Secuenciación unicelular: revelando los secretos de las bacterias

Desde hace más de un siglo los científicos han estudiado las bacterias como si fueran poblaciones homogéneas. Sin embargo, ahora se sabe que las bacterias individuales pueden comportarse de maneras muy diferentes, incluso en grupos genéticamente idénticos.

La secuenciación unicelular pasó de estudiar poblaciones a examinar individuos. Gracias a esto se ha descubierto que el mundo microbiano es mucho más complejo y fascinante de lo que se imaginaba. Estas técnicas prometen revolucionar campos como la medicina, la agricultura y la biotecnología.

Los retos superados

Las bacterias miden unas 2 micras, es decir que son unas 50 veces más pequeñas que un cabello humano. Así mismo, tienen cantidades mínimas de material genético. Hasta hace poco era imposible estudiarlas de forma individual.

Primero fue necesario desarrollar métodos que permitieran aislar las células individuales sin dañarlas. En esto, fue clave la microfluídica, una tecnología que manipula fluidos a escalas microscópicas. Así mismo, se crearon sistemas como los de 10x Genomics que permiten capturar bacterias individuales en diminutas gotas de gel.

El siguiente escollo fue la amplificación del escaso material genético que contienen las bacterias. Para lograrlo, se utilizaron técnicas como la MDA (Amplificación por Desplazamiento Múltiple). Estas pueden crear millones de copias a partir de las pocas moléculas de ADN o ARN de una sola bacteria.

A estos avances se sumó el uso de plataformas de secuenciación de tercera generación como Nanopore. Todo en conjunto hizo posible leer el “libro de instrucciones” molecular de las bacterias individuales. En otras palabras, realizar la secuenciación unicelular.

Diversidad bacteriana

La aplicación de la secuenciación unicelular ha arrojado resultados sorprendentes. Lo más llamativo ha sido detectar la inmensa diversidad que presentan las bacterias individuales. En experimentos realizados con la E. coli expuesta a los antibióticos, se observaron tres hechos fundamentales:

• Algunas células activaban inmediatamente sus genes de resistencia.
• Otras células entraban en un estado de “hibernación” metabólica.
• Un tercer grupo mostraba patrones de expresión génica completamente distintos.

Esta variabilidad explica por qué las infecciones bacterianas pueden ser tan difíciles de erradicar. Cuando un antibiótico ataca, siempre hay algunas células con estrategias alternativas de supervivencia, listas para repoblar el entorno una vez que termina la amenaza.

Aplicaciones médicas

La secuenciación unicelular está permitiendo que se desarrollen enfoques mucho más sofisticados para tratar las infecciones. La comprensión de los diferentes mecanismos de resistencia dentro de una misma población bacteriana lleva a que los investigadores puedan diseñar “ataques combinados” que apunten a múltiples vulnerabilidades de forma simultánea.

Un ejemplo prometedor es el trabajo con la Pseudomonas aeruginosa, una bacteria que causa infecciones pulmonares crónicas en pacientes con fibrosis quística. Los estudios unicelulares revelaron que hay subpoblaciones de bacterias con distintos niveles de agresividad y resistencia. Esto explica por qué estas infecciones persisten.

Hay otros aspectos muy interesantes. Estas técnicas han revelado cómo las comunidades bacterianas en el intestino, la piel o el tracto respiratorio se organizan a nivel microscópico. Esto permite comprender mejor desde la obesidad hasta las alergias.

Perspectivas

Se estima que menos del 1% de las bacterias pueden cultivarse en laboratorio. En ambientes extremos como las fuentes hidrotermales oceánicas o el permafrost ártico, los investigadores están descubriendo especies completamente nuevas con propiedades insospechadas.

A pesar de todo, la secuenciación unicelular de bacterias todavía tiene varias limitaciones. La baja cantidad de material genético sigue siendo un obstáculo y los métodos de amplificación a veces producen errores. Así mismo, para analizar los enormes conjuntos de datos se requieren herramientas bioinformáticas cada vez más sofisticadas.

De todos modos, la integración con otras tecnologías permitirá construir retratos cada vez más completos de la vida bacteriana a nivel individual. En el ámbito clínico, es posible que los diagnósticos futuros identifiquen no solo qué bacteria causa una infección, sino qué subpoblaciones específicas están presentes y cómo podrían responder a diferentes tratamientos.

La capacidad para “escuchar” a las bacterias, una por una, seguirá dando grandes sorpresas en los próximos años.

Desafíos y Futuro de la Secuenciación Unicelular

A pesar de los avances significativos, la secuenciación unicelular aún enfrenta varios desafíos. La obtención de muestras representativas, la interpretación de los datos y la integración de información de diferentes niveles (genético, transcriptómico y metabólico) son solo algunas de las barreras que los científicos deben superar. Sin embargo, el futuro de la secuenciación unicelular parece prometedor.

Con el desarrollo de nuevas plataformas y tecnologías de análisis, se espera que la resolución y la precisión de estos estudios continúen mejorando. Esto podría llevar a descubrimientos aún más sorprendentes sobre la vida microbiana y sus interacciones con el entorno y los seres humanos. ##

Conclusión

Desde la diversidad microbiana hasta sus interacciones complejas y su impacto en la salud humana, esta técnica proporciona herramientas poderosas para explorar el mundo invisible que nos rodea. A medida que continuamos desentrañando los misterios de las bacterias, es probable que descubramos nuevas formas de aprovechar su potencial para mejorar la salud, el medio ambiente y la biotecnología. En un mundo donde los microorganismos son fundamentales para la vida, la secuenciación unicelular es una clave que abre puertas a un futuro lleno de posibilidades.

Lecturas recomendadas

Procesos genéticos de síntesis de proteínas

Modelos de secuenciación, segunda generación