Microbiota - Microbiota

Diversas comunidades microbianas de microbiota característica forman parte de los microbiomas de las plantas y se encuentran en las superficies externas y en los tejidos internos de la planta huésped, así como en el suelo circundante.

La microbiota son "comunidades ecológicas de microorganismos comensales , simbióticos y patógenos " que se encuentran en y sobre todos los organismos multicelulares estudiados hasta la fecha, desde las plantas hasta los animales. La microbiota incluye bacterias, arqueas , protistas, hongos y virus. Se ha descubierto que la microbiota es crucial para la homeostasis inmunológica, hormonal y metabólica de su huésped. El término microbioma describe los genomas colectivos de los microorganismos que residen en un nicho ambiental o los propios microorganismos.

El microbioma y el huésped surgieron durante la evolución como una unidad sinérgica de la epigenética y las características genéticas, a veces denominadas colectivamente holobiontes . La presencia de microbiota humana y otros intestinos de metazoos ha sido fundamental para comprender la evolución conjunta entre metazoos y bacterias. La microbiota juega un papel clave en las respuestas inmunes y metabólicas intestinales a través de su producto de fermentación ( ácido graso de cadena corta ), el acetato .

Introducción

La bacteria predominante en la piel humana.

Todas las plantas y animales, desde formas de vida simples hasta humanos, viven en estrecha asociación con organismos microbianos. Varios avances han impulsado la percepción de los microbiomas, que incluyen:

  • la capacidad de realizar análisis genómicos y de expresión génica de células individuales y de comunidades microbianas enteras en las disciplinas de metagenómica y metatranscriptómica
  • Bases de datos accesibles para investigadores de múltiples disciplinas.
  • métodos de análisis matemático adecuados para conjuntos de datos complejos

Los biólogos han llegado a apreciar que los microbios constituyen una parte importante del fenotipo de un organismo , mucho más allá del estudio de caso simbiótico ocasional.

Tipos de relaciones microbio-huésped

El comensalismo , un concepto desarrollado por Pierre-Joseph van Beneden (1809-1894), un profesor belga de la Universidad de Lovaina durante el siglo XIX, es fundamental para el microbioma, donde la microbiota coloniza un huésped en una coexistencia no dañina. La relación con su anfitrión se llama mutualista cuando los organismos realizan tareas que se sabe que son útiles para el anfitrión, parasitarias , cuando son desventajosas para el anfitrión. Otros autores definen una situación como mutualista donde ambos se benefician, y comensal, donde el anfitrión no afectado beneficia al simbionte. Un intercambio de nutrientes puede ser bidireccional o unidireccional, puede depender del contexto y puede ocurrir de diversas formas. La microbiota que se espera que esté presente y que, en circunstancias normales, no causa enfermedad, se considera flora normal o microbiota normal ; La flora normal no solo puede ser inofensiva, sino que también puede proteger al huésped.

Adquisición y cambio

La adquisición inicial de microbiota en animales, desde mamíferos hasta esponjas marinas, se produce al nacer e incluso puede ocurrir a través de la línea de células germinales. En las plantas, el proceso de colonización puede iniciarse bajo tierra en la zona de la raíz , alrededor de la semilla en germinación, la espermosfera , o puede originarse en las partes aéreas , la filosfera y la zona de la flor o antosfera. La estabilidad de la microbiota de la rizosfera a lo largo de generaciones depende del tipo de planta, pero aún más de la composición del suelo, es decir, entorno vivo y no vivo. Clínicamente, se puede adquirir nueva microbiota a través del trasplante de microbiota fecal para tratar infecciones como la infección crónica por C. difficile .

Microbiota por anfitrión

Microbiota patógena que causa inflamación en el pulmón.

Humanos

La microbiota humana incluye bacterias , hongos , arqueas y virus. Se excluyen los microanimales que viven en el cuerpo humano. El microbioma humano se refiere a sus genomas .

Los seres humanos están colonizados por muchos microorganismos; la estimación tradicional era que los seres humanos viven con diez veces más células no humanas que células humanas; estimaciones más recientes lo han reducido a 3: 1 e incluso a aproximadamente 1: 1.

De hecho, son tan pequeños que hay alrededor de 100 billones de microbiota en el cuerpo humano.

