El mundo microscópico visto desde el microbioma

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Para comenzar a hablar del mundo microscópico es importante hablar de la primera persona que observó a las bacterias a través de una lente, esta persona fue Anton van Leeuwenhoek. Anton van Leeuwenhoek fue un comerciante holandés que, a finales del siglo XVII, en 1667, inventó el primer microscopio para poder observar microorganismos los cuales él nombró animálculos. Y todo con sus microscopios caseros, y una curiosidad insaciable, como únicos instrumentos. Leeuwenhoek, debido a que era apasionado por pulir lentes, llegó a crear más de 100 microscopios, esto debido a que cada vez fue mejorando su técnica para pulir los lentes.

Sin estudios universitarios, Leeuwenhoek fue el primero en ver animales unicelulares, bacterias, glóbulos rojos y espermatozoides, así como bacterias presentes en un estanque de agua.

Con el simple hecho de pensar en las comparaciones en los microorganismos presentes en cualquier parte de nuestro cuerpo se le da crédito a Leeuwenhoek ya que él fue quien comparó los microorganismos que se presentaban en su cavidad oral con los que se presentaban en su materia fecal, no solo hizo este tipo de comparaciones con él mismo, sino también con individuos que consideraba sanos e individuos que veía enfermos.

Gracias a Leeuwenhoek, a investigadores de su época y a investigadores que le precedieron es como sabemos que estamos rodeados de un mundo microscópico, bien sabemos que podemos encontrar microorganismos en alguna parte de una planta, así como lo en su raíz, en sus hojas, en sus frutos o en sus semillas, dichos microorganismo pueden ser bacterias, hongos, protistas, algas microscópicas, nematodos o virus. Todos estos microorganismos están distribuidos en todos los biomas del planeta, siendo así que también en el suelo se encuentran; tomando como ejemplo el suelo, este es uno de los biomas con mayor diversidad de microorganismo del planeta. También podemos encontrar microorganismo en los animales, ya sea en su tracto digestivo o en su piel.

Los microorganismos se dividen en tres dominios: bacteria, archaea y eukarya, esto basándose en el análisis de los ribosomas 16S rRNA o del 18S rRNA en el caso de los eucariotas.

Se desarrolló un método para estudiar la diversidad de microorganismos de una muestra ambiental a partir de la extracción del DNA total de la muestra y amplificando por PCR el gen 16S rRNA, introdujo este gen en un vector, hizo su clonación con la posterior secuenciación por el método de Sanger. Posteriormente, gracias al descubrimiento de métodos de secuenciación masiva, se pudo hacer el estudio del microbioma, esto porque en este tipo de métodos se permite obtener millones de lecturas simultáneamente, a diferencia del método de secuenciación por Sanger solo se obtiene 100 lecturas en una corrida.

Es así como se encuentran métodos de secuenciación masiva basados en la síntesis de una cadena de DNA o en la ligación de diferentes nucleótidos, todo esto adaptado a la liberación de luz o de un fluoroforo que es detectado por un aparato y que es traducido en una señal, la cual se traduce a la secuencia de DNA.

El primero método de secuenciación masiva desarrollado fue la pirosecuenciación por 454 roche, este método se desarrolló en el año 2005 y estuvo en uso durante una década después fue reemplazado por el método se secuenciación por ilumina el cual da un mayor número de lecturas cortas y con menor número de errores.

Gracias a todos estos métodos desarrollados desde el descubrimiento del DNA, el desarrollo de la PCR, el desarrollo de la secuenciación masiva es como se puede realizar el estudio del microbioma y ahora es posible realizar un análisis de piel para identificar y saber la abundancia de microorganismos que se pueden encontrar en la superficie de la piel. Partiendo de esto, se realiza la extracción del DNA total, se amplifica por PCR el 16S rRNA, se envía a un servicio de secuenciación masiva y después, por medio de herramientas bioinformáticas, se analizan estas secuencias y así se puede realizar la asignación taxonómica de los microorganismos presentes en esta muestra.

Y bueno, ¿qué es el microbioma, la microbiota y el metagenoma?

El microbioma comprende todo el material genético de la microbiota, la microbiota es la colección de microorganismos en un nicho específico, es decir, es el metagenoma de la microbiota y el metagenoma es la colección de genomas y genes de los miembros de la microbiota.

De tal manera que se puede trabajar el microbioma a partir de una muestra de heces, de piel, de sedimento marino, de un coral, de una planta, etc., y obtener el DNA metagenómico de esa muestra, a partir de esto, se puede construir una librería metagenómica en donde se encontrarán fragmentos de todos los genomas que están contenidos en esa muestra (genomas de bacterias, arqueas, eucariotas ya sean hongos, protistas, algas microscópicas incluso algunos virus), estos genomas se envían a un servicio de secuenciación masiva, posteriormente se analizan los genomas bioinformaticamente, para eso se hace un ensamble de novo que básicamente  es un ensamble con una base de datos de referencia, se registra el genoma de tal manera que se puede hacer la asignación taxonómica de los microorganismos presentes en esa muestra y a su vez, ver todas las rutas metabólicas que están potencialmente en esa muestra.

Por otra parte, se puede estudiar el microbioma a partir del DNA metagenómico amplificando el 16S rRNA y elaborando una librería del 16S amplificándola por PCR y posteriormente enviándolo a un servicio de secuenciación masiva para realizar el análisis de los datos.

En el año 2008 se lanzó el proyecto del microbioma humano cuyo objetivo es estudiar el microbioma que está presente en diferentes partes del cuerpo a través del 16S rRNA y también se ha propuesto el estudio del microbioma a través de múltiples tecnologías omicas, de tal manera que este es un esfuerzo colaborativo entre diferentes instituciones y centros de investigación en EEUU.

