Todos los días, los miles de millones de bacterias que habitan en su sistema digestivo cambian; los alimentos que consume, los medicamentos que toma y los gérmenes a los que está expuesto hacen que algunas bacterias prosperen más que otras. Los científicos saben que este equilibrio siempre cambiante de microbios intestinales está relacionado con su salud y enfermedad, pero han luchado para precisar qué hace que un equilibrio microbiano sea mejor que otro.
Durante la última década, los científicos generalmente han descrito el microbioma de una persona (la colección de microbios que se encuentran en el intestino humano) al caracterizar qué especies de bacterias están presentes y en qué cantidades. Ahora, un grupo de investigadores dirigido por Katie Pollard, PhD, en los Institutos Gladstone ha publicado dos nuevos estudios que sugieren que monitorear las cepas de bacterias, y no solo las especies, puede proporcionar una mejor comprensión del microbioma.
Las cepas bacterianas son un poco como las razas de perros o las variedades de tomates: partes de la misma especie, pero distintas entre sí.
En un estudio publicado en la revista Nature Biotechnology, el laboratorio de Pollard trabajó con Stephen Nayfach, PhD, un científico investigador del Instituto Conjunto del Genoma del Departamento de Energía de EE. UU., Para desarrollar un nuevo método computacional para analizar las cepas de bacterias presentes en una muestra de microbioma mucho de forma más rápida y asequible que las tecnologías existentes. El nuevo enfoque, dice Pollard, permitirá a los investigadores realizar análisis más grandes y precisos del microbioma que nunca.
En un artículo separado publicado en línea en Genome Research, Pollard colaboró con los laboratorios de Benjamin Good, PhD, y Michael Snyder, PhD, en la Universidad de Stanford para rastrear las cepas de bacterias presentes en el microbioma de una persona en 19 puntos de tiempo diferentes durante un período de 5 a XNUMX años. período de un mes, incluido antes y después de un ciclo de antibióticos. Descubrieron que, en algunos casos, la abundancia de una especie de bacteria se mantuvo constante entre puntos de tiempo, pero las cepas dentro de esa especie cambiaron drásticamente.
Haciendo que los microbiomas sean significativos
Dentro de su intestino, las bacterias probablemente hacen más que simplemente digerir su comida. De hecho, los estudios han demostrado que las personas con enfermedades tan diversas como la enfermedad inflamatoria intestinal, el asma, el autismo, la diabetes y el cáncer tienen diferentes bacterias en sus sistemas digestivos en comparación con las personas sanas. Pero, hasta ahora, de estas observaciones han surgido pocos tratamientos dirigidos al microbioma.
Dado que cada bacteria tiene su propio código genético, los científicos se basan en la secuenciación del ADN para descubrir qué bacteria habita en el microbioma de una persona determinada. Pero analizar las secuencias de ADN es difícil debido al tamaño y la complejidad de los datos. Aunque los investigadores pueden utilizar métodos existentes para determinar qué especies están presentes, estos solo proporcionan una parte de la imagen de la diversidad y función del microbioma. Esto se debe a que las diferentes cepas en una sola especie de bacterias pueden albergar diferencias genéticas significativas, que a menudo son lo suficientemente grandes como para inducir comportamientos diferentes.
Hasta ahora, identificar diferencias genéticas en una muestra de microbioma requería poder de computación de alto rendimiento y almacenamiento en la nube, algo que no está disponible para la mayoría de los laboratorios. Los investigadores tuvieron que comparar millones de fragmentos de ADN de los genomas de miles de bacterias presentes en el microbioma con una base de datos con las secuencias de todos los microorganismos conocidos, utilizando una técnica conocida como alineación de secuencias.
Pollard y sus colegas sabían que los tramos largos de secuencias del genoma son comunes entre muchas especies o cepas bacterianas. Por lo tanto, estas secuencias no se pueden utilizar para ayudar a identificar una cepa bacteriana específica. Inspirado por enfoques que analizan solo las regiones más variables del genoma humano, el equipo se propuso encontrar la cantidad mínima de información de secuencia que necesitarían extraer de los datos del microbioma para identificar qué cepas contenía.