El Proyecto del Microbioma Humano secuenció el genoma de la microbiota humana, centrándose particularmente en la microbiota que normalmente habita la piel, la boca, la nariz, el tracto digestivo y la vagina. Alcanzó un hito en 2012 cuando publicó los resultados iniciales.

Animales no humanos

  • Los anfibios tienen microbiota en la piel. Algunas especies son capaces de portar un hongo llamado Batrachochytrium dendrobatidis , que en otras puede causar una infección mortal Chytridiomycosis dependiendo de su microbioma, resistiendo la colonización de patógenos o inhibiendo su crecimiento con péptidos cutáneos antimicrobianos.
  • En los mamíferos, los herbívoros, como el ganado, dependen de su microbioma ruminal para convertir la celulosa en proteínas, ácidos grasos de cadena corta y gases. Los métodos de cultivo no pueden proporcionar información sobre todos los microorganismos presentes. Los estudios metagenómicos comparativos arrojaron el sorprendente resultado de que el ganado individual posee estructuras comunitarias marcadamente diferentes, fenotipo predicho y potenciales metabólicos, a pesar de que fueron alimentados con dietas idénticas, se alojaron juntos y aparentemente fueron funcionalmente idénticos en su utilización de los recursos de la pared celular vegetal.
  • Los ratones se han convertido en los mamíferos más estudiados en cuanto a sus microbiomas. La microbiota intestinal se ha estudiado en relación con la enfermedad alérgica de las vías respiratorias, la obesidad, las enfermedades gastrointestinales y la diabetes. El cambio perinatal de la microbiota a través de antibióticos en dosis bajas puede tener efectos duraderos sobre la susceptibilidad futura a la enfermedad alérgica de las vías respiratorias. La frecuencia de ciertos subconjuntos de microbios se ha relacionado con la gravedad de la enfermedad. La presencia de microbios específicos en las primeras etapas de la vida posnatal instruye las respuestas inmunitarias futuras. En ratones gnotobióticos, se encontró que ciertas bacterias intestinales transmitían un fenotipo particular a los ratones receptores libres de gérmenes, lo que promovía la acumulación de células T reguladoras del colon y cepas que modulaban la adiposidad del ratón y las concentraciones de metabolitos cecales. Este enfoque combinatorio permite una comprensión a nivel de sistemas de las contribuciones microbianas a la biología humana. Pero también se han estudiado otros tejidos mucoides como el pulmón y la vagina en relación con enfermedades como el asma, la alergia y la vaginosis.
  • Los insectos tienen sus propios microbiomas. Por ejemplo, las hormigas cortadoras de hojas forman enormes colonias subterráneas que cosechan cientos de kilogramos de hojas cada año y no pueden digerir la celulosa de las hojas directamente. Mantienen los jardines de hongos como la principal fuente de alimento de la colonia. Si bien el hongo en sí no digiere la celulosa, una comunidad microbiana que contiene una diversidad de bacterias lo está haciendo. El análisis del genoma de la población microbiana reveló muchos genes con un papel en la digestión de la celulosa. El perfil de enzimas degradantes de carbohidratos pronosticado de este microbioma es similar al del rumen bovino, pero la composición de especies es casi completamente diferente. La microbiota intestinal de la mosca de la fruta puede afectar la apariencia de su intestino, al afectar la tasa de renovación epitelial, el espaciamiento celular y la composición de diferentes tipos de células en el epitelio. Cuando la polilla Spodoptera exigua se infecta con baculovirus , los genes relacionados con la inmunidad se regulan negativamente y aumenta la cantidad de su microbiota intestinal. En el intestino dípteros, las células enteroendocrinas detectan los metabolitos derivados de la microbiota intestinal y coordinan las ramas antibacterianas, mecánicas y metabólicas de la respuesta inmune innata intestinal del huésped a la microbiota comensal.
  • Los peces tienen sus propios microbiomas, incluida la especie de vida corta Nothobranchius furzeri ( killis turquesa). La transferencia de la microbiota intestinal de los peces muertos jóvenes a los peces muertos de mediana edad extiende significativamente la esperanza de vida de los peces muertos de mediana edad.

