Tu cuerpo está repleto de ellos:100 billones de microbios en tu intestino, pulmones, boca, y piel. Tu hogar está repleto de ellos, en inodoros y lavabos, en mesas y sillas, en la alfombra, y en tu perro. Incluso el suelo sobre el que te paras abunda en innumerables bacterias, hongos protozoos, algas, y virus, todos microscópicos, todos forman parte de una comunidad de organismos que interactúan entre sí y con el medio ambiente. Estas comunidades y los entornos con los que interactúan se conocen como "microbiomas, "y nuestro creciente conocimiento de ellos está cambiando la forma en que tratamos las enfermedades, cultivar, y crear productos de uso diario.

Está cambiando la forma en que vemos la naturaleza.

Los científicos de Penn State y de la Facultad de Ciencias Agrícolas están a la vanguardia de la investigación sobre microbiomas. Están investigando las entrañas de humanos y animales para aprender cómo los microorganismos influyen en la salud, y están explorando los suelos para descubrir cómo los microbios benefician a los cultivos. A través de este trabajo, los científicos están obteniendo una apreciación de la complejidad de la vida microbiana en la Tierra. Y también están explorando los posibles beneficios y desafíos que presentan estas criaturas.

El viaje humano al reino de lo microscópico comenzó en 1657, cuando Antoni van Leeuwenhoek, un pañero que vive en Delft, Holanda, reveló que había descubierto, mirando a través de su microscopio simple creado por él mismo, diminutos "animálculos" que viven en el agua del lago.

En una carta a la recién formada Royal Society of London, van Leeuwenhoek escribió que estos animálculos eran "tan pequeños, En mi vista, que juzgué que incluso si 100 de estos animales muy pequeños yacían estirados uno contra el otro, no podían alcanzar la longitud de un grano de arena gruesa ... Fue maravilloso verlo ".

El descubrimiento de los microorganismos por Van Leeuwenhoek constituyó un cambio sin precedentes en la comprensión humana del mundo natural. De repente, la vida en la Tierra se volvió a la vez considerablemente más compleja y extraordinariamente maravillosa. Y todavía, más de 350 años después, permanecemos en la oscuridad acerca de quiénes son muchas de estas criaturas y qué están haciendo.

"Dependiendo de con quién hables, es posible que no sepamos nada sobre el 99 por ciento de los microorganismos en el medio ambiente, "dice Carolee Bull, profesor y jefe del Departamento de Fitopatología y Microbiología Ambiental. Pero, ella agrega, al igual que el cambio que se produjo después de que van Leeuwenhoek descubrió los microbios, una revolución científica moderna promete revelar las identidades y actividades de las comunidades de microorganismos que impactan tanto en nuestras vidas.

Esta vez, la herramienta que lo hace posible es la secuenciación de alto rendimiento, también conocida como secuenciación de próxima generación. Disponible por primera vez en el año 2000 y solo se utiliza ampliamente desde la última década, la tecnología puede determinar el orden de los nucleótidos:el As, Ts, Gs, y Cs:para cientos de miles de moléculas de ADN de una miríada de especies al mismo tiempo. La tecnología permite conocer las identidades de todas las especies presentes en una pequeña muestra de, por ejemplo, estanque de agua. Secuenciación de ADN simple, por otra parte, es mucho más limitado en sus habilidades.

"El concepto de microbiomas no es particularmente nuevo, "dice Bull". Pero con la secuenciación de alto rendimiento, la caja negra de la microbiología finalmente se está iluminando, "dice Bull." Nos está mostrando que los microbios no funcionan solos en el vacío. En lugar de, forman parte de una comunidad en la que el medio ambiente, otros organismos, y los microbios se influyen y responden entre sí ".

Protección de la calidad del agua y restauración de suelos

El microbioma del suelo es un tema de estudio complicado. Una cucharadita de tierra probablemente contiene mil millones de células bacterianas individuales, quizás 500, 000 fragmentos de hongos, miles de protozoos, y quien sabe cuantos virus, dice Mary Ann Bruns, profesor asociado de ciencia y gestión de ecosistemas. Y solo de las bacterias ella agrega, puede existir 10, 000 a 20, 000 especies diferentes.

Bruns utiliza secuenciación de alto rendimiento, entre otras herramientas, para romper esta "sopa de ADN, "como ella lo llama, que está contenido dentro del suelo. Su investigación sobre microbios que ciclan el nitrógeno a escala de campo encaja en el panorama más amplio de la reducción del transporte de nutrientes a las zonas muertas costeras. "En general, la mitad del nitrógeno del fertilizante que se aplica a los cultivos no es absorbido por los cultivos, ", dice." En cambio, se filtra al agua subterránea o se escurre en sedimentos. Gran parte de ese nitrógeno finalmente llega al Golfo de México y la Bahía de Chesapeake, donde trastorna los ecosistemas. Me interesa saber cómo podemos detener este proceso en la fuente, cómo podemos hacer que nuestros métodos de administración y aplicación de nitrógeno sean menos derrochadores ".