Los investigadores analizaron más de 100,000 genomas disponibles públicamente y de alta calidad de aproximadamente 900 especies bacterianas que se encuentran comúnmente en el intestino humano. Descubrieron 104 millones de cadenas cortas de ADN en los genomas bacterianos que varían con mayor frecuencia entre las cepas de bacterias. Luego, utilizaron esta información para diseñar un nuevo algoritmo, denominado GenoTyper for Prokaryotes (GT-Pro), que busca en los datos de la secuencia del microbioma coincidencias exactas con las cadenas clave que actúan como identificadores de cepas bacterianas. A diferencia de los métodos de alineación de secuencia anteriores, GT-Pro cabe en la memoria de una computadora portátil y no requiere computación de alto rendimiento ni créditos en la nube.
El campo de investigación se ha visto limitado anteriormente por el hecho de que solo unos pocos laboratorios en todo el mundo tienen el dinero o el hardware informático para analizar los datos del microbioma con la resolución de cepas.
Antes y después de los antibióticos
Una de las preguntas que los investigadores del microbioma se han esforzado por responder en los últimos años es cuánto cambia el microbioma en el cuerpo de una persona a lo largo del tiempo. Esta pregunta se ha abordado a nivel de especie; Los científicos han rastreado cómo cambia la composición de especies de los microbiomas de las personas junto con la dieta, las enfermedades o los cambios ambientales. Pero los resultados no han logrado explicar cómo el microbioma adquiere nuevas funciones, como la resistencia a los antibióticos o la capacidad de inactivar los fármacos de quimioterapia, cuando la composición de las especies se mantiene estable de un mes a otro.
Pollard y sus colegas querían ahondar en esta cuestión a un nivel más profundo, analizando cómo las cepas de bacterias, en lugar de solo especies, cambian con el tiempo. Reutilizaron un método diseñado para secuenciar células humanas individuales y lo utilizaron para codificar moléculas de ADN bacteriano. Esto permitió al grupo rastrear cepas individuales de bacterias en una persona durante el transcurso de un estudio de 5 meses.
El equipo secuenció el microbioma de un individuo sano aproximadamente una vez a la semana durante 5 meses. Durante ese período de tiempo, al sujeto se le diagnosticó sorprendentemente la enfermedad de Lyme y recibió un tratamiento de dos semanas con antibióticos, que se sabe que eliminan muchas especies de bacterias, incluidas las que viven en el intestino humano.
En algunos casos, esto fue cierto: ciertas especies y cepas de microbios fueron notablemente resistentes, presentes con genomas casi sin cambios al comienzo y al final del período de 5 meses. Pero en otros casos, las cepas presentes después de los antibióticos eran genéticamente diferentes de las que estaban al principio, aunque la abundancia de las especies no cambió. Es importante destacar que estas diferencias se habrían pasado por alto si el equipo solo hubiera analizado las especies presentes en cada muestra de microbioma.
Aunque el algoritmo GT-Pro aún no estaba disponible para ser utilizado en este estudio, Pollard dice que haría que los estudios futuros similares fueran mucho más fáciles y económicos de realizar.
Trazando un nuevo camino para los estudios de microbiomas
Las bacterias de su cuerpo son como una jungla: un ecosistema vivo y cambiante con organismos que coexisten en un delicado equilibrio. Al mirar imágenes de satélite desde arriba, los ecologistas pueden monitorear los cambios más profundos y drásticos en una jungla, pero se perderán las complejidades más finas que dan forma al medio ambiente.
De manera similar, quienes estudian el microbioma observando cómo cambian las especies han obtenido una visión de alto nivel de la red y solo han visto las conexiones más obvias con la salud y la enfermedad. Pero con GT-Pro y una nueva visión de las cepas de microbios, dice Pollard, se harán evidentes nuevos vínculos.