Plantas

Vías de colonización de tubérculos de papa por bacterias

Recientemente se descubrió que el microbioma de la planta se origina a partir de la semilla. Los microorganismos que se transmiten a través de la semilla migran a la plántula en desarrollo en una ruta específica en la que ciertas comunidades se mueven hacia las hojas y otras hacia las raíces. En el diagrama de la derecha, la microbiota que coloniza la rizosfera , ingresa a las raíces y coloniza la siguiente generación de tubérculos a través de los estolones , se visualiza con un color rojo. Las bacterias presentes en el tubérculo madre , que pasan a través de los estolones y migran a la planta, así como a la próxima generación de tubérculos, se muestran en azul.

  • El suelo es el principal reservorio de bacterias que colonizan los tubérculos de papa.
  • Las bacterias se reclutan del suelo de manera más o menos independiente de la variedad de papa.
  • Las bacterias pueden colonizar los tubérculos principalmente desde el interior de las plantas a través del estolón.
  • La microbiota bacteriana de los tubérculos de papa consiste en bacterias transmitidas de una generación de tubérculos a la siguiente y las bacterias reclutadas del suelo colonizan las plantas de papa a través de la raíz.
Micrografía de luz de una sección transversal de una raíz coralloide de una cícada, que muestra la capa que alberga cianobacterias simbióticas

Las plantas son huéspedes atractivos para los microorganismos, ya que proporcionan una variedad de nutrientes. Los microorganismos en las plantas pueden ser epífitas (que se encuentran en las plantas) o endófitas (que se encuentran dentro del tejido vegetal). Los oomicetos y los hongos , a través de la evolución convergente, han desarrollado una morfología similar y ocupan nichos ecológicos similares. Desarrollan hifas , estructuras filiformes que penetran en la célula huésped. En situaciones mutualistas , la planta a menudo intercambia azúcares de hexosa por fosfato inorgánico del simbionte fúngico. Se especula que asociaciones tan antiguas han ayudado a las plantas cuando colonizaron la tierra por primera vez. Las bacterias promotoras del crecimiento de las plantas (PGPB) brindan a la planta servicios esenciales como la fijación de nitrógeno , la solubilización de minerales como el fósforo, la síntesis de hormonas vegetales , la mejora directa de la absorción de minerales y la protección contra patógenos. Las PGPB pueden proteger a las plantas de los patógenos compitiendo con el patógeno por un nicho ecológico o un sustrato, produciendo aleloquímicos inhibidores o induciendo resistencia sistémica en las plantas hospedadoras al patógeno.

Investigar

La relación simbiótica entre un huésped y su microbiota está bajo investigación de laboratorio para determinar cómo puede moldear el sistema inmunológico de los mamíferos. En muchos animales, el sistema inmunológico y la microbiota pueden participar en "interferencias" mediante el intercambio de señales químicas, lo que puede permitir que la microbiota influya en la reactividad inmunológica y la focalización. Las bacterias pueden transmitirse de madre a hijo a través del contacto directo y después del nacimiento . A medida que se establece el microbioma infantil, las bacterias comensales rápidamente pueblan el intestino, provocando una variedad de respuestas inmunes y "programando" el sistema inmunológico con efectos duraderos. Las bacterias pueden estimular el tejido linfoide asociado con la mucosa intestinal, lo que permite que el tejido produzca anticuerpos para los patógenos que pueden ingresar al intestino.

El microbioma humano puede desempeñar un papel en la activación de receptores de tipo toll en los intestinos, un tipo de receptor de reconocimiento de patrones que las células huésped utilizan para reconocer peligros y reparar daños. Los patógenos pueden influir en esta coexistencia conduciendo a una desregulación inmunológica que incluye y susceptibilidad a enfermedades, mecanismos de inflamación , tolerancia inmunológica y enfermedades autoinmunes .

Co-evolución de la microbiota

Coral ramificado blanqueado (primer plano) y coral ramificado normal (fondo). Islas Keppel, Gran Barrera de Coral .

Los organismos evolucionan dentro de los ecosistemas de modo que el cambio de un organismo afecta el cambio de otros. La teoría de la evolución del hologenoma propone que un objeto de la selección natural no es el organismo individual, sino el organismo junto con sus organismos asociados, incluidas sus comunidades microbianas.

