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Ingeniería de mundos microbianos
La pérdida de una familia intensificó el interés de Cullen Buie por las bacterias y por aprovecharlas para siempre. 25 de abril de 2018
Cody O'Laughlin
De la miríada de especies de bacterias del mundo (las estimaciones van de millones a miles de millones, dependiendo de a quién le preguntes), los científicos han identificado y catalogado solo unas 20.000. Y entre esas especies, menos del 1 por ciento han estado sujetas al tipo de manipulación que podría ayudar a los investigadores en el floreciente campo de la ingeniería genética a adaptarlas para innumerables propósitos humanos.
Hay tantas cosas que no sabemos, dice Cullen Buie, recientemente titular de Esther y Harold E. Edgerton Career Development Professor de ingeniería mecánica. Todo el trabajo se está haciendo en el 1 por ciento del 1 por ciento. Literalmente solo estamos arañando la superficie.
Pero el potencial es enorme: al alterar el código genético de las bacterias existentes, los investigadores en un futuro no muy lejano pueden construir microorganismos que pueden hacer cosas como tratar enfermedades, crear fertilizantes a pedido o limpiar derrames de petróleo.
Existe toda esta motivación para tratar de aprovechar el mundo microbiano, y la gente se está dando cuenta: 'Hombre, estamos limitados por nuestras herramientas', dice. Entonces, Buie está utilizando su experiencia en microfluidos para crear dispositivos que espera que realmente puedan arrojar luz sobre todo tipo de problemas que antes ni siquiera podían analizar. En el MIT, dirige el Laboratorio de Innovación en Energía y Microsistemas (LEMI), que se centra en la investigación de electroquímica, microfluídica y celdas de combustible, gran parte de la cual tiene como objetivo encontrar nuevas formas de manipular bacterias. También cofundó una startup que desarrolla una herramienta de microfluidos que podría acelerar drásticamente el ritmo de la ingeniería genética.
Vaya, esto es perfecto
Buie inicialmente no se propuso estudiar bacterias. Cuando era adolescente, tenía la intención de dedicarse a la medicina, siguiendo los pasos de su hermana mayor, Simone. Pero asistir a un campamento de ingeniería preuniversitario lo llevó a especializarse en ingeniería mecánica en Ohio State. Luego, como becario de investigación graduado de la Fundación Nacional de Ciencias en Stanford, se sintió atraído por la energía renovable y por las micro y nanotecnologías. Así que se unió al laboratorio del profesor de ingeniería mecánica Juan Santiago, quien acababa de recibir fondos para un proyecto de construcción de bombas a nanoescala para celdas de combustible de vehículos. Yo estaba como, 'Wow, esto es perfecto. Esto es energía alternativa y microescalas, todo a la vez”, dice.
Bajo Santiago, Buie se centró en bombas electroosmóticas microfluídicas que utilizan campos eléctricos para regular la presión y el caudal. Para su disertación, exploró su uso en celdas de combustible de baja temperatura. En una beca posdoctoral en la Universidad de California, Berkeley, Buie centró su atención en las celdas de combustible microbianas, que a menudo se usan en biosensores e instalaciones de tratamiento de aguas residuales. Las celdas de combustible microbianas contienen bacterias adheridas a un electrodo. Cuando se les da materia orgánica de fuentes como las aguas residuales, las bacterias descomponen los alimentos, lo que permite aprovechar los electrones para crear una corriente eléctrica.
Las propiedades de la superficie determinan si las bacterias que fluyen a través de un canal microfluídico pellizcado son inmovilizadas por ciertos campos eléctricos. Cortesía de cullen buie
Al año siguiente, el trabajo bacteriano se convirtió en algo personal. En 2010, poco después de unirse a la facultad del MIT como profesor asistente de ingeniería mecánica, recibió una llamada telefónica. Su hermana, Simone, había sido ingresada en un hospital en Ohio ese mismo día con fiebre altísima, latidos cardíacos rápidos y dolor. Murió horas después de sepsis, una condición que ocurre cuando los esfuerzos del cuerpo para combatir bacterias comunes como estafilococo aureus (estafilococo) y Estreptococos desencadenar la inflamación que conduce a la insuficiencia orgánica.
Buie estaba devastado. Mientras superaba su dolor, comenzó a pensar en la muerte de su hermana desde una perspectiva científica. Fue un poco impactante para mí que la gente todavía muriera por infecciones bacterianas, dice. Ya estaba trabajando en celdas de combustible microbianas, y cuando esto sucedió, despertó mi curiosidad sobre las bacterias y todas las cosas diferentes que pueden hacer, tanto buenas como malas.
En ese momento, LEMI apenas estaba despegando, y sus primeros estudiantes y posdoctorados se dirigían por caminos de investigación dispares. Un proyecto se centró en nuevas formas de fabricar superficies superhidrofílicas (que absorben agua) y superhidrofóbicas (que repelen el agua), técnicas que podrían ser útiles en la ingeniería naval, mientras que otro se centró en el diseño de un nuevo tipo de batería que utiliza la dinámica de fluidos para mantener sus componentes. separar.
Hay tanto que no sabemos. Todo el trabajo se está haciendo en el 1 por ciento del 1 por ciento. Literalmente solo estamos arañando la superficie.
Mientras tanto, otros investigadores de LEMI se centraron en desarrollar herramientas de microfluidos que utilizarían un proceso llamado dielectroforesis para clasificar las bacterias según las propiedades eléctricas de sus células, que incluyen la polarización, la acumulación de carga en su superficie. Para este proyecto, el equipo de Buie utilizó canales de microfluidos del ancho de unos cinco cabellos humanos, con puntos de cuello de botella de aproximadamente una décima parte de ese tamaño en el medio. Empujaron células de Pseudomonas aeruginosa bacterias a través de los canales y campos eléctricos aplicados. A medida que aumentaban el voltaje, distintas cepas bacterianas se deslizaban por el canal mientras otras se detenían en el embotellamiento , donde el campo eléctrico era más intenso.
