Estudio de microbiotas complejas

Microbiota, microbioma y técnicas “–ómicas". Genoma y Metaboloma

Estudio de microbiotas complejas

La microbiota de cada persona y de cada animal constituye un auténtico órgano vital que ejerce una influencia clave sobre su salud. Su conocimiento, cada vez mayor, está abriendo perspectivas tan prometedoras como insospechadas para el sector biomédico, tanto humano como veterinario.

  • Microbiota, microbioma y técnicas “–ómicas”

    En febrero de 2001, las dos publicaciones científicas más prestigiosas, Nature y Science, publicaron simultáneamente la secuenciación definitiva del Genoma Humano. Paradójicamente, ese no fue el punto final del conocimiento de los genes implicados en la salud y la enfermedad en la especie humana sino que, inmediatamente, diversos grupos se embarcaron en un objetivo mucho más complejo: descifrar el “microbioma” humano. El microbioma humano es un término que alude a los genomas de todos los microorganismos que viven en nuestro cuerpo (nuestra microbiota). Se calcula que la proporción de células humanas a células microbianas es de uno a diez mientras que el número de genes microbianos es más de 100 veces superior al de nuestro genoma “humano”. En otras palabras, sería más apropiado vernos a nosotros mismos como un conjunto de muchas especies, en el que nuestro bagaje genético está integrado tanto por los genes humanos como por los genomas de nuestros socios microbianos. En consecuencia, los humanos somos “superorganismos” cuyo metabolismo representa una amalgama de propiedades microbianas y humanas. Las poblaciones microbianas ejercen una gran influencia sobre muchas funciones bioquímicas, fisiológicas e inmunológicas del hospedador en el que residen, existiendo una relación cada vez más clara entre la microbiota humana y la salud o la enfermedad.

    La microbiología tradicional ha estado basada en el estudio de las especies cultivables como unidades individuales pero raramente se ha adentrado en las interacciones interespecíficas o en las interacciones con el hospedador. Aunque este enfoque ha proporcionado información muy valiosa (y sigue siendo muy útil), muchos de los microorganismos que componen nuestro microbioma no han podido ser cultivados para su análisis, posiblemente porque su crecimiento depende de un microambiente específico que, de momento, no puede ser reproducido experimentalmente. Los avances en diversas técnicas (PCR cuantitativa, microarrays, pirosecuenciación del ADN, bioinformática…) han permitido la creación de una nueva área de investigación (la “metagenómica”), permitiendo un estudio exhaustivo de comunidades microbianas, incluyendo a los miembros no cultivables. En vez de examinar el genoma de una cepa bacteriana que ha sido crecida en el laboratorio, el enfoque metagenómico permite el análisis del material genético derivado de comunidades microbianas completas en su propio ambiente natural. En 2006 se presentó el primer análisis metagenómico detallado de la microbiota intestinal humana, que demostró que las bacterias que habitan nuestro colon no sólo ayudan a mantener la mucosa intestinal en buen estado sino que nos proporcionan actividades metabólicas esenciales. Serán necesarios muchos más estudios para conocer mejor el microbioma y para valorar el efecto de la edad, dieta y estados patológicos pero, como comentaron los propios autores, “los resultados podrían ofrecer una amplia visión de la biología humana, incluyendo nuevos marcadores para definir nuestra salud, nuevas formas de optimizar nuestra nutrición personal, una nueva manera de predecir la biodisponibilidad de fármacos administrados por vía oral y una nueva forma de pronosticar nuestra predisposición individual y social a alteraciones como las infecciones, la obesidad o las enfermedades inmunológicas”. Casi simultáneamente, dos estudios metagenómicos exploraron las posibles relaciones entre la microbiota intestinal y la obesidad.