Arrecifes de coral . La teoría del hologenoma se originó en estudios sobre arrecifes de coral. Los arrecifes de coral son las estructuras más grandes creadas por organismos vivos y contienen comunidades microbianas abundantes y muy complejas. Durante las últimas décadas, se han producido importantes descensos en las poblaciones de coral. El cambio climático , la contaminación del agua y la pesca excesiva son tres factores de estrés que, según se ha descrito, conducen a la susceptibilidad a las enfermedades. Se han descrito más de veinte enfermedades diferentes de los corales, pero de ellas, solo un puñado de ellos ha tenido sus agentes causantes aislados y caracterizados. El blanqueamiento de los corales es la más grave de estas enfermedades. En el mar Mediterráneo, el blanqueamiento de Oculina patagonica se describió por primera vez en 1994 y en breve se determinó que se debía a una infección por Vibrio shiloi . De 1994 a 2002, el blanqueamiento bacteriano de O. patagonica se produjo todos los veranos en el Mediterráneo oriental. Sin embargo, sorprendentemente, después de 2003, O. patagonica en el Mediterráneo oriental ha sido resistente a la infección por V. shiloi , aunque otras enfermedades todavía causan blanqueamiento. La sorpresa proviene del conocimiento de que los corales tienen una vida larga, con una esperanza de vida del orden de décadas y no tienen un sistema inmunológico adaptativo . Su sistema inmunológico innato no produce anticuerpos y, aparentemente, no deberían ser capaces de responder a nuevos desafíos, excepto en escalas de tiempo evolutivas.

El enigma de cómo los corales lograron adquirir resistencia a un patógeno específico llevó a una propuesta de 2007, que existe una relación dinámica entre los corales y sus comunidades microbianas simbióticas. Se cree que al alterar su composición, el holobionte puede adaptarse a las condiciones ambientales cambiantes mucho más rápidamente que por mutación genética y selección solamente. La extrapolación de esta hipótesis a otros organismos, incluidas plantas y animales superiores, llevó a la propuesta de la teoría de la evolución del hologenoma.

En 2007, la teoría del hologenoma todavía se estaba debatiendo. Una de las principales críticas ha sido la afirmación de que V. shiloi se identificó erróneamente como el agente causante del blanqueamiento de los corales y que su presencia en O. patagonica blanqueada era simplemente una colonización oportunista. Si esto es cierto, la observación básica que conduce a la teoría sería inválida. La teoría ha ganado una popularidad significativa como una forma de explicar los cambios rápidos en la adaptación que de otra manera no podrían explicarse por los mecanismos tradicionales de selección natural. Dentro de la teoría del hologenoma, el holobionte no solo se ha convertido en la unidad principal de la selección natural sino también en el resultado de otro paso de integración que también se observa a nivel celular ( simbiogénesis , endosimbiosis ) y genómico.

Métodos de búsqueda

Secuenciación de amplicones dirigida

La secuenciación de amplicones dirigida se basa en tener algunas expectativas sobre la composición de la comunidad que se está estudiando. En la secuenciación de amplicones diana, un marcador filogenéticamente informativo se dirige a la secuenciación. Este marcador debería estar presente idealmente en todos los organismos esperados. También debería evolucionar de tal manera que se conserve lo suficiente como para que los cebadores puedan apuntar a genes de una amplia gama de organismos mientras evolucionan lo suficientemente rápido como para permitir una resolución más fina a nivel taxonómico. Un marcador común para los estudios del microbioma humano es el gen del ARNr 16S bacteriano ( es decir, "ADNr 16S", la secuencia de ADN que codifica la molécula de ARN ribosómico). Dado que los ribosomas están presentes en todos los organismos vivos, el uso de ADNr 16S permite amplificar el ADN de muchos más organismos que si se usara otro marcador. El gen del rDNA 16S contiene tanto regiones de evolución lenta como regiones de rápida evolución; el primero se puede utilizar para diseñar cebadores amplios, mientras que el segundo permite una distinción taxonómica más fina. Sin embargo, la resolución a nivel de especie no suele ser posible utilizando el rDNA 16S. La selección del cebador es un paso importante, ya que todo lo que no pueda ser el objetivo del cebador no se amplificará y, por lo tanto, no se detectará. Se ha demostrado que diferentes conjuntos de cebadores amplifican diferentes grupos taxonómicos debido a la variación de secuencia.

