Sintrofismo
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ResumenLa comprensión de un ecosistema microbiano complejo como el microbioma del intestino humano requiere información tanto de las especies microbianas como de los metabolitos que producen y secretan. Estos metabolitos se intercambian a través de una amplia red de interacciones cruzadas y son cruciales para predecir el estado funcional del microbioma. Sin embargo, hasta la fecha, sólo disponemos de información de una parte de esta red, limitada por el rendimiento experimental. Aquí proponemos un método computacional basado en la ecología, GutCP, con el que predecimos cientos de nuevas interacciones de alimentación cruzada no probadas experimentalmente en el microbioma del intestino humano. GutCP utiliza un modelo mecanístico del microbioma intestinal con el intercambio explícito de metabolitos y sus efectos en el crecimiento de las especies microbianas. Para construir GutCP, combinamos mediciones metagenómicas y metabolómicas del microbioma intestinal con técnicas de optimización del aprendizaje automático. Cerca del 65% de las interacciones de alimentación cruzada predichas por GutCP están respaldadas por las pruebas de las anotaciones del genoma, que proporcionamos para las pruebas experimentales. Nuestro método tiene el potencial de mejorar en gran medida los modelos existentes del microbioma intestinal humano, así como nuestra capacidad para predecir el perfil metabólico del intestino.
¿De qué se alimentan las bacterias?
La sintrofia, o simbiosis, es el fenómeno que implica que una especie viva de los productos de otra especie. Por ejemplo, los ácaros del polvo doméstico viven de las escamas de la piel humana. Un ser humano sano produce aproximadamente un gramo de escamas de piel al día. Estos ácaros también pueden producir sustancias químicas que estimulan la producción de escamas de piel. Las personas pueden volverse alérgicas a estos compuestos. Otro ejemplo son los numerosos organismos que se alimentan de heces o estiércol. Una vaca come mucha hierba, cuya celulosa es transformada en lípidos por los microorganismos del intestino grueso de la vaca.
Figura: Ácaro del polvo doméstico: El ácaro del polvo doméstico (a veces denominado por los alergólogos como HDM) es un huésped cosmopolita en las viviendas humanas. Los ácaros del polvo se alimentan de detritus orgánicos, como escamas de piel humana desprendida, y prosperan en el entorno estable de las viviendas.
Estos microorganismos no pueden utilizar los lípidos debido a la falta de dioxígeno en el intestino, por lo que la vaca no absorbe todos los lípidos producidos. Cuando la hierba procesada sale del intestino en forma de estiércol y sale al aire libre, muchos organismos, como el escarabajo pelotero, se dan un festín con ella. Otro ejemplo es la comunidad de microorganismos del suelo que viven de la hojarasca. Las hojas suelen durar un año y luego son sustituidas por otras nuevas. Estos microorganismos mineralizan las hojas desechadas y liberan nutrientes que son absorbidos por la planta. Estas relaciones se denominan sintrofia recíproca porque la planta vive de los productos de los microorganismos. Muchas relaciones simbióticas se basan en la sintrofia. Por último, la fermentación anaeróbica/metanogénesis es un ejemplo de relación sintrófica entre diferentes grupos de microorganismos. Aunque las bacterias fermentadoras no dependen estrictamente de las relaciones sintróficas, siguen obteniendo beneficios de las actividades de los organismos captadores de hidrógeno. Las bacterias fermentadoras obtienen el máximo rendimiento energético cuando se utilizan protones como aceptores de electrones con la producción simultánea de H2.
Cómo se alimentan las bacterias
ResumenLa interacción social entre microbios puede describirse a muchos niveles de detalle: desde la bioquímica de las interacciones célula-célula hasta la dinámica ecológica de las poblaciones. Elegir un nivel apropiado para modelar las comunidades microbianas sin perder generalidad sigue siendo un reto. Aquí mostramos que el modelado de las interacciones de alimentación cruzada a un nivel intermedio entre los modelos metabólicos a escala del genoma de las especies individuales y los modelos de consumo y recursos de los ecosistemas es adecuado para los datos experimentales. Aplicamos nuestro marco de modelización a tres ejemplos publicados de comunidades de Escherichia coli de múltiples cepas con complejidad creciente: alimentación cruzada uni, bi y multidireccional de subproductos metabólicos sustituibles o nutrientes esenciales. El modelo a escala intermedia se ajustó con precisión a los datos empíricos y cuantificó las tasas de intercambio metabólico que son difíciles de medir experimentalmente, incluso para una comunidad compleja de 14 auxotrofos de aminoácidos. Al estudiar las condiciones de coexistencia de las especies, los resultados ecológicos de las interacciones de alimentación cruzada y la robustez de cada comunidad ante las perturbaciones, extrajimos nuevos conocimientos cuantitativos de estos tres conjuntos de datos experimentales publicados. Nuestro análisis proporciona una base para cuantificar las interacciones de alimentación cruzada a partir de datos experimentales, y destaca la importancia de los intercambios metabólicos en la dinámica y la estabilidad de las comunidades microbianas.
Alimentación cruzada del microbioma
La estabilidad y la función de una comunidad microbiana dependen de las interacciones nutricionales entre sus miembros, como la alimentación cruzada de pequeñas moléculas esenciales sintetizadas por un subconjunto de la población. En esta revisión se describen ejemplos de alimentación cruzada de cofactores entre microbios y entre microbios y huéspedes, un tipo de interacción que influye en las formas de metabolismo que se llevan a cabo en una comunidad. La alimentación cruzada de cofactores puede contribuir tanto a la salud y la nutrición de un organismo huésped como a la virulencia y la persistencia de los patógenos, así como a la composición y la función de las comunidades ambientales. Al examinar el impacto de los cofactores compartidos en los microbios, desde los cultivos puros hasta las comunidades naturales, podemos comprender mejor las interacciones que unen a los microbios, lo que en última instancia puede ser clave para desarrollar estrategias de manipulación de las comunidades microbianas con implicaciones para la salud humana, la agricultura y el medio ambiente.
La vida en el mundo microbiano existe como una red dinámica de interacciones entre microbios que alimenta una compleja red de metabolismos interconectados (Faust y Raes, 2012). El desconocimiento de lo que los microbios obtienen a través de estas interacciones impide nuestra capacidad para cultivar la gran mayoría de los microbios (Leadbetter, 2003; Tyson y Banfield, 2005). Además, al no obtener toda la gama de respuestas metabólicas de un microbio a la presencia de otros organismos, el potencial metabólico de los microbios cultivados de forma aislada puede no reflejar con exactitud el papel ecológico de un microbio (Moller et al., 1998; Traxler et al., 2013). En la figura 1 se ilustran tres amplias categorías de interacciones nutricionales que rigen la capacidad de un microbio para llevar a cabo formas específicas de metabolismo dentro de una comunidad microbiana.