La investigación abre oportunidades para desentrañar la complejidad de las comunidades microbianas

"Las comunidades microbianas gobiernan el mundo, "dice Jo Handelsman, director del Instituto de Descubrimiento de Wisconsin en la Universidad de Wisconsin-Madison.

"La gente siempre se ríe cuando digo eso, ", agrega." Pero es verdad ".

Nuestra nueva y rica comprensión de las comunidades microbianas y su influencia en la salud humana o la productividad de los cultivos ha llevado al sueño de cambiar estas comunidades para producir beneficios. En busca de ese sueño, millones de estadounidenses ahora toman probióticos, microbios beneficiosos que esperan mejorarán su intestino.

Pero la inmensa complejidad y resistencia de estos microbiomas dejan a los investigadores inseguros de cómo producir cambios predecibles y duraderos para mejorar.

Una nueva investigación de Handelsman y sus colaboradores aborda esa complejidad de frente. El equipo desarrolló una comunidad a la que llamaron THOR, tres especies de bacterias aisladas de las raíces de la soja y cultivadas juntas. La compleja comunidad de microbios desarrolló nuevos comportamientos juntos que no se podían predecir solo a partir de los miembros individuales:desarrollaron estructuras más resistentes conocidas como biopelículas, cambió la forma en que se movían por su entorno, y controló la liberación de un nuevo antibiótico.

Cada uno de los tres miembros de THOR tiene un genoma secuenciado, y una variedad de herramientas están disponibles para estudiar fácilmente las bacterias de forma aislada y en conjunto, lo que abre oportunidades para comenzar a desentrañar la complejidad de comunidades microbianas como THOR y otras. Una mejor comprensión de estos microbiomas podría ayudar a los científicos a descubrir cómo mejorarlos.

El trabajo se publica el 5 de marzo en la revista mBio . El trabajo fue dirigido por el investigador postdoctoral del laboratorio Handelsman Gabriel Lozano con colaboradores en el Departamento de Fitopatología de la UW-Madison, Universidad de Yale y otras instituciones.

El atronador nombre THOR proviene de los miembros de la comunidad:Los autostopistas de la rizosfera. Hace años que, El laboratorio de Handelsman notó que varias bacterias aparecieron en el viaje cuando se aislaron miembros de la bacteria Bacillus común del microbioma de las raíces de la soja. conocida como la rizosfera. Estos autostopistas solo se mostraron cuando la bacteria Bacillus se cultivó en el frío durante varias semanas.

Esas asociaciones estrechas entre diferentes especies sugieren que podrían servir como una comunidad modelo para probar cómo surgen rasgos complejos cuando varias especies comparten el mismo espacio. Los investigadores se decidieron por especies de los grupos de bacterias Pseudomonas y Flavobacterium para crecer y estudiar junto con Bacillus.

Conjunto, los miembros de THOR se jactaban de unos 15, 000 genes y eran capaces de producir miles de moléculas pequeñas, creando "capas de complejidad" a lo largo del tiempo y en el espacio, dice Handelsman.

Cuando crezca solo, el miembro de Pseudomonas de THOR produce una biopelícula, una estructura abundante que protege a las bacterias de su entorno. Las biopelículas engordan los implantes utilizados en medicina y hacen que las bacterias sean resistentes a los antibióticos. Cuando los tres miembros de THOR crecieron juntos, la comunidad produjo dos veces más biopelícula y la biopelícula duró más que cuando Pseudomonas estaba sola.

"Incluso cuando sus poblaciones son pequeñas, estas otras especies están generando biopelículas más grandes, "dice Handelsman.

También surgieron otros rasgos complejos en THOR. El miembro de Bacillus redujo la producción de antibióticos fabricados por Pseudomonas, protegiendo a Flavobacterium de sus efectos. Y los otros miembros de THOR indujeron a las colonias de Bacillus a crecer como las ramas de un árbol, extendiéndose sobre y alrededor de las otras bacterias en patrones complejos.

Muchos esfuerzos para manipular microbiomas se centran en mejorar la salud humana, y comunidades modelo como THOR podrían ayudar a los científicos a comprender cómo se pueden alterar las complejas relaciones microbianas para beneficiarnos.

Pero la información de THOR sobre el microbioma de las raíces de las plantas, la rizosfera, es igualmente vital. La rizosfera ayuda a pegar el suelo, Previniendo la erosión. Y el suelo retiene tres veces más carbono que el que flota en la atmósfera, convirtiéndolo en un elemento importante para abordar el cambio climático. Sabiendo cómo se unen los microbios individuales para producir los ricos, El comportamiento complejo del microbioma del suelo puede ser la clave para maximizar el beneficio que obtenemos de estas comunidades invisibles.

"Es una de las relaciones más importantes que tenemos, "dice Handelsman.

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