Los estudios dirigidos a comunidades eucariotas y virales son limitados y están sujetos al desafío de excluir el ADN del huésped de la amplificación y la biomasa eucariota y viral reducida en el microbioma humano.

Una vez secuenciados los amplicones, se utilizan métodos filogenéticos moleculares para inferir la composición de la comunidad microbiana. Esto se hace agrupando los amplicones en unidades taxonómicas operativas (OTU) e infiriendo relaciones filogenéticas entre las secuencias. Debido a la complejidad de los datos, las medidas de distancia, como las distancias UniFrac , generalmente se definen entre muestras de microbioma, y ​​los métodos multivariados posteriores se llevan a cabo en las matrices de distancia. Un punto importante es que la escala de datos es extensa y deben adoptarse enfoques adicionales para identificar patrones a partir de la información disponible. Las herramientas utilizadas para analizar los datos incluyen VAMPS, QIIME y mothur .

Secuenciación metagenómica

La metagenómica también se usa ampliamente para estudiar comunidades microbianas. En la secuenciación metagenómica, el ADN se recupera directamente de muestras ambientales de una manera no dirigida con el objetivo de obtener una muestra imparcial de todos los genes de todos los miembros de la comunidad. Estudios recientes utilizan la secuenciación de escopeta de Sanger o la pirosecuenciación para recuperar las secuencias de las lecturas. Las lecturas se pueden ensamblar en contigs . Para determinar la identidad filogenética de una secuencia, se compara con las secuencias del genoma completo disponibles utilizando métodos como BLAST . Un inconveniente de este enfoque es que muchos miembros de comunidades microbianas no tienen un genoma secuenciado representativo, pero esto se aplica también a la secuenciación de amplicones de ARNr 16S y es un problema fundamental. Con la secuenciación de escopeta, se puede resolver teniendo una alta cobertura (50-100x) del genoma desconocido, realizando efectivamente un ensamblaje de genoma de novo . Tan pronto como se dispone de un genoma completo de un organismo desconocido, se puede comparar filogenéticamente y colocar el organismo en su lugar en el árbol de la vida mediante la creación de nuevos taxones . Un enfoque emergente es combinar la secuenciación de escopeta con datos de ligadura de proximidad ( Hi-C ) para ensamblar genomas microbianos completos sin cultivar.

A pesar de que la metagenómica está limitada por la disponibilidad de secuencias de referencia, una ventaja significativa de la metagenómica sobre la secuenciación de amplicones dirigida es que los datos de la metagenómica pueden dilucidar el potencial funcional del ADN de la comunidad. Los estudios de genes dirigidos no pueden hacer esto, ya que solo revelan la relación filogenética entre el mismo gen de diferentes organismos. El análisis funcional se realiza comparando las secuencias recuperadas con bases de datos de anotaciones metagenómicas como KEGG . Las vías metabólicas que estos genes están implicados en la lata entonces pueden predecir con herramientas tales como MG-RAST, cámara y IMG / M .

Enfoques basados ​​en ARN y proteínas

Se han realizado estudios de metatranscriptómica para estudiar la expresión génica de comunidades microbianas mediante métodos como la pirosecuenciación del ARN extraído. Los estudios basados ​​en la estructura también han identificado ARN no codificantes (ncRNA) como las ribozimas de la microbiota. La metaproteómica es un enfoque que estudia las proteínas expresadas por la microbiota, dando una idea de su potencial funcional.

Proyectos

El Proyecto de Microbioma Humano lanzado en 2008 fue una iniciativa de los Institutos Nacionales de Salud de los Estados Unidos para identificar y caracterizar los microorganismos que se encuentran tanto en humanos sanos como enfermos. El proyecto de cinco años, mejor caracterizado como un estudio de viabilidad con un presupuesto de $ 115 millones, probó cómo los cambios en el microbioma humano están asociados con la salud o la enfermedad humana.

