la Salud Espacial (TRISH) de la NASA, el laboratorio de Traverso comenzó a trabajar en nuevos enfoques para hacer que las bacterias beneficiosas, como los probióticos y las terapias microbianas, sean más resistentes. Como punto de partida, los investigadores analizaron 13 probióticos disponibles comercialmente y descubrieron que seis de estos productos no contenían tantas bacterias vivas como indicaba la etiqueta.
«Lo que descubrimos fue que, aunque tal vez no sea sorprendente, existe una diferencia que puede ser significativa», dice Traverso. «Entonces, la siguiente pregunta fue: ¿qué podemos hacer para mejorar la situación?»
Para sus experimentos, los investigadores eligieron cuatro microbios diferentes en los que centrarse: tres bacterias y una levadura. Estos microbios son Escherichia coli Nissle 1917, un probiótico; Ensifera melilotiuna bacteria que puede fijar nitrógeno en el suelo para favorecer el crecimiento de las plantas; Lactobacillus plantarumuna bacteria utilizada para fermentar productos alimenticios; y la levadura Saccharomyces boulardiique también se utiliza como probiótico.
Cuando los microbios se utilizan para aplicaciones médicas o agrícolas, normalmente se secan hasta convertirlos en polvo mediante un proceso llamado liofilización. Sin embargo, normalmente no se pueden transformar en formas más útiles, como comprimidos o píldoras, porque este proceso requiere exposición a un disolvente orgánico, que puede ser tóxico para las bacterias. El equipo del MIT se propuso encontrar aditivos que pudieran mejorar la capacidad de los microbios para sobrevivir a este tipo de procesamiento.
«Desarrollamos un flujo de trabajo en el que podemos tomar materiales de la lista de materiales ‘generalmente considerados seguros’ de la FDA y combinarlos con bacterias y preguntarnos si existen ingredientes que mejoren la estabilidad de las bacterias durante el proceso de liofilización». dice Traverso.
Su sistema les permite mezclar microbios con uno de aproximadamente 100 ingredientes diferentes y luego cultivarlos para ver cuáles sobreviven mejor cuando se almacenan a temperatura ambiente durante 30 días. Estos experimentos revelaron diferentes ingredientes, principalmente azúcares y péptidos, que funcionaron mejor para cada especie de microbio.
Luego los investigadores eligieron uno de los microbios, E. coli Nissle 1917, para una mayor optimización. Este probiótico se ha utilizado para tratar la «diarrea del viajero», una afección causada por beber agua contaminada con bacterias dañinas. Los investigadores descubrieron que si combinaban cafeína o extracto de levadura con un azúcar llamado melibiosa, podían crear una fórmula muy estable de E. coli Nissle 1917. Esta mezcla, que los investigadores llamaron formulación D, permitió tasas de supervivencia superiores al 10 por ciento después de que los microbios se almacenaron durante seis meses a 37 grados Celsius, mientras que una formulación disponible comercialmente de E. coli El Nissle 1917 perdió toda viabilidad después de sólo 11 días en esas condiciones.
La fórmula D también pudo soportar niveles mucho más altos de radiación ionizante, hasta 1.000 grays (la dosis de radiación típica en la Tierra es de unos 15 micrograys por día, y en el espacio, de unos 200 micrograys por día).
Los investigadores no saben exactamente cómo sus fórmulas protegen a las bacterias, pero plantean la hipótesis de que los aditivos pueden ayudar a estabilizar las membranas celulares bacterianas durante la rehidratación.
Pruebas de estrés
Los investigadores demostraron que estos microbios no solo pueden sobrevivir en condiciones adversas, sino que también mantienen su función después de estas exposiciones. Ensifera meliloti Cuando fueron expuestos a temperaturas de hasta 50 grados centígrados, los investigadores descubrieron que aún eran capaces de formar nódulos simbióticos en las raíces de las plantas y convertir el nitrógeno en amoníaco.
También descubrieron que su formulación de E. coli Nissle 1917 fue capaz de inhibir el crecimiento de Shigella flexoruna de las principales causas de muertes asociadas a la diarrea en países de ingresos bajos y medios, cuando los microbios se cultivaron juntos en una placa de laboratorio.
El año pasado, varias cepas de estos microbios extremófilos fueron enviadas a la Estación Espacial Internacional, lo que Jiménez describe como «la prueba de estrés definitiva».
«Incluso el simple envío a la Tierra hasta la validación previa al vuelo y el almacenamiento hasta el vuelo son parte de esta prueba, sin control de temperatura durante el camino», afirma.
Las muestras regresaron recientemente a la Tierra y el laboratorio de Jiménez las está analizando. El científico planea comparar las muestras que se guardaron dentro de la ISS con otras que se atornillaron al exterior de la estación, así como con muestras de control que permanecieron en la Tierra.
La investigación fue financiada por el Instituto de Investigación Traslacional para la Salud Espacial de la NASA, el Centro Espacial de Houston, el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT y por 711 Human Performance Wing y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa.
Otros autores del artículo incluyen a Johanna L’Heureux, Emily Kolaya, Gary Liu, Kyle Martin, Husna Ellis, Alfred Dao, Margaret Yang, Zachary Villaverde, Afeefah Khazi-Syed, Qinhao Cao, Niora Fabian, Joshua Jenkins, Nina Fitzgerald, Christina Karavasili, Benjamin Muller y James Byrne.