Organismos digitales luchan contra la resistencia bacteriana a los antibióticos

No es mi intención ser alarmista, y mucho menos en estos momentos donde las desgracias se encadenan una tras otra, pero no podemos ignorar que nos enfrentamos a otra pandemia que avanza lenta pero inexorablemente. Se trata de la resistencia bacteriana a los antibióticos causante de 700.000 muertes al año en todo el mundo y que, de no tomar medidas urgentes, se prevé que sea responsable de 10 millones de muertes al año a partir de 2050 (el doble que todos los fallecidos a día de hoy por la COVID-19).

Desde que el científico británico Alexander Fleming descubrió la penicilina en 1928, los antibióticos han salvado millones de vidas en todo el mundo. Pero desde ese mismo momento, las bacterias causantes de infecciones humanas tan terribles como la tuberculosis comenzaron a desarrollar estrategias que les permitían evadir los efectos que los antibióticos les provocaban y que, en última instancia, las conducían irremediablemente a la muerte.

Las bacterias no se defienden de los antibióticos por voluntad propia. El proceso mediante el cual las poblaciones bacterianas se hacen resistentes a un determinado antibiótico es de naturaleza evolutiva. Es decir, para que una bacteria genere descendencia debe copiar su genoma antes de dividirse. Durante este proceso, algunas instrucciones de su genoma se pueden copiar erróneamente. A estos cambios en el ADN los llamamos mutaciones. La mayoría de las mutaciones no tienen efectos importantes en la bacteria. Otras, sin embargo, pueden cambiar la estructura de las moléculas de la pared celular que protege a la bacteria del exterior y que, a su vez, son usadas como receptores por el antibiótico para penetrar en la bacteria y destruirla. Cuando esto sucede, la nueva bacteria mutante que acaba de desprenderse por fisión de su progenitor será resistente al antibiótico. Tras repetidos ciclos de división bacteriana, la población estará únicamente compuesta por bacterias resistentes al antibiótico.

¿Qué podemos hacer cuando una infección bacteriana se ha hecho resistente a un antibiótico? Usar otro. ¿Y cuando las bacterias han desarrollado resistencia a todos los antibióticos disponibles en el mercado? Nada. Ahí esta el problema. Cada vez es más difícil para la industria farmacéutica desarrollar nuevos antibióticos y cuando lo logra, las bacterias evolucionan resistencia muy rápidamente. Por tanto, necesitamos explorar alternativas que complementen o sustituyan a los antibióticos.

En la naturaleza, las bacterias tienen enemigos. Hay virus que se han especializado en infectarlas para multiplicarse en su interior y destruirlas posteriormente cuando salen al exterior en busca de otras bacterias a las que infectar. Estos virus específicos de las bacterias se denominan “fagos”. ¿Y si usamos a estos enemigos naturales de las bacterias como arma biológica para luchar contra las infecciones bacterianas resistentes a los antibióticos? Parece una idea novedosa pero en realidad no lo es. Desde el momento en el que los antibióticos se usaron masivamente en occidente, científicos soviéticos aplicaron esta idea al otro lado del telón de acero. Y a día de hoy, el uso de fagos como agente terapéutico (fagoterapia) es legal en Georgia, Polonia y Rusia.

La fagoterapia ha cobrado interés en los últimos años como solución al problema de la resistencia bacteriana a los antibióticos. Sin embargo, el proceso evolutivo responsable de que las bacterias desarrollen resistencia a los antibióticos seguirá actuando, esta vez contra los fagos. Es decir, los fagos usan ciertas moléculas de la superficie de la pared bacteriana como receptores para anclarse e inyectar su genoma en el interior de la bacteria. Si estos receptores cambian como consecuencia de las mutaciones que suceden espontáneamente en el genoma bacteriano, los fagos no podrán entrar en la bacteria y destruirla al salir después de haberse multiplicado en su interior. Si las bacterias pueden hacerse resistentes a los fagos del mismo modo que se han hecho resistentes a los antibióticos, la fagoterapia no deja de ser una alternativa con fecha de caducidad.

Y es en este punto en donde los ecólogos y biólogos evolutivos pueden aportar su grano de arena en el campo de la biomedicina. Los fagos, al contrario que los antibióticos, pueden evolucionar para contrarrestar la resistencia que las bacterias desarrollarán contra ellos. El proceso de cambio evolutivo recíproco entre especies interactuántes se denomina coevolución. Si pudiéramos impulsar el potencial evolutivo de los fagos, cada vez que las bacterias desarrollen resistencia cambiando los receptores de la pared bacteriana, los fagos mutarían y cambiarían las estructuras de anclaje a la pared bacteriana para adecuarse a los nuevos receptores y poder seguir infectando a las bacterias. Si quiere sobrevivir, el fago no puede dejar de coevolucionar con su hospedador, al igual que la velocidad del guepardo no ha dejado de aumentar para contrarrestar la de la gacela que le sirve de sustento.

Nuestro grupo de investigación se dedica a estudiar la coevolución entre los fagos y sus hospedadores bacterianos con el objetivo de descubrir mecanismos ecológicos que nos permitan diseñar fagos con alto potencial coevolutivo. Sin embargo, en lugar de trabajar en el laboratorio de microbiología, estudiamos la coevolución dentro de un ordenador, en una plataforma computacional de Vida Artificial en la que programas informáticos autorreplicantes mutan, interaccionan y coevolucionan en un entorno puramente digital.

Estas réplicas digitales de los fagos que infectan bacterias nos permiten observar el proceso coevolutivo en cuestión de minutos, en la pantalla del ordenador, ante nuestros propios ojos. Y esto se debe a que la información contenida en el genoma de un organismo digital está codificada, en lugar de en ADN, en ceros y unos que se representan mediante diferentes voltajes en semiconductores. Mas allá de esta diferencia, el paralelismo entre organismos naturales y artificiales es más que razonable. El resultado de nuestras investigaciones con réplicas digitales contribuirá al desarrollo de la fagoterapia como solución real al problema de la resistencia bacteriana a los antibióticos.