El Earth Microbiome Project (EMP) es una iniciativa para recolectar muestras naturales y analizar la comunidad microbiana en todo el mundo. Los microbios son muy abundantes, diversos y tienen un papel importante en el sistema ecológico. Sin embargo, a partir de 2010, se estimó que el esfuerzo total de secuenciación del ADN ambiental global había producido menos del 1 por ciento del ADN total encontrado en un litro de agua de mar o un gramo de suelo, y las interacciones específicas entre microbios son en gran parte desconocidas. El EMP tiene como objetivo procesar hasta 200,000 muestras en diferentes biomas, generando una base de datos completa de microbios en la tierra para caracterizar ambientes y ecosistemas por composición e interacción microbiana. Con estos datos, se pueden proponer y probar nuevas teorías ecológicas y evolutivas.

Microbiota intestinal y diabetes tipo 2

La microbiota intestinal es muy importante para la salud del huésped porque juega un papel en la degradación de polisacáridos no digeribles (fermentación de almidón resistente, oligosacáridos, inulina) fortaleciendo la integridad intestinal o dando forma al epitelio intestinal, recolectando energía, protegiendo contra patógenos y regulando al huésped. inmunidad.

Varios estudios mostraron que la composición bacteriana intestinal en pacientes diabéticos se alteraba con niveles elevados de miembros de Lactobacillus gasseri , Streptococcus mutans y Clostridiales, con disminución de bacterias productoras de butirato como Roseburia intestinalis y Faecalibacterium prausnitzii . Esta alteración se debe a muchos factores como el abuso de antibióticos, la dieta y la edad .

La disminución en la producción de butirato se asocia con un defecto en la permeabilidad intestinal, este defecto conduce al caso de la endotoxemia, que es el aumento del nivel de lipopolisacáridos circulantes de la pared de las células bacterianas gram negativas. Se encuentra que la endotoxemia se asocia con el desarrollo de resistencia a la insulina.

Además, la producción de butirato afecta el nivel de serotonina. El nivel elevado de serotonina contribuye a la obesidad, que se sabe que es un factor de riesgo para el desarrollo de diabetes.

La microbiota se puede trasplantar en el cuerpo humano con fines médicos.

Desarrollo de la microbiota intestinal y antibióticos

La colonización de la microbiota intestinal humana puede comenzar ya antes del nacimiento. Hay múltiples factores en el medio ambiente que afectan el desarrollo de la microbiota, siendo el modo de nacimiento uno de los más impactantes.

Otro factor que se ha observado que causa grandes cambios en la microbiota intestinal, particularmente en los niños, es el uso de antibióticos, que se asocia con problemas de salud como un IMC más alto y un mayor riesgo de enfermedades metabólicas como la obesidad. En los lactantes se observó que la amoxicilina y los macrólidos provocan cambios significativos en la microbiota intestinal caracterizados por un cambio en las clases bacterianas Bifidobacteria, Enterobacteria y Clostridia. Un solo curso de antibióticos en adultos provoca cambios en la microbiota bacteriana y fúngica, con cambios aún más persistentes en las comunidades fúngicas. Las bacterias y los hongos viven juntos en el intestino y es muy probable que exista una competencia por las fuentes de nutrientes presentes. Seelbinder y col . encontraron que las bacterias comensales en el intestino regulan el crecimiento y patogenicidad de Candida albicans por sus metabolitos, particularmente por propionato, ácido acético y 5-dodecenoato. Candida se ha asociado previamente con EII y, además, se ha observado que aumenta en personas que no responden a un fármaco biológico, infliximab, administrado a pacientes con EII que padecen EII grave. El propionato y el ácido acético son ácidos grasos de cadena corta (AGCC) que se ha observado que son beneficiosos para la salud de la microbiota intestinal. Cuando los antibióticos afectan el crecimiento de bacterias en el intestino, puede haber un crecimiento excesivo de ciertos hongos, que pueden ser patógenos cuando no se regulan.

Problemas de privacidad

El ADN microbiano que habita el cuerpo humano de una persona puede identificar de forma única a la persona. La privacidad de una persona puede verse comprometida si la persona dona de forma anónima datos de ADN de microbios. Su condición médica e identidad podrían revelarse.

Ver también

Referencias