En la carrera contra la resistencia a los antibióticos, uno de los problemas de salud pública más urgentes del siglo XXI, la ciencia ha encontrado un nuevo aliado inesperado: las arqueas. Se trata de unos microorganismos unicelulares que llevan miles de millones de años prosperando … en entornos donde la vida parece imposible. Por ejemplo, son capaces de sobrevivir en aguas termales que están a más de 90 ºC, en chimeneas hidrotermales a kilómetros bajo el mar, lagos saturados de sal o flotando en ácidos tan corrosivos que destruirían casi cualquier otro ser vivo. Hasta ahora, este dominio de la vida, separado tanto de las bacterias como de los eucariotas, que incluyen plantas, animales y hongos, había sido casi ignorado en la búsqueda de antibióticos.
Ahora, el equipo multidisciplinar de la Universidad de Pennsylvania, dirigido por el investigador gallego César de la Fuente, que lleva años ‘rebuscando’ entre la vida más extrema posibles nuevos antibióticos ha centrado el poder de sus herramientas basadas en inteligencia artificial para rastrear entre las arqueas. En concreto, han analizado por primera vez los proteomas -el conjunto de proteínas- de cientos de especies de este tipo de ser vivo con el objetivo detectar moléculas con capacidad para frenar o eliminar bacterias peligrosas para la salud humana. Los resultados acaban de publicarse en la revista ‘Nature Microbiology‘.
Más de 12.000 candidatos a antibióticos
A su algoritmo, una versión mejorada de su plataforma APEX que ya encontró nuevos potenciales antibióticos en el ADN de mamut, identificó más de 12.000 candidatos a antibióticos. Los compuestos, bautizados como «arqueasinas» (archaeasins), muestran características químicas diferentes a las de otros péptidos antimicrobianos conocidos, como la distribución de su carga eléctrica, lo que sugiere que podrían actuar de maneras inéditas contra los patógenos.
Arqueas, mamuts y veneno
Explorando potenciales antibióticos en ADN extremo
César de la Fuente, quien dirige el grupo de Biotecnología y Máquinas (Machine Biology) de la Universidad de Pensilvania, no es un recién llegado a este campo. Conocido internacionalmente por combinar IA y biología para acelerar el descubrimiento de medicamentos, su laboratorio ya ha utilizado antes esta estrategia para encontrar antibióticos en lugares tan insólitos como el ADN de animales extintos, incluido el mamut lanudo, o en el veneno de ciertas especies. Estima que su investigación ha multiplicado por millones la velocidad con la que se pueden identificar nuevos compuestos antimicrobianos, reduciendo décadas de trabajo a cuestión de horas.
En concreto, el primer paso del grupo es, gracias a su herramienta APEX, identificar moléculas prometedoras para nuevos antibióticos. Después lo lleva del mundo virtual al real, sintetizándolas con la ayuda de un robot que, siguiendo las ‘recetas genéticas’ proporcionadas por el algoritmo, fabrica los potenciales antibióticos en el laboratorio. Y su trabajo prosigue aún más allá: dos centenares de estos prometedores fármacos ya han sido testados en ratones. Sin embargo, las farmacéuticas no apuestan por su trabajo. «No es rentable económicamente desarrollar un antibiótico, incluso aunque sea un problema de salud mundial que mata a millones de personas cada año», lamenta.
No obstante, el investigador coruñés, cuyo trabajo ha sido reconocido con decenas de premios, resume así la filosofía de su grupo: «El planeta está lleno de soluciones biológicas que aún no hemos descubierto. La IA nos da las herramientas para explorarlas mucho más rápido y, quizá, adelantarnos a la próxima crisis sanitaria».
Para evaluar su potencial, el equipo sintetizó 80 arqueasinas y las sometió a pruebas contra bacterias resistentes a múltiples fármacos. El 93% mostró actividad antimicrobiana en laboratorio. Entre todas, una (el archaeasin-73) destacó por su potencia: en modelos animales, consiguió frenar una infección con la misma eficacia que la polimixina B, un antibiótico de última línea que se reserva para casos extremos cuando otros tratamientos han fracasado.
Un océano de posibilidades
«Las arqueas han evolucionado mecanismos bioquímicos muy peculiares para sobrevivir en condiciones hostiles. Esa singularidad las convierte en una fuente prometedora de nuevos fármacos», explica Marcelo Torres, uno de los autores del estudio junto a De la Fuente. «Lo que hemos hecho con la IA es sumergirnos en ese océano de posibilidades y extraer los candidatos más prometedores, reduciendo millones de opciones a unas pocas docenas que podemos probar rápidamente en el laboratorio».
La estrategia no solo es innovadora por el uso de organismos poco explorados, sino también por la velocidad del proceso. Tradicionalmente, la búsqueda de nuevos antibióticos implica años de investigación y cribado manual de moléculas. Con el enfoque de De la Fuente y su equipo, el ciclo de descubrimiento se acorta drásticamente: lo que antes podía tardar décadas ahora se logra en horas de cómputo y unas semanas de validación experimental.
«Este estudio demuestra cómo la inteligencia artificial puede revelar antibióticos escondidos en lugares insospechados», afirma De la Fuente. «Combinar algoritmos con ensayos rápidos nos permite acelerar el descubrimiento a velocidad digital».
Más allá de la resistencia
La amenaza de las bacterias resistentes a múltiples medicamentos crece cada año. Según la Organización Mundial de la Salud, ya son responsables de más de un millón de muertes anuales y podrían provocar muchas más si no se desarrollan nuevos tratamientos. La mayoría de los antibióticos actuales derivan de compuestos descubiertos en bacterias y hongos hace décadas. Desde entonces, el ritmo de innovación ha sido lento y los patógenos han tenido tiempo de adaptarse.
Las arqueas ofrecen un horizonte distinto. Al no haber sido una fuente habitual de antibióticos, sus compuestos no han ejercido presión selectiva sobre las bacterias patógenas, lo que aumenta la probabilidad de que estas no tengan defensas preexistentes contra ellos. Además, el hecho de que algunas arqueas vivan rodeadas de otros microbios en entornos extremos sugiere que han desarrollado armas químicas potentes y originales para defenderse.
Del laboratorio al hospital
No obstante, si bien los resultados son prometedores, todavía queda un largo camino antes de que una arqueasina llegue a los hospitales y las farmacias. El equipo planea mejorar aún más su modelo APEX para predecir la actividad antimicrobiana no solo a partir de la secuencia de aminoácidos, sino también de la estructura tridimensional de los compuestos. Este paso podría afinar las predicciones y reducir el número de candidatos que fracasan en fases avanzadas.
Asimismo, será necesario estudiar la seguridad, la estabilidad y el mecanismo de acción de las arqueasinas en organismos vivos, así como su eficacia contra un espectro más amplio de patógenos. «Este es solo el principio -afirma de la Fuente-. Las arqueas son uno de los linajes más antiguos del planeta y todavía tienen mucho que enseñarnos sobre cómo vencer a los patógenos de hoy».
Si las arqueas cumplen la promesa que sugieren los datos iniciales, este descubrimiento podría marcar el inicio de una nueva era en la lucha contra las infecciones resistentes. Una era en la que la minería de datos biológicos en dominios de vida casi inexplorados se convierta en una estrategia tan habitual como lo fue, en su día, buscar antibióticos en el suelo o en los hongos.