    A pesar de las limitaciones actuales, los avances en este tema conducirán a un mejor conocimiento sobre cómo las fluctuaciones en los metagenomas, transcriptomas y proteomas microbianos pueden afectar a rutas de señalización celular claves para nuestra fisiología y/o patología. En este contexto, se ha sugerido que diversos procesos fisiológicos, tales como el desarrollo de la inmunidad (innata y adquirida), los mecanimos de resistencia/predisposición a infecciones o la biodisponibildad de nutrientes, podrían modificarse en el futuro cambiando la composición y funciones de las comunidades microbianas. Este hecho podría contribuir a un diseño más racional de probióticos y de compuestos antialérgicos, antiinflamatorios, analgésicos, antibióticos y prebióticos. De hecho, las relaciones entre inflamación, neoplasia y nutrición pueden verse clarificadas en el contexto de futuras investigaciones en torno al microbioma y los probióticos.

  • Bacterias probióticas: del genoma microbiano al metaboloma humano

    En los últimos años, se han secuenciado los genomas de diversas bacterias lácticas y bifidobacterias. Como consecuencia, se está empezando a entender mejor su gran diversidad ecológica y funcional. La comparación de las secuencias disponibles ha permitido identificar numerosos genes implicados en los procesos fermentativos y/o en sus papeles como probióticos en ecososistemas microbianos complejos. En general, los genomas de estas bacterias revelan una clara tendencia hacia un proceso de evolución reductiva, como respuesta a la adaptación de estas bacterias a ambientes nutricionalmente ricos. A pesar de su pequeño tamaño, los genomas de estas bacterias codifican un amplio repertorio de transportadores encargados de una adquisición eficaz de fuentes de carbono y nitrógeno, lo que refleja una capacidad biosintética bastante limitada. Los análisis filogenéticos indican la combinación de una pérdida masiva de genes con la adquisición de ciertos genes clave a través de mecanismos de transferencia horizontal.

    La variación en el número de pseudogenes y de genes que dirigen la captación de nutrientes y el metabolismo son un reflejo de la adaptación de cada especie/cepa a ciertos nichos específicos (productos lácteos, mucosas). Algunos de los genes específicos de nicho parecen haber sido adquiridos recientemente y están localizados en plásmidos o adyacentes a profagos. El análisis de los genomas disponibles está proporcionando respuestas sobre genes responsables de algunos de los fenotipos por los que se han explotado estas bacterias durante siglos y, al mismo tiempo, está revelando la posible existencia de propiedades desconocidas hasta la fecha. Además, se están identificando dianas génicas de gran utilidad para un análisis funcional, incluyendo genes, operones y agrupaciones de operones implicados en la adhesión a las células epiteliales, en la tolerancia a la acidez o a las sales biliares.

    Paralelamente a la genómica, la aplicación de la proteómica al estudio de las bacterias lácticas y bifidobacterias también ha experimentado un gran desarrollo en los últimos años. De esta forma, se han podido establecer mapas de referencia que permiten detectar variaciones incluso entre cepas de una misma especie y que son muy útiles para elucidar los mecanismos que explican la adaptación a ciertas condiciones ambientales. El análisis proteómico de las bacterias presentes en quesos también ha revelado que las rutas metabólicas predominantes difieren entre las distintas cepas existentes en un mismo queso.

    Finalmente, aunque se asume que la microbiota tiene un gran impacto en la salud humana, los procesos bioquímicos responsables de tales efectos siguen siendo poco conocidos. Recientemente, un estudio metabolómico en el que se comparaban muestras de plasma obtenidas de ratones gnotobióticos (libres de microorganismos) y de ratones convencionales demostró la importancia del microbioma intestinal en el perfil de metabolitos sanguíneos y sugirió la existencia de una intensa interrelación entre el metabolismo del hospedador y el de las bacterias que alberga en su interior. Todos estos precedentes hacen que la aplicación de las técnicas genómicas, metagenómicas, transcriptómicas, proteómicas y/o metabolómicas sean muy atractivas para evaluar los cambios producidos en un hospedador como consecuencia de la alteración de su microbiota.