/ lunes 12 de noviembre de 2018

Invivo / El potencial del microbioma en la biotecnología

Sin la presencia de ciertos microbiomas es muy probable que la viabilidad de plantas y animales podría verse severamente comprometida

Los microorganismos constituyen el mayor grupo en los seres vivos, poblando una gran variedad de nichos como la atmósfera, el suelo asociado a los árboles y plantas, los ríos, lagos y océanos que cubren el planeta, e incluso ocupando nichos dentro y fuera de organismos multicelulares como mamíferos e insectos entre otros (Figura 1). Microbiota es el término que se utiliza cuando estos microorganismos se agrupan en comunidades y resulta importante no sólo el saber las especies que la conforman sino también la información que podría estar codificada en sus genomas (microbioma) ya que la mayoría de las veces, éstos funcionan en su conjunto.

Foto: Cortesía

La actividad y diversidad que engloban estas comunidades son algunos de los factores que condicionan la fertilidad, estabilidad y funcionamiento de los diferentes ecosistemas que habitan (DeSalle y Perkins, 2015). Sin la presencia de ciertos microbiomas es muy probable que la viabilidad de plantas y animales podría verse severamente comprometida. Como ejemplo de lo anterior, se puede pensar cuáles serían las consecuencias de carecer de una microbiota intestinal, pues hoy en día sabemos que ésta es responsable de metabolizar los componentes de la dieta que nosotros no somos capaces de digerir e incluso sintetizan nutrientes y vitaminas esenciales para el funcionamiento de nuestras células.

En las plantas, quizás la microbiota más estudiada es aquella que se asocia a la raíz, esto debido a que son los microorganismos presentes en la rizosfera los que tienen, en muchos casos, la capacidad de estimular el desarrollo vegetal y contribuir a su salud.

Foto: Cortesía

Este microbioma facilita la adquisición de nutrientes como el nitrógeno, el fósforo, o el hierro; produce moléculas idénticas o similares a hormonas vegetales las cuales impactan en el desarrollo del sistema radicular; modulan la respuesta a estreses abióticos (estímulos ambientales) y estimulan el estado sistémico de resistencia de las plantas lo que permite a éstas defenderse ante el ataque de diversos patógenos.

En lo que refiere a los insectos, cada vez hay más evidencia que demuestra que la microbiota asociada a éstos está implicada en ciertas conductas sociales como, por ejemplo, el reconocimiento de parentesco y el comportamiento reproductivo o inclusive en la transmisión de patógenos. En las moscas, parece existir un efecto del microbioma intestinal relacionado con la producción de feromonas (sustancias químicas secretadas con el fin de provocar comportamientos específicos en otros individuos, en la mayoría de los casos, de la misma especie).

Desde hace miles de años los insectos se han asociado con una enorme diversidad de microorganismos que han podido moldear la ecología y diversidad de su huésped. Varios grupos de insectos muestran asociaciones obligadas con microorganismos, lo cual ha permitido la adaptación a ciertos hábitos como la especialización de su dieta e incluso transiciones ecológicas que se explican en función con los cambios de sus microbiomas (Figura 2) (Benítez, 2012).

El microbioma de los insectos cobra interés en la biotecnología al ser el mayor recurso genético para la búsqueda de futuros desarrollos de origen científico-tecnológico. Hoy su correcta explotación se hace posible gracias a las nuevas plataformas de secuenciación masiva y la bioinformática, herramientas que son utilizadas para identificar y elucidar genes de interés biotecnológico a través de la exploración masiva de datos (Lewis y Lizé, 2015; Cadena, et al., 2016).

La microbiota intestinal asociada a insectos ha resultado de gran importancia para el desarrollo de novedosas aplicaciones biotecnológicas, como es el caso de la identificación en éstas de genes involucrados en la hidrolisis de xilano y celulosa, dos rutas metabólicas que tienen lugar en el microbioma de insectos barrenadores y que podrían ayudar en la obtención de biocombustible a partir de madera o bien el tratamiento de residuos que contengan xilano, celulosa o látex mediante microorganismos (Wyman, 2007; Vilanova, et al., 2016). Akman y colaboradores en el 2002 encontraron que algunas bacterias del microbioma asociado a insectos son capaces de sintetizar vitaminas, mientras que otros estudios han determinado que el microbioma de insectos alberga genes implicados en la fijación de nitrógeno (Raffa, et al., 2005) así como resistencia a antibióticos (Allen, et al., 2009).

En el caso de la microbiota intestinal de abejas productoras de miel, existen bacterias que provee de mecanismos de defensa ante patógenos potenciales (Mattila, et al., 2012) además, el metabolismo de carbohidratos llevado a cabo por el microbioma, produce un eficiente manejo de los nutrientes, lo que les lleva a un aumento en la producción de miel causando un beneficio a los apicultores (Figura 3).

El potencial de los microbiomas es enorme y puede emplearse para mejorar diferentes sectores como la salud humana, equilibrio de ecosistemas, impacto ambiental y la productividad agrícola. Además, se están desarrollando nuevas herramientas y tecnologías, por ejemplo, la ingeniería de microbiomas o la biología sintética las cuales enfatizan el uso de los microbiomas con fines biotecnológicos (Foo, et al., 2017).

Agradecimientos:

Este artículo ha sido posible gracias a fondos proporcionados por el fondo Fordecyt-Conacyt 292399. Proyecto titulado “Generación de estrategias científico-tecnológicas con un enfoque multidisciplinario e interinstitucional para afrontar la amenaza que representan los complejos ambrosiales en los sectores agrícola y forestal de México”.

