El medio ambiente está repleto de microbios. Tierra, agua, superficies interiores, nuestros propios cuerpos:cualquier hábitat que no haya sido esterilizado rigurosamente está poblado por miles de especies de bacterias interdependientes, virus y otros organismos microscópicos.

Estas redes de microbiota son la base biológica de ecosistemas a mayor escala, y pequeños cambios en la comunidad microbiana pueden provocar cambios sísmicos en el medio ambiente.

Las nanopartículas forman parte de una larga lista de sustancias que pueden perturbarlas, pero descubrir sus efectos es una tarea de Sísifo.

Estas comunidades comprenden una asombrosa cantidad de microbios, muchos de los cuales no se pueden cultivar en el laboratorio, e incluso si pudieran, las complejas interacciones en las comunidades microbianas del mundo real no se pueden reproducir mediante experimentos con unas pocas especies.

En un nuevo artículo de la revista Nanotecnología de la naturaleza , Los investigadores de Virginia Tech demuestran una forma de investigar el efecto de las nanopartículas en un microbioma en particular:observar el ADN de una comunidad microbiana completa en lugar de una especie individual.

La estrategia, llamado análisis metagenómico, secuencia el ADN de todos los microbios en una muestra a la vez, proporcionando una descripción general de todos los genes que funcionan en ese entorno.

Los resultados sugieren que es una herramienta útil, lo suficientemente sensible como para detectar cambios que otros métodos podrían pasar por alto, incluidos algunos que pueden tener implicaciones para la salud pública.

Liderando el equipo estaba Amy Pruden, el Profesor de Ingeniería W. Thomas Rice, y el profesor de ingeniería civil y ambiental Peter Vikesland. Ambos son expertos en sistemas ambientales complejos; Pruden estudia los roles de las comunidades microbianas dinámicas y Vikesland actualmente se enfoca en los impactos de la nanotecnología en el medio ambiente.

En este estudio, los investigadores observaron las comunidades microbianas de lodos activados, que pueblan las plantas de tratamiento de aguas residuales y descomponen los contaminantes en las aguas residuales.

"Estamos usando el mundo real, comunidades complejas, los que son importantes para el medio ambiente porque están purificando nuestra agua, "Dijo Pruden.

Las nanopartículas son cada vez más comunes en las aguas residuales, proveniente de una lista creciente de productos que incluye de todo, desde malvaviscos hasta equipos médicos.

Las nanopartículas utilizadas en el estudio fueron esferas y varillas de oro sintetizadas en el laboratorio de Catherine Murphy. profesor de química en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. El equipo de investigación introdujo estas nanopartículas en un reactor a escala de laboratorio que simula una planta de tratamiento de aguas residuales, y realizó un análisis metagenómico después de siete días y otro después de 56 días.

Resultó que las nanopartículas cambiaron la distribución de genes en la comunidad microbiana de lodos activados, y que las nanopartículas esféricas tenían una mayor influencia que las de tipo varilla.

Entre los genes afectados se encuentran los que ayudan a las bacterias infecciosas a evadir los antibióticos.

Las plantas de tratamiento de aguas residuales han sido identificadas como un reservorio de genes de resistencia a los antibióticos que eventualmente encuentran su camino hacia el medio ambiente. donde presentan un riesgo creciente para la salud pública.

Más de ocho semanas de exposición a nanopartículas de oro, el número total de genes de resistencia a los antibióticos en la muestra se mantuvo estable, pero la distribución de esos genes, es decir, de qué antibióticos se protegen — cambiado. Los investigadores también notaron cambios en los genes que permiten que las bacterias resistan la exposición a los metales. que normalmente son citotóxicos.

Mientras tanto, la identidad de un recubrimiento químico en las nanopartículas no provocó los mismos cambios genéticos.

"Los sorprendentes resultados de este estudio, que la forma de las nanopartículas puede afectar la estructura de la comunidad microbiana en mayor medida que las propiedades superficiales impartidas por los recubrimientos, tiene implicaciones significativas no solo para informar el diseño más seguro de los nanomateriales y mitigar los impactos no deseados en el ecosistema y la salud pública, sino también para preparar las plantas de tratamiento de aguas residuales para un potencial, desafío creciente relativamente pasado por alto, "dijo Pedro Alvarez, el Profesor George R. Brown de Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad de Rice.

Álvarez estudia las aplicaciones e implicaciones ambientales de la nanotecnología, pero no participó en esta investigación.

El recubrimiento de las nanopartículas lo hizo, sin embargo, afectar su distribución entre los lodos y las aguas residuales. Eso puede tener consecuencias medioambientales:el lodo de una planta de tratamiento de aguas residuales se recicla y se vuelve a utilizar, mientras que el agua se devuelve al medio ambiente.

Pero ni la ubicación cambiante de las nanopartículas ni los cambios genéticos de los microbios parecían afectar la eficiencia para descomponer los contaminantes. Eso resalta la sensibilidad de este enfoque metagenómico:que puede ser capaz de detectar cambios sutiles en una comunidad antes de que puedan detectarse con medidas más simples, como el desempeño de una planta de tratamiento de aguas residuales.

"Es como un canario microbiano en la mina de carbón, ", Dijo Vikesland.

Pruden y Vikesland enfatizan que se necesita mucha más investigación para comprender cómo los diferentes tipos de nanopartículas afectan a las comunidades microbianas. y que no está claro si los cambios que observaron en los genes de resistencia a los antibióticos son los que supondrían un riesgo para la salud pública.

"Estamos colaborando con profesores de informática para llevar este enfoque de evaluación de riesgos de metagenómica al siguiente nivel, ", Dijo Pruden. Están trabajando en la creación de una herramienta que podría ayudar a evaluar qué cambios genéticos podrían ser problemáticos.

La conclusión clave, los investigadores dicen, Es que estos resultados sugieren que el análisis metagenómico puede proporcionar información valiosa sobre los efectos de las nanopartículas en un ecosistema microbiano complejo.

"La metagenómica dice que hay una señal, ", Dijo Vikesland." En este momento no sabemos cuáles son las implicaciones de esa señal en el mundo real, pero claramente hay algo ahí ".