Ingenieros biomédicos de la Universidad de Duke han demostrado un fenómeno de comunidad microbiana que esencialmente equivale a enseñar a los vecinos cómo completar las tareas necesarias arrancando y compartiendo partes del cerebro.

El proceso permite que los microbiomas se mantengan a sí mismos y a sus entornos saludables y podría ayudar a los científicos a crear sistemas microbianos robustos y personalizados para aplicaciones que van desde la limpieza de toxinas del medio ambiente hasta la producción de biocombustibles y otros productos de consumo.

La investigación aparece en línea el 1 de septiembre en la revista Nature Chemical Biology .

Las comunidades microbianas grandes y complejas viven en todas partes del mundo, desde ríos y montañas hasta humanos y casas. Pero ya sea comparando microbiomas en picos nevados en Asia o dentro de los estómagos de gemelos humanos idénticos, la composición de especies dentro de estas comunidades puede variar ampliamente.

No importa cuán diferentes puedan parecer estos microbiomas en la superficie, si viven en entornos similares, es probable que cumplan las mismas funciones. Una forma de evaluar qué procesos están llevando a cabo es centrarse en los genes que codifican las funciones en lugar de las especies mismas.

"Si cuenta el número de copias de genes que codifican alguna función, sus números pueden permanecer estables incluso si la composición de especies de la comunidad cambia drásticamente", dijo Lingchong You, profesor de ingeniería biomédica en Duke. "Una ruta importante hacia este nivel de estabilidad es a través de la transferencia horizontal de genes".

La transferencia horizontal de genes es el proceso mediante el cual las bacterias comparten constantemente recetas genéticas para nuevas habilidades mediante el intercambio de paquetes de material genético llamados plásmidos. A nivel conceptual, no es del todo diferente a crear una copia de una colección de neuronas que sabe cómo hacer lasaña, arrancándotela de la cabeza y dándosela a un amigo para que la use.

En el nuevo artículo, You y sus colegas muestran que esta transferencia de genes juega un papel esencial para mantener los microbiomas saludables y garantizar que se completen las tareas críticas. Comenzando con dos especies diferentes de bacterias, los investigadores controlaron los niveles de transferencia horizontal de genes y demostraron que las tasas más altas conducían a concentraciones más estables de estos genes.

Luego, el equipo construyó una comunidad de hasta 72 bacterias intercambiando hasta 13 genes diferentes simultáneamente y midió la estabilidad de los genes. Al igual que con el modelo más simple, los genes que se intercambiaron con mayor frecuencia mantuvieron un nivel más estable dentro del microbioma en su conjunto.

"Estos resultados se han especulado antes, pero nunca se han cuantificado dentro de las comunidades vivas", dijo You. "La otra ruta a este nivel de redundancia es tener varias especies que puedan realizar la misma función. Pero un alto nivel de transferencia horizontal de genes es un método mucho más sólido para lograr los mismos resultados".

Dicho de otra manera, un equipo de construcción podría ser extremadamente resistente a que los electricistas renuncien si los plomeros en el sitio también supieran cómo cablear un edificio. Pero el mismo equipo sería aún más resistente si los electricistas restantes simplemente pudieran transferir su experiencia a cualquier persona en el trabajo cuando sea necesario, sin importar su profesión.

En el futuro, You espera estudiar comunidades microbianas naturales para demostrar definitivamente que este fenómeno es importante para la salud de un microbioma fuera de un laboratorio. También planea implementar esta división dinámica del trabajo a través de la transferencia horizontal de genes en sistemas microbianos modificados.

"Hay casos en los que las vías metabólicas complejas son difíciles de diseñar en una sola especie bacteriana donde es más fácil tener diferentes poblaciones que lleven a cabo diferentes pasos del proceso", dijo You. "Este estudio sugiere que podemos implementar esa estrategia a través de la transferencia de genes para que no tengamos que preocuparnos por la composición específica de las especies. Podemos simplemente dejar que la comunidad encuentre el mejor equilibrio para sí misma sabiendo que seguirá haciendo el trabajo. hecho." + Explora más

Miles de genes intercambiados dentro de las comunidades microbianas que viven en el queso