Para el año 2010 se propuso estudiar el microbioma del planeta Tierra, el cual tiene como objetivo estudiar a todos los microorganismos que están presentes en los diferentes biomas del planeta, siendo también un esfuerzo colaborativo entre diferentes instituciones de EEUU y que se propone estudiar al microbioma a través del 16S rRNA y el 18S rRNA (para el caso de los eucariotas), de tal manera que todas aquellas personas que quieran estudiar el microbioma de alguna muestra ambiental pueden contribuir a la base de datos del proyecto del microbioma de la tierra trabajando con los primers que diseñaron los científicos para este proyecto utilizando la misma metodología de extracción de DNA, construcción de librería y secuenciación masiva para que los datos puedan ser comparables.

Gracias al desarrollo de la biología molecular y de las técnicas de secuenciación masiva fue que se pasó de solo observar el mundo microscópico a través de un microscopio a este tipo de estudios en el cual se puede ver la composición de la comunidad microbiana y así poder evaluar cómo las diferentes variables ambientales pueden afectar la composición y distribución del microbioma de un ambiente en específico.

Actualmente ya se pueden encontrar trabajos en los que se ha estudiado el microbioma de animales silvestres y domésticos, comparando el microbioma de la cavidad oral, del tracto respiratorio, de la piel, del tracto estomacal, del tracto urogenital, el intestinal y el fecal, teniendo como resultado que cada microbioma de estas regiones es distinto. También se ha evaluado como el microbioma es distinto en animales aun cuando estos tengan la misma dieta.

Se ha estudiado el microbioma en el suelo, así como su importancia, las interacciones que se llevan a cabo en este ambiente entre los microbios por fenómenos de depredación, de competencia entre los microorganismos, interacciones a nivel molecular como el intercambio de metabolitos.

Se ha podido evaluar la composición microbiana en una muestra de suelo que proviene de un lugar con una alta cantidad de humedad comparado con un lugar que tiene una baja cantidad de humedad. De igual forma se ha podido ver la interrelación que existe entre bacterias y hongos, relaciones de cooperación, de competencia, de inhibición, su relación con los virus y sus rutas metabólicas. También se ha estudiado el microbioma en ambientes marinos como en sedimentos de manglar, en pastos marinos, en macroalgas, en los corales, en una columna de agua, etc., y el efecto de la profundidad sobre la composición del microbioma.

Respecto a las plantas, de igual forma se han realizado estudios de su microbioma para la ver la presencia del microbioma en las raíces, en las hojas y como es que este microbioma favorece la colonización de un microorganismo en sus hojas o, por lo contrario, como evita que un microorganismo colonice las hojas, así como la relación entre el microbioma de las raíces y el de las hojas. Aunque en algunos estudios se ha arrojado que el microbioma que se encuentra en la raíz es mayor al que se encuentra en las hojas.

En el caso del microbioma humano se ha estudiado en diferentes partes del cuerpo como lo es la cavidad oral (predominan los fermicutes y estreptococos), en la vagina (tiene alta proporción de fermicutes), en la piel (predominan los actinobacterias), en el tracto digestivo (predominan los bacteroidetes) y en la placenta (hay bacteroidetes, pero predominan los proteobacterias).

Independientemente de que la composición del microbioma es distinta dependiendo de la zona del cuerpo se ha observado que una alteración en la composición o en la proporción de este microbioma puede estar relacionado con ciertas enfermedades.

Algunos de los factores por los cuales el microbioma varía en los humanos son:

• La dieta, cada tipo de dieta favorece la presencia de ciertos microorganismos en el tracto digestivo.
• Exceso en el consumo de antibióticos, ya que esto genera un desbalance en la composición del microbioma del tracto digestivo, incluso cuando un tratamiento no se termina adecuadamente surgen los mecanismos de resistencia a antibióticos e igual modifica el microbioma.
• La zona geográfica en la que se encuentre un individuo.
• Las diferentes fases de vida, es diferente el microbioma de un bebé, de un niño, de un adolescente, de un adulto y de un anciano.
• El proceso de nacimiento: si fue a través del canal de parto (donde la colonización es precisamente a partir de la vagina de la madre) o a través de cesárea (donde la colonización es a partir del ambiente en el que se encuentre).
• El método de lactancia también influye ya que es diferente si recibió leche materna a si recibió formula láctea.

Todos estos estudios del microbioma han llevado a generar algunas perspectivas debido a cuál puede ser la utilidad adicional del estudio del microbioma humano. En el caso de la medicina personalizada se tiene datos de que el genoma humano entre dos individuos puede ser similar hasta en un 99.9 %; a diferencia del microbioma del tracto digestivo o de la piel, este puede ser diferente entre un 80 y 90 % entre dos individuos, por ello se sugiere en un futuro dar medicina personalizada a los humanos y que vaya en función de la enfermedad que presenten debido a las alteraciones en el microbioma.

Por último, es importante mencionar a todos los científicos que hicieron posible que actualmente se pueda estudiar el microbioma, es decir, poder ver el mundo microscópico a través del microbioma:

• Leeuwenhoek; descubrió el microscopio
• Pasteur; aportó todos los métodos de esterilización
• Robert Koch; desarrolló los cultivos microbianos
• Cristian Gram; desarrolló la técnica de diferenciación de microorganismos
• Watson y Crick; elucidaron la estructura del DNA
• Kary Mulles; desarrolló la PCR
• Frederick Sanger; desarrolló la secuenciación masiva
• Ernst Haeckel; desarrolló el árbol de la vida