Los animales usan sustancias químicas llamadas feromonas para comunicarse entre sí, atraer parejas, marcar territorio y señalar peligro. Las plantas liberan compuestos orgánicos volátiles para atraer a los polinizadores y repeler a los depredadores. Este tipo de comunicación (La comunicación concierne tanto al hombre (comunicación intrapsíquica, interpersonal,…) utilizando moléculas, conocida como «comunicación molecular», también es útil para el hombre, pero de una forma que pasa desapercibida: es gracias a ella que los miles de millones de bacterias naturales que viven dentro de nuestro cuerpo y en nuestra piel pueden interactuar.
Imagen de ilustración Pixabay
De hecho, la microbiota humana, las bacterias naturales presentes en el cuerpo humano (el cuerpo humano es la estructura física de una persona), utiliza moléculas de «detección de quórum» para organizarse y comunicarse con su huésped humano. La microbiota es crucial para nuestra salud, ya que interviene en un gran número de procesos fisiológicos, en particular la digestión (La digestión es el proceso durante el cual un organismo vivo recibe un medio…) y la regulación (El término regulación se refiere en su forma concreta sentido a una disciplina técnica, que es…) del sistema inmunológico (El sistema inmunológico de un organismo es un conjunto coordinado de elementos de…). Nuestra microbiota también produce hormonas y otras moléculas esenciales.
La microbiota intestinal afecta particularmente al sistema nervioso central e influye en el estado de ánimo, el comportamiento y la cognición del huésped a través del «eje intestino-cerebro», una red compleja que conecta el intestino y el cerebro a través de vías de señalización que involucran moléculas.
La mucosa intestinal humana, donde vive nuestra microbiota intestinal. S. Schuller, Bienvenida
Imágenes, CC POR
Esta comunicación basada en el intercambio de moléculas dentro del organismo es esencial para el mantenimiento de la homeostasis (es decir, la estabilidad celular) y se ha asociado con muchos procesos fisiológicos como el desarrollo neuronal y el metabolismo de la dopamina. Por el contrario, cualquier fallo en estas redes de comunicación o en la salud de la microbiota puede contribuir a patologías graves, como el trastorno del espectro autista y la enfermedad de Parkinson.
A pesar de los múltiples beneficios de la microbiota intestinal, su población y funcionamiento en el cuerpo no pueden ser controlados por completo por los humanos, ya que son organismos independientes que viven dentro de nosotros.
Para abordar estos problemas, un campo de investigación está explorando alternativas hechas por el hombre que podrían sustituir a estos organismos en un esfuerzo por hacer que las cosas sean más controlables y predecibles. Investigaciones recientes han demostrado que las bacterias modificadas, también conocidas como «probióticos sintéticos», pueden ofrecer un enfoque prometedor para tratar los trastornos del eje intestino-cerebro en el futuro.
Simbiosis huésped-microbio y eje intestino-cerebro en salud y enfermedad (Institut du Cerveau, Paris Brain Institute).
Estas bacterias modificadas utilizarían la comunicación molecular, como ocurre de forma natural en los organismos vivos, pero aquí como un paradigma de comunicación bioinspirado que utiliza moléculas para transferir información.
¿Cómo serán las bacterias artificiales?
La idea detrás de las bacterias modificadas es que podrían interactuar con el microbioma intestinal y el sistema nervioso central para modular e interferir con las redes de comunicación dentro de estos sistemas. Por ejemplo, podrían programarse para producir moléculas específicas que modulan el crecimiento y la actividad de bacterias específicas en el microbioma intestinal, o para producir moléculas de señalización neuronal similares a neurotransmisores…) que pueden modular la actividad del sistema nervioso.
Las bacterias artificiales también podrían diseñarse para imitar la función de un tipo de bacterias naturales, llamadas probióticos, que tienen efectos beneficiosos sobre el eje intestino-cerebro: estos probióticos naturales pueden restaurar o mantener el equilibrio de la microbiota intestinal, lo que puede ayudar a mejorar síntomas de trastornos relacionados con el intestino, como enfermedad inflamatoria intestinal, diarrea infecciosa y síndrome del intestino irritable.