La clave, ella dice, radica en encontrar comunidades microbianas planta-suelo que conservan nitrógeno porque son responsables de gran parte del ciclo de nutrientes en el suelo. Por ejemplo, los microbios convierten el amonio en nitrato, que es la forma de nitrógeno que se pierde más fácilmente. "Ciertos microbios son responsables de muchas de las reacciones bioquímicas en el suelo que resultan en una baja eficiencia, "dice Bruns." En la agricultura tradicional, Hemos contrarrestado este problema de pérdida de nitrógeno agregando un monto de seguro. Es más barato y más fácil agregar más en lugar de tratar de averiguar cómo evitar pérdidas en primer lugar ".

La buena noticia es que, si bien algunos microbios promueven la pérdida de nitrógeno del suelo, otras especies son capaces de fijar nitrógeno de la atmósfera y mantenerlo en su lugar. Usando secuenciación de alto rendimiento, Bruns y uno de sus estudiantes de posgrado caracterizaron una mezcla de dos cepas de cianobacterias estrechamente relacionadas y varias especies de bacterias no fotosintéticas que forman biopelículas rápidamente en los suelos para reducir la erosión y la escorrentía. Este "consorcio, " ella dice, podría agregarse al suelo agrícola para fijar el carbono y el nitrógeno y ayudar a que los nutrientes permanezcan en su lugar, reduciendo así la necesidad de aplicaciones adicionales de nitrógeno y protegiendo los entornos aguas abajo de la contaminación por nitrógeno.

Bruns dice que le gustaría que las empresas se interesen en estos productos y los desarrollen para uso agrícola. Por ejemplo, tales productos microbianos podrían aplicarse, junto con enmiendas, para recuperar tierras dañadas, otra área donde la investigación del microbioma proporciona información. Bruns y la asociada postdoctoral Claudia Rojas utilizaron la secuenciación de próxima generación para mostrar aumentos en los hongos micorrízicos beneficiosos y los rizobios en tierras mineras revegetadas después de agregar cantidades moderadas de compost y cal.

Terrence Bell, profesor asistente de patología vegetal y microbiología ambiental, también está interesado en crear consorcios microbianos que se puedan agregar a los suelos para mejorar su función. Se centra en restaurar suelos que han perdido su actividad microbiana debido al uso excesivo de fertilizantes y productos químicos. "Algunos suelos agrícolas carecen de los microorganismos esenciales necesarios para el crecimiento de los cultivos porque han sido tratados con fertilizantes químicos durante tanto tiempo, " él dice.

A través de estudios experimentales, Bell y uno de sus estudiantes de pregrado han demostrado que este es el caso. Aplicaron diferentes tipos de enmiendas de nutrientes a los suelos y encontraron que los suelos expuestos a altas cantidades de fósforo químico experimentaron cambios en la composición del microbioma. incluida una reducción de la diversidad microbiana, que pareció afectar el crecimiento de los cultivos.

"Nuestro próximo paso es averiguar si podemos contrarrestar este problema reintroduciendo la diversidad microbiana en estos entornos, "dice Bell.

Al igual que con la investigación de Bruns, la tarea requiere el uso de las últimas técnicas de secuenciación. "Realmente se reduce a las herramientas disponibles, y el hecho de que solo ha pasado menos de una década desde que la secuenciación de alto rendimiento se ha utilizado ampliamente en nuestro campo, "dice Bell. Con estas tecnologías, "nos estamos concentrando en las funciones, "agrega Bruns." La mayoría de los organismos no son patógenos ni causan enfermedades, simplemente están allí esperando que las condiciones adecuadas se activen. Nuestro objetivo es comprenderlo y utilizar el conocimiento en nuestro beneficio ".

Control intestinal

El entorno del intestino humano comprende decenas de billones de microorganismos individuales, colectivamente pesan casi 4.5 libras. Muchos de estos microbios están implicados en la reducción del riesgo de cáncer. depresión, obesidad, and even autism. De hecho, "good" bacteria are becoming so popular for their positive health effects that the newly emerging probiotic industry netted more than $35 billion in profits in 2015. But some species are linked to problems.

Consider obesity. Solo en los Estados Unidos 34 percent of adults and 15 to 20 percent of children and adolescents are obese. En años recientes, researchers and clinicians have been turning to the gut microbiome to try to better understand this problem. Fecal matter is 50 percent bacteria. Microorganisms must be playing an important metabolic role.

Andrew Patterson, associate professor of veterinary and biomedical sciences, has learned a great deal about how bacteria influence obesity and the metabolic diseases associated with obesity, namely type II diabetes and non-alcoholic fatty liver disease. Por ejemplo, in his studies, he has noticed that mice given tempol, a drug typically used to protect cells against radiation damage, weigh significantly less than mice not given the drug. To investigate further, he and his team designed an experiment in which they fed mice a high-fat diet and gave them the drug tempol. They found that these mice gained significantly less weight than mice that were fed a high-fat diet but were not given tempol.