Precisamente dónde se detuvo una célula, y qué tan intenso era el campo eléctrico en ese punto, mostró a los investigadores qué tan polarizada estaba la superficie de la bacteria, proporcionando pistas sobre su patogenicidad. Más cepas patógenas de Pseudomonas aeruginosa tienen más probabilidades de polarizarse a voltajes más bajos, lo que llevó a Buie a pensar que la investigación podría aplicarse para ayudar a diagnosticar condiciones bacterianas como la sepsis a tiempo para salvar vidas.
Sin embargo, ya existían métodos más prácticos para determinar si las bacterias son patógenas. Ahora, Buie se está enfocando en usar la dielectroforesis para conectar la información genética con las propiedades físicas de las bacterias. Si, por ejemplo, se eliminan genes de una cepa bacteriana poco estudiada, cualquier cambio resultante en la polarización puede ofrecer información sobre cuál podría ser la utilidad de esos genes o qué área de la célula podrían estar afectando, dice.
De afuera hacia adentro
En 2013, Buie centró su atención en encontrar una manera de acelerar drásticamente la ingeniería genética. Los investigadores habían estado insertando durante mucho tiempo diferentes tipos de ADN en las células para intentar que, por ejemplo, combatieran los patógenos o metabolizaran el dióxido de carbono para ayudar a mitigar el cambio climático. Pero las herramientas para entregar el ADN extraño no avanzaban tan rápido como las estrategias para aprovechar las células manipuladas, según supo después de reunirse con un representante de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa en una charla sobre biología sintética.
Cody O'Laughlin
Para llevar el ADN a las células, muchos investigadores confían en la electroporación, un método que usa pulsos eléctricos finamente sintonizados para abrir temporalmente los poros en las membranas celulares. Pero el proceso requiere que los investigadores conozcan el campo eléctrico exacto que abrirá los poros sin matar la célula. Encontrar ese campo específico y el medio de crecimiento adecuado para cualquier cepa bacteriana determinada puede llevar años. Y una vez hecho esto, el proceso de preparación, pipeteo y zapping eléctrico de cada muestra es minuciosamente lento. Buie estima que un investigador experto puede electroporar solo de 20 a 50 muestras por hora, lo que restringe significativamente la cantidad de experimentos que puede realizar un laboratorio.
Entonces, con la ayuda de una subvención de DARPA, Buie comenzó a trabajar en una forma más rápida de electroporar las células y, finalmente, también abordaría la automatización del proceso. Su equipo, que incluía a los posdoctorados de LEMI Paulo García y Jeffrey Moran, así como al estudiante graduado Zhifei Ge, PhD '16, usó una configuración similar a la de los experimentos de dielectroforesis anteriores de Buie, pero agregaron al canal microfluídico un marcador fluorescente que brillaría. en presencia de ADN. Los canales estaban llenos de bacterias y, a medida que los campos eléctricos aumentaban alrededor del cuello de botella, los poros de la membrana se abrían y dejaban entrar el marcador. Una vez dentro, reaccionó con el ADN de la bacteria e hizo que la célula brillara, proporcionando un indicador visible del campo eléctrico necesario para abrir los poros de una cepa en particular.
Una vez que los investigadores saben eso, aún se enfrentan a la laboriosa tarea de eliminar manualmente cada célula para insertar el ADN deseado. Entonces, Buie, -Garcia, y el asistente de investigación graduado de LEMI, Rameech -McCormack, SM '17, también diseñaron una pipeta que aplica el campo eléctrico correcto a medida que las células fluyen a través de canales microfluídicos cargados eléctricamente integrados en su punta. A través de su puesta en marcha, llamada Kytopen, Buie y García (que se desempeña como director ejecutivo de Kytopen) están diseñando un sistema automatizado equipado con 96 o más pipetas de electroporación simultáneas, cada una de las cuales puede abordar una muestra cada ocho a 10 segundos. Al hacer posible insertar ADN en células bacterianas hasta 10.000 veces más rápido, el dispositivo podría permitir a los investigadores procesar rápidamente millones de variaciones en un experimento de ingeniería genética. (Kytopen se encuentra entre las primeras empresas respaldadas por The Engine, el fondo de riesgo/acelerador del MIT para empresas emergentes en etapa inicial que trabajan en tecnologías con gran potencial pero largos plazos de desarrollo. Consulte Invertir en tecnología que vale la pena esperar, marzo/abril de 2018).
El próximo paso de Buie es probar su dispositivo de electroporación en organismos que los científicos aún no pueden modificar genéticamente, y está comenzando con bacterias en la boca. El Instituto Forsyth, una organización sin fines de lucro dedicada a la investigación biotecnológica, ha aislado cientos de variedades de bacterias orales humanas. Buie se ha asociado con Christopher Johnston de Forsyth, un investigador de microbiología que está desarrollando métodos para esquivar los sistemas de defensa celular que rechazan el ADN extraño. Juntos, tienen como objetivo hacer que al menos 200 cepas bacterianas estén disponibles para la ingeniería genética.
Si logran expandir significativamente la cantidad de organismos que los científicos pueden manipular, la investigación podría usarse algún día para diseñar bacterias para aplicaciones importantes en el cuidado de la salud, la energía, la agricultura y la ciencia ambiental.
Buie espera que su trabajo empodere a otros investigadores para que asuman preguntas más difíciles. La gente dejará de decir 'No puedo trabajar en ese error' porque no pueden hacer genética, dice. Dirán: '¿Por qué no intentamos esto?'