Investigadores desarrollan “tijeras moleculares” encapsuladas para manipular comunidades microbianas y frenar la contaminación por drenaje ácido de minas

Un equipo de científicos del Centro Ciencia & Vida, de la Fundación Ciencia & Vida y la Universidad San Sebastián, está desarrollando una innovadora plataforma de “ingeniería de comunidades” para neutralizar selectivamente a los microorganismos responsables de uno de los mayores pasivos ambientales de la minería: el drenaje ácido de minas.

La investigación desarrollada fue financiada a través de un Proyecto Exploración de la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID), adjudicado en el primer llamado de este innovador instrumento.

El proyecto, liderado por los científicos, Dr. Simón Beard y Dra. Raquel Quatrini, utilizó herramientas de edición génica (CRISPR/Cas) encapsuladas en nanopartículas lipídicas para crear un sistema de alta precisión para eliminar a bacterias responsables de la generación de ácido en lugares donde se acumulan residuos mineros sin afectar a otros microorganismos nativos presentes en el lugar. 

Un legado ácido

Chile es el primer productor mundial cuprífero, con una producción de 5,5 millones de toneladas de cobre fino estimadas en 2024. Esta actividad ha generado cientos de pasivos ambientales, como los más de 800 tranques de relave registrados a lo largo del país.

Cuando estos residuos mineros se exponen al aire y la humedad, pueden generar drenaje ácido de minas. Este fenómeno se caracteriza por afectar aguas superficiales en contacto con estos materiales, volviéndola altamente tóxica, principalmente por dos factores:

• Alta acidez: El agua se acidifica progresivamente en el tiempo, pudiendo descender a valores de pH tan bajos como 0,5.

• Alta concentración de metales pesados: junto con la baja en el pH, se solubilizan elementos como arsénico, plomo, cadmio y cobre, que son tóxicos para los seres vivos.

La causa principal de este desastre ambiental es biológica. Un grupo de microorganismos acidófilos y litótrofos, es decir, que gustan de ambientes ácidos y que son capaces de literalmente “comer” rocas, oxidan los minerales presentes en los relaves, generando ácido sulfúrico y liberando los metales tóxicos al entorno.

Como explica el Dr. Simon Beard, académico de la Universidad San Sebastián e investigador del Centro Basal Ciencia & Vida, "buscamos aportar desde la ciencia con soluciones innovadoras para afrontar los desafíos ambientales de la actividad minera. Desde nuestra experiencia en microbiología molecular de bacterias acidófilas quisimos explorar el desarrollo de herramientas moleculares de última generación basadas en edición genética, además de sumar el desafío de obtener formulación de vehículos para la entrega de estas herramientas en ambientes acídicos". 

Agrega que "un carácter distintivo de nuestra investigación está en la incorporación de principios de biología sintética en el diseño de estas herramientas moleculares. Estamos muy satisfechos con los resultados, ya que desarrollamos una plataforma de partes  y dispositivos genéticos que podemos combinar y reutilizar para adaptar la funcionalidad y especificidad de nuestras herramientas con mucha facilidad".

Por su parte la Dra. Raquel Quatrini, investigadora principal y directora alterna del Centro Basal Ciencia & Vida, académica de la carrera de Bioquímica de la Facultad de Ciencias de la Universidad San Sebastián, "la posibilidad de intervenir selectivamente comunidades microbianas representa un desafío central en la biotecnología actual, con implicancias que abarcan desde la salud humana hasta la minería sustentable. Mi grupo de investigación busca comprender las reglas que rigen la organización de las comunidades microbianas involucradas en la biolixiviación, y desarrollar herramientas que permitan dirigir sus funciones, promoviendo procesos beneficiosos o mitigando sus impactos negativos, como el drenaje ácido de minas. Aunque aún en etapa de validación experimental, los resultados generados en este proyecto nos acercan un paso más en esa dirección".

CRISPR y liposomas

El equipo de investigación se preguntó si era posible usar su conocimiento sobre estas comunidades microbianas para inhibir selectivamente solo a las bacterias responsables de este problema sin afectar a toda la comunidad. Para ello, se puso a prueba una estrategia basada en más de una capa de selectividad, tanto en la entrega de las tijeras moleculares como en la especificidad de corte de estas en el genoma de la bacteria objetivo.  

Esta propuesta tiene su origen en dos tecnologías de vanguardia:

1. Tijeras moleculares CRISPR/Cas: El proyecto utiliza la famosa herramienta de edición génica CRISPR/Cas. Esta funciona como una “tijera molecular”, compuesta por una proteína que corta el ADN y una guía de ARN que la dirige a un sitio específico del genoma. La apuesta del equipo es diseñar guías que apunten a secuencias de ADN exclusivas de las bacterias generadoras de acidez, logrando así que las tijeras destruyan su material genético sin afectar al resto de la comunidad bacteriana, ni a plantas, peces o animales.

2. Un vehículo de nanopartículas lipídicas (liposomas): Para que estas tijeras funcionen, deben sobrevivir al ambiente extremo del drenaje y entrar en las bacterias. Para ello, el equipo explora el uso de liposomas, los que funcionan como “burbujas de jabón” que encapsulan las herramientas CRISPR, las protegen de la acidez y facilitan su fusión con las bacterias objetivo, las que además se pueden funcionalizar para que la entrega sea dirigida.

La estudiante de Magíster en Biomedicina Molecular de la Universidad San Sebastián, Catalina López, explica que "lo que hicimos fue diseñar tijeras moleculares basadas en sistemas CRISPR/Cas con instrucciones precisas de dónde tienen que cortar en el ADN de las bacterias de interés. Otro aspecto del desarrollo fue evaluar distintos promotores para regular la cantidad de esta tijera molecular, de manera de obtener un  dosificador genético que nos permite aumentar o disminuir la intensidad del sistema, evitando que se generen efectos no deseados o inespecíficos a consecuencia de altos niveles de expresión. Luego probamos todos los componentes en el laboratorio para asegurarnos de que nuestra herramienta solo cortara en el lugar correcto y en las condiciones deseadas, confirmamos que la herramienta fuera específica, segura y confiable antes de avanzar a su encapsulación y entrega para demostrar su funcionamiento en sistemas más complejos".