Red de Estudios Moleculares Avanzados, Instituto de Ecología A. C., Carretera Antigua a Coatepec 351, Xalapa 91070, Veracruz, México/ CONACyT en el Instituto de Ecología, A. C., Carretera Antigua a Coatepec 351, Xalapa, Veracruz, México.

Los microorganismos constituyen el mayor grupo en los seres vivos, poblando una gran variedad de nichos como la atmósfera, el suelo asociado a los árboles y plantas, los ríos, lagos y océanos que cubren el planeta, e incluso ocupando nichos dentro y fuera de organismos multicelulares como mamíferos e insectos entre otros (Figura 1). Microbiota es el término que se utiliza cuando estos microorganismos se agrupan en comunidades y resulta importante no sólo el saber las especies que la conforman sino también la información que podría estar codificada en sus genomas (microbioma) ya que la mayoría de las veces, éstos funcionan en su conjunto.

Foto: Cortesía

La actividad y diversidad que engloban estas comunidades son algunos de los factores que condicionan la fertilidad, estabilidad y funcionamiento de los diferentes ecosistemas que habitan (DeSalle y Perkins, 2015). Sin la presencia de ciertos microbiomas es muy probable que la viabilidad de plantas y animales podría verse severamente comprometida. Como ejemplo de lo anterior, se puede pensar cuáles serían las consecuencias de carecer de una microbiota intestinal, pues hoy en día sabemos que ésta es responsable de metabolizar los componentes de la dieta que nosotros no somos capaces de digerir e incluso sintetizan nutrientes y vitaminas esenciales para el funcionamiento de nuestras células.

En las plantas, quizás la microbiota más estudiada es aquella que se asocia a la raíz, esto debido a que son los microorganismos presentes en la rizosfera los que tienen, en muchos casos, la capacidad de estimular el desarrollo vegetal y contribuir a su salud.

Foto: Cortesía

Este microbioma facilita la adquisición de nutrientes como el nitrógeno, el fósforo, o el hierro; produce moléculas idénticas o similares a hormonas vegetales las cuales impactan en el desarrollo del sistema radicular; modulan la respuesta a estreses abióticos (estímulos ambientales) y estimulan el estado sistémico de resistencia de las plantas lo que permite a éstas defenderse ante el ataque de diversos patógenos.

En lo que refiere a los insectos, cada vez hay más evidencia que demuestra que la microbiota asociada a éstos está implicada en ciertas conductas sociales como, por ejemplo, el reconocimiento de parentesco y el comportamiento reproductivo o inclusive en la transmisión de patógenos. En las moscas, parece existir un efecto del microbioma intestinal relacionado con la producción de feromonas (sustancias químicas secretadas con el fin de provocar comportamientos específicos en otros individuos, en la mayoría de los casos, de la misma especie).

Desde hace miles de años los insectos se han asociado con una enorme diversidad de microorganismos que han podido moldear la ecología y diversidad de su huésped. Varios grupos de insectos muestran asociaciones obligadas con microorganismos, lo cual ha permitido la adaptación a ciertos hábitos como la especialización de su dieta e incluso transiciones ecológicas que se explican en función con los cambios de sus microbiomas (Figura 2) (Benítez, 2012).

El microbioma de los insectos cobra interés en la biotecnología al ser el mayor recurso genético para la búsqueda de futuros desarrollos de origen científico-tecnológico. Hoy su correcta explotación se hace posible gracias a las nuevas plataformas de secuenciación masiva y la bioinformática, herramientas que son utilizadas para identificar y elucidar genes de interés biotecnológico a través de la exploración masiva de datos (Lewis y Lizé, 2015; Cadena, et al., 2016).

La microbiota intestinal asociada a insectos ha resultado de gran importancia para el desarrollo de novedosas aplicaciones biotecnológicas, como es el caso de la identificación en éstas de genes involucrados en la hidrolisis de xilano y celulosa, dos rutas metabólicas que tienen lugar en el microbioma de insectos barrenadores y que podrían ayudar en la obtención de biocombustible a partir de madera o bien el tratamiento de residuos que contengan xilano, celulosa o látex mediante microorganismos (Wyman, 2007; Vilanova, et al., 2016). Akman y colaboradores en el 2002 encontraron que algunas bacterias del microbioma asociado a insectos son capaces de sintetizar vitaminas, mientras que otros estudios han determinado que el microbioma de insectos alberga genes implicados en la fijación de nitrógeno (Raffa, et al., 2005) así como resistencia a antibióticos (Allen, et al., 2009).

En el caso de la microbiota intestinal de abejas productoras de miel, existen bacterias que provee de mecanismos de defensa ante patógenos potenciales (Mattila, et al., 2012) además, el metabolismo de carbohidratos llevado a cabo por el microbioma, produce un eficiente manejo de los nutrientes, lo que les lleva a un aumento en la producción de miel causando un beneficio a los apicultores (Figura 3).

El potencial de los microbiomas es enorme y puede emplearse para mejorar diferentes sectores como la salud humana, equilibrio de ecosistemas, impacto ambiental y la productividad agrícola. Además, se están desarrollando nuevas herramientas y tecnologías, por ejemplo, la ingeniería de microbiomas o la biología sintética las cuales enfatizan el uso de los microbiomas con fines biotecnológicos (Foo, et al., 2017).

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Este artículo ha sido posible gracias a fondos proporcionados por el fondo Fordecyt-Conacyt 292399. Proyecto titulado “Generación de estrategias científico-tecnológicas con un enfoque multidisciplinario e interinstitucional para afrontar la amenaza que representan los complejos ambrosiales en los sectores agrícola y forestal de México”.

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