El tracto digestivo humano es el hogar de miles de cepas diferentes de bacterias. Muchos de estos son beneficiosos, mientras que otros contribuyen a problemas de salud como la enfermedad inflamatoria intestinal. Investigadores del MIT y del Broad Institute ahora han aislado y conservado muestras de casi 8,000 de estas cepas, al tiempo que han aclarado su contexto genético y metabólico.
Este conjunto de datos (BIO-ML), que está disponible para otros investigadores que quieran usarlo, debería ayudar a arrojar luz sobre la dinámica de las poblaciones microbianas en el intestino humano y puede ayudar a los científicos a desarrollar nuevos tratamientos para una variedad de enfermedades, dice Eric Alm, director del Centro de Informática y Terapéutica del Microbioma del MIT y profesor de ingeniería biológica y de ingeniería civil y ambiental en el MIT.
“Hay mucha emoción en el campo de los microbiomas porque hay asociaciones entre estas bacterias y la salud y la enfermedad. Pero nos falta poder entender por qué es eso, cuál es el mecanismo y cuáles son las funciones de esas bacterias que son haciendo que se asocien con la enfermedad”, dice Alm, quien es el autor principal del estudio.
Los investigadores recolectaron muestras de heces de aproximadamente 90 personas, durante un máximo de dos años, lo que les permitió comprender cómo cambian las poblaciones microbianas con el tiempo dentro de los individuos. Este estudio se centró en las personas que viven en el área de Boston, pero el equipo de investigación ahora está reuniendo una mayor diversidad de muestras de todo el mundo, con la esperanza de preservar las cepas microbianas que no se encuentran en las personas que viven en sociedades industrializadas.
“Más que nunca antes, las técnicas modernas nos permiten aislar bacterias intestinales humanas previamente no cultivadas. Explorar esta diversidad genética y funcional es fascinante: en todas partes que miramos, descubrimos cosas nuevas. Estoy convencido de que enriquecer los biobancos con una gran diversidad de cepas de las personas que viven diversos estilos de vida son esenciales para los avances futuros en la investigación de microbiomas humanos “, dice Mathilde Poyet, una postdoctorada senior en el MIT y una de las principales autoras del estudio.
Dinámica de microbiomas.
Los humanos tienen billones de células bacterianas en su tracto digestivo, y aunque los científicos creen que estas poblaciones cambian y evolucionan con el tiempo, ha habido pocas oportunidades para observar esto. A través de la organización OpenBiome, que recolecta muestras de heces con fines de investigación y terapéuticos, Alm y sus colegas del MIT y el Broad Institute tuvieron acceso a muestras fecales de aproximadamente 90 personas.
Para la mayoría de sus análisis, los investigadores se centraron en los microbios encontrados en aproximadamente una docena de individuos que habían proporcionado muestras durante un período prolongado, hasta dos años.
“Esa fue una oportunidad única, y pensamos que sería un gran conjunto de individuos para realmente tratar de excavar y caracterizar las poblaciones microbianas más a fondo”, dice Alm. “Hasta la fecha no había habido una tonelada de estudios longitudinales, y queríamos hacer de eso un enfoque clave de nuestro estudio, para poder entender cuál es la variación día a día”.
Los investigadores pudieron aislar un total de 7.758 cepas de los seis principales filamentos de bacterias que dominan el tracto gastrointestinal humano. Para 3.632 de estas cepas, los investigadores secuenciaron sus genomas completos, y también secuenciaron genomas parciales de las cepas restantes.
El análisis de cómo las poblaciones microbianas cambiaron con el tiempo dentro de los huéspedes individuales permitió a los investigadores descubrir algunas interacciones novedosas entre las cepas. En un caso, los investigadores encontraron tres cepas relacionadas de Bacteroides vulgatus que coexistían dentro de un huésped, todas las cuales parecían haberse separado de una cepa ancestral dentro del huésped. En otro caso, una cepa de Turicibacter sanguinis reemplazó completamente una cepa relacionada de la misma especie casi de la noche a la mañana.
Variación de la población.
Los investigadores también midieron las cantidades de muchos metabolitos encontrados en las muestras de heces. Este análisis reveló que las variaciones en los niveles de aminoácidos estaban estrechamente relacionadas con los cambios en las poblaciones microbianas a lo largo del tiempo dentro de una sola persona. Sin embargo, las diferencias entre la composición de las poblaciones microbianas en diferentes personas se asociaron más estrechamente con los niveles variables de ácidos biliares, que ayudan con la digestión.
Los investigadores no saben exactamente qué produce estas diferencias en los niveles de aminoácidos y ácidos biliares, pero dicen que podrían verse influenciados por la dieta, una conexión que esperan investigar en futuros estudios. También han puesto a disposición todos sus datos en línea y están ofreciendo muestras de las cepas de bacterias que aislaron, lo que permite a otros científicos estudiar las funciones de estas cepas y sus posibles funciones en la salud humana.
“Las colecciones completas y de alta resolución de aislamientos bacterianos abren la posibilidad de investigar mecánicamente cómo nuestro estilo de vida da forma a nuestro microbioma intestinal, metabolismo e inflamación. Nuestro objetivo es proporcionar ese recurso a la comunidad de investigación en todo el mundo, incluidas las instituciones de investigación de bajos ingresos, “Groussin dice.
Los investigadores también han comenzado un proyecto a mayor escala para recolectar muestras de microbiomas de una mayor diversidad de poblaciones en todo el mundo. Se centran especialmente en poblaciones subrepresentadas que viven en sociedades no industrializadas, ya que se espera que su dieta y microbiomas sean muy diferentes de los de las personas que viven en sociedades industrializadas.
“Puede ser que a medida que las poblaciones que han estado viviendo estilos de vida tradicionales comiencen a cambiar a un estilo de vida más industrializado, puedan perder mucha de esa biodiversidad. Entonces, una de las principales cosas que queremos hacer es conservarla, y luego más tarde podemos volver y caracterizarlo también “, dice Alm.
La colección BIO-ML es un recurso único, que proporciona acceso abierto a miles de cepas clínicamente relevantes, y en algunos casos subrepresentadas, y sus datos ómnicos acompañantes. Con aislamientos cultivables disponibles, este recurso integral tiene el potencial de dilucidar dinámicas complejas del microbioma intestinal humano y permitir una investigación impulsada por hipótesis sin precedentes.
Mayor información. M. Poyet, M. Groussin, S. M. Gibbons, J. Avila-Pacheco, et al. «A library of human gut bacterial isolates paired with longitudinal multiomics data enables mechanistic microbiome research» Nature Medicine, Published: 02 September 2019.