Patterson determined that the tempol was likely reducing the amounts of Lactobacillus and Clostridium bacteria in the mice guts. And when these bacteria decreased, a specific bile acid—known as tauro-beta muricholic acid—increased. "For some reason the bacteria metabolize bile acids either as a protective mechanism, or as a way of scavenging off nutrients for growth, " él dice.

Secreted from the liver into the intestine, bile acids are responsible for digesting dietary fats and oils. "If you have a disorder in these types of processes then you have a really hard time digesting fat, " says Patterson.

To determine what was going on between the Lactobacillus and bile acids, Patterson turned to metabolomics—the study of the chemical fingerprints that are left behind after cellular processes take place. He learned that when the bile acid tauro-beta muricholic acid increases, it turns off the farnesoid X receptor (FXR), which is responsible for regulating the metabolism of bile acids, fats, and glucose in the body. "FXR is there to say, 'Oye, there's enough bile acid in the intestine, shut off synthesis in the liver, or there's not enough bile acid so synthesis needs to be turned on, '" says Patterson.

The revelation about FXR's involvement led Patterson and his colleagues at the Hershey Medical Center and the National Cancer Institute to design their own anti-obesity drug that specifically targets FXR. In less than two years, they created a pill, modeled after tauro-beta muricholic acid but made from glycine-beta muricholic acid, that caused mice to gain significantly less weight and have less insulin resistance when fed a high-fat diet than mice in the untreated control group.

Patterson received a RAIN grant from the college to help commercialize his product. He also formed a company, called Heliome Biotech, C ª., to commercialize the drug, along with any others that may arise. But Patterson cautions that although his drug has the potential to help patients, it isn't a cure-all. "I don't think this is going to be the magic pill that allows you to eat a tub of ice cream every day and not see any metabolic problems later in life, " he says. "You have to adopt a healthy lifestyle as well."

Lactobacillusisn't the only bacteria with strains that can cause problems.E. coli, también, which is common and generally benign throughout the human gut, includes at least one very dangerous strain—O157:H7. This bacterium enters the body through contaminated foods.

"One of the things that makes O157:H7 so terrible is when it gets in your intestines it produces a powerful toxin called Shiga toxin that is responsible for a lot of the serious symptoms of disease, from mild diarrhea to severe kidney damage, " says Edward Dudley, associate professor of food science. "The question is what's the difference between the people who only get diarrhea and those who get terribly sick?"

Dudley believes our gut microbiomes might hold the key to this question. "Could it be that different microorganisms in our gut—what I carry versus what you carry—could cause our reactions to O157:H7 to be different? After all, when O157:H7 enters our intestines, it's not existing there by itself; it's interacting with hundreds of microorganisms that are found in our gut. We are asking whether any of these organisms that O157:H7 finds itself setting up shop with do anything that may either increase or decrease the amount of toxin that the organism produces."

Those suspicions were confirmed when Chun Chen, un ex Ph.D. student of Dudley's, grew O157:H7 in the laboratory together with a variety of strains of common gut E. coli. "When grown together with O157:H7 some of them dramatically increase the amount of toxin that O157:H7 produces, suggesting what E. coli strains are in your intestines might actually play a role in dictating the course of the disease, " says Dudley.

Another one of Dudley's former students, Kakolie Goswami, along with a colleague from the University of Michigan, repeated the experiment using sterile mice that contained no bacteria. They inoculated those mice with O157:H7 and also with a nonpathogenic strain of E. coli that he'd previously shown in the laboratory to amplify Shiga toxin. They found the same result:the mice with the O157:H7 and the other strain of E. coli did worse than the mice with only O157:H7.

According to Dudley, antibiotics can't be used to treat O157:H7 the way they can with other bacteria. De hecho, antibiotics actually increase the amount of Shiga toxin that the pathogen produces. Como resultado, doctors simply monitor patients and treat their symptoms. "By knowing which E. coli strains a patient carries, doctors could predict the course of the disease in patients and be prepared with various treatments, " says Dudley. He adds that it also may be possible to use certain strains of E. coli as a probiotic that patients could ingest that would block the ability of O157:H7 to produce large quantities of toxin.

"Por décadas, we studied various bacteria growing as pure cultures in the lab, when in reality, whether it's human health or in the soils or oceans, no bacteria, except a very tiny number of them, exist by themselves, " says Dudley. "They are always in a community of other organisms. Now we're really beginning to pick apart just how an organism of interest behaves differently when it's in the presence of other organisms. There is much to learn."

En efecto, microbiome research is an open book with the potential to transform our lives. "We know now that microbiomes are driving more than we ever thought, " says Bull. "There is a wealth of information that we have only just begun to tap."

Bull notes that it's important for public institutions, like Penn State, to be involved in this type of research. "As a land-grant institution, Penn State is mandated to create knowledge for the greater good, " she says. "For example, if you talk to a farmer, he or she will tell you, 'This is my best soil; anything I grow here will be fine, ' but a hundred yards away, he or she might say, 'This is not a great spot, '" says Bull. "Farmers know the difference because they've seen the yields, but they do not know why one spot is great for their crops and the other is not. It's our job as scientists to do the research and give them the answer for that."