Las bacterias comensales (no causantes de enfermedades, rojas) residen entre la mucosidad (verde) y las células epiteliales (azul) del intestino delgado, aquí de ratones. NIH
Galería de imágenes, Flickr, CC BY-NC-SA
Por lo tanto, el uso activo de bacterias artificiales en el tratamiento de trastornos relacionados con el eje cerebro-intestino quizás podría permitir avances significativos. La capacidad de diseñar microorganismos para realizar funciones o comportamientos específicos será clave para prevenir la proliferación de patógenos y garantizar la homeostasis en el organismo.
Por ejemplo, al desarrollar bacterias artificiales capaces de producir péptidos antimicrobianos, podríamos atacar y matar bacterias dañinas con mayor precisión, evitando así el desarrollo de resistencia a los antibióticos. De manera similar, al programar bacterias artificiales para promover el crecimiento de microorganismos beneficiosos en el intestino, se podría establecer una comunicación más efectiva entre los microorganismos, promoviendo la restauración de la homeostasis.
El desarrollo de biosensores intestinales y bacterias artificiales para detectar biomarcadores relacionados con enfermedades permitiría su uso como herramientas de diagnóstico.
Sin embargo, el primer paso para desarrollar herramientas de diagnóstico es comprender la comunicación entre las bacterias naturales y el cerebro. Entonces, imitar esta comunicación con contrapartes artificiales podría ayudarnos a combatir muchas enfermedades, como los trastornos del estado de ánimo y el autismo, en un futuro cercano.
¿Cómo desarrollar bacterias artificiales?
La comunicación molecular es un paradigma de comunicación bioinspirado que utiliza moléculas para transferir información como ocurre naturalmente en los organismos vivos, con varios ejemplos análogos en la naturaleza, como se ilustra a lo largo del artículo. Este paradigma de comunicación allana el camino para la realización de diversas aplicaciones previstas.
En el contexto de la comunicación molecular, las bacterias modificadas se refieren a la ingeniería de bacterias artificiales (biológicas o electrónicas) capaces de comunicarse entre sí y con células humanas a nivel molecular. El organismo considerado no es más que una red de sistemas transmisores y receptores de moléculas a escala microscópica o nanoscópica.
Este transceptor basado en bacterias podría enviar y recibir señales moleculares dentro del cuerpo humano para detectar y controlar procesos biológicos en tiempo real. Como se indicó anteriormente, la bacteria diseñada por ingeniería sería una buena candidata para las aplicaciones biomédicas de las redes de nanocomunicación, como el diagnóstico y tratamiento de enfermedades, el control de la salud, la administración de fármacos y los bioimplantes «híbridos» (naturales y artificiales al mismo tiempo).
Sin embargo, diseñar y fabricar tales dispositivos biocompatibles requiere esfuerzos interdisciplinarios en los campos de la teoría de la información y la comunicación, la nanotecnología, la ciencia molecular, entre otros. Estos incluyen el desarrollo de técnicas de comunicación fiables, de baja complejidad, energéticamente eficientes y moleculares, así como modelos realistas de canales de comunicación molecular validados mediante experimentos.
Estos transceptores también podrían diseñarse para desarrollar tecnologías de «laboratorio en un chip», que son sistemas de laboratorio miniaturizados que se pueden usar para realizar diversas pruebas de diagnóstico y analíticas para el eje intestino-cerebro. Aunque hay una gran cantidad de proyectos de investigación en curso y bancos de pruebas desarrollados sobre este tema, no se han realizado experimentos en sistemas vivos. Muchos proyectos de investigación en curso se esfuerzan activamente por realizar este paradigma. Un ejemplo destacable es el desarrollo de un prototipo de receptor de comunicaciones moleculares utilizando grafeno, un nanomaterial con propiedades bioquímicas excepcionales, así como el uso de tecnología de biosensores.
Este trabajo indica que los dispositivos prácticos no están lejos en el horizonte y, dado el ritmo del avance tecnológico, estamos en una buena posición para contemplar la producción de estos dispositivos dentro de unas pocas décadas. Sin embargo, el principal obstáculo que aún enfrentan los investigadores es realizar pruebas exitosas en organismos vivos: ratones, ratas u otro organismo modelo. Los avances en la comunicación molecular y la biología sintética podrían permitir avanzar hacia experimentos in vivo, con el objetivo de desarrollar herramientas de diagnóstico para muchas enfermedades, en particular las relacionadas con el intestino.