Bloques de construcción para la investigación de los microbiomas
Los investigadores presentan un sistema modelo de nematodos como base para una investigación microbiana exhaustiva
Todos los seres vivos multicelulares están colonizados por un número inimaginable de microorganismos y han evolucionado junto con estos simbiontes microbianos desde el principio. El microbioma natural, es decir, la totalidad de las bacterias, virus y hongos que viven en un cuerpo y sobre él, es de importancia central para todo el organismo: apoya, por ejemplo, la absorción de nutrientes, ahuyenta los patógenos y también puede participar en el desarrollo de enfermedades graves. Los investigadores utilizan los llamados sistemas modelo para desentrañar las interacciones sumamente complejas de los organismos y microorganismos huéspedes, incluidas, por ejemplo, las especies animales y vegetales que pueden estudiarse fácilmente en el laboratorio, y una selección específica y simplificada de microorganismos colonizadores.
La colonización bacteriana (teñida de naranja) se encuentra principalmente en el intestino del gusano.
© Dr. Philipp Dirksen
El nematodo Caenorhabditis elegans es un organismo modelo muy adecuado para la investigación de los microbiomas.
© Antje Thomas, Prof. Hinrich Schulenburg
Un equipo de investigación de la Universidad de Kiel, junto con expertos internacionales de, por ejemplo, la Universidad de California en Berkeley y el Baylor College of Medicine en Houston, ha desarrollado ahora un novedoso y mejorado sistema modelo para la investigación de los microbiomas, el llamado "recurso microbiano de Caenorhabditis elegans" (CeMbio). Se basa en un conjunto de 12 bacterias representativas de la composición natural de un nematodo microbiano. Este recurso permitirá realizar estudios microbianos más realistas en diversos campos de investigación, aprovechando así el nematodo C. elegans como sistema experimental para la investigación de los microbiomas. El equipo de investigación de la Universidad de Kiel del grupo de Ecología y Genética Evolutiva dirigido por el profesor Hinrich Schulenburg y el grupo de Biología de Sistemas Médicos dirigido por el profesor Christoph Kaleta presentaron recientemente el recurso CeMbio y sus principales características en la revista científica G3: Genes Genomes Genetics.
Un microbioma nematodo casi natural
El punto de partida del proyecto CeMbio fue la labor anterior de los investigadores de Kiel, en la que determinaron por primera vez la comunidad bacteriana naturalmente asociada del nematodo C. elegans, que suele estudiarse en condiciones de esterilidad. Esto les permitió investigar los efectos del microbioma natural en las funciones vitales y la aptitud del gusano. Los componentes del nematodo microbiano que se identificaron en su totalidad en ese momento se redujeron a doce especies bacterianas representativas. Los científicos los utilizaron para los experimentos de colonización del nematodo. "Transferimos estas bacterias individualmente en cultivo puro y en cultivos mixtos a gusanos libres de gérmenes y luego observamos su crecimiento", señala el primer autor, el Dr. Philipp Dirksen, antiguo miembro del grupo Schulenburg. "De esta manera, pudimos caracterizar la capacidad de las bacterias individuales para colonizar el intestino del gusano y la relación de las diferentes bacterias entre sí en el entorno natural del huésped", continúa Dirksen.
En una segunda parte del trabajo, los científicos utilizaron secuencias genómicas completas de todos los organismos presentes en el microbioma para reconstruir las redes metabólicas y las competencias metabólicas de las bacterias. Utilizando métodos bioinformáticos, pudieron así predecir qué productos metabólicos podrían intercambiarse entre el huésped y el microbioma. En conjunto, crearon así la base de un modelo realista de microbioma para el estudio detallado de las interacciones huésped-bacteria en C. elegans.
Un modelo de microbioma de código abierto
Con el modelo CeMbio, los investigadores de Kiel ofrecen ahora un recurso que es accesible públicamente a los colegas de la comunidad de investigación de C. elegans en todo el mundo. Además de las cepas bacterianas que pueden cultivarse fácilmente en condiciones de laboratorio, esto incluye su información genética completamente descodificada, así como la modelización completa de las redes metabólicas. El recurso y la base de datos generada proporciona ahora a la comunidad internacional de investigadores un novedoso conjunto de instrumentos que puede utilizarse para estudiar numerosos aspectos de la biología de los nematodos, desde el crecimiento hasta el desarrollo, en el contexto de las interacciones con su microbioma natural. "Nuestro modelo CeMbio abre la puerta a una caracterización más realista de un amplio espectro de interesantes cuestiones de investigación que van desde el desarrollo de enfermedades y la biología del envejecimiento hasta los aspectos neurobiológicos", subraya el biólogo evolutivo Schulenburg, director del Centro de Evolución de Kiel (KEC) de la Universidad de Kiel. "La posibilidad de investigar los procesos asociados en la interacción del huésped con su microbioma natural ofrece perspectivas completamente nuevas para comprender los mecanismos moleculares subyacentes", continúa Schulenburg.
Además, los investigadores de Kiel esperan que la nueva herramienta también ayude a establecer el C. elegans con más fuerza que antes como un sistema modelo para la investigación de los microbiomas. En definitiva, CeMbio proporciona a los científicos de todo el mundo un recurso novedoso para estudiar este nematodo modelo en su contexto natural. De este modo, la labor contribuye de manera importante a mejorar la comprensión general de los mecanismos por los que el microbioma influye en la salud y la enfermedad de su organismo huésped, como se está llevando a cabo en varias iniciativas de investigación en Kiel, por ejemplo, el Centro de Investigación en Colaboración (CRC) 1182 "Origen y función de los metaorganismos" o el Grupo de Excelencia "Medicina de precisión en la inflamación crónica" (PMI).
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