| Diversidad críptica de bacterias intestinales que degradan la celulosa en humanos industrializados
Resumen Se sabe que el microbioma de las personas urbanizadas en todo el mundo contiene menos biodiversidad microbiana que las de los humanos que viven en zonas rurales. La preocupación es que la pérdida de especies clave contribuya a la creciente prevalencia de una mala salud metabólica entre las personas urbanizadas. Mediante la búsqueda de genes clave implicados en la degradación de la celulosa en genomas ensamblados en metagenomas, Moraïs et al. descubrieron bacterias celulolíticas en humanos. Todas las especies candidatas de Ruminococcus ensamblaron celulosomas activos, complejos enzimáticos capaces de degradar la celulosa microcristalina. Se distinguieron tres especies con filogenias que indicaban derivación de huéspedes primates y rumiantes, y mostraron preferencias específicas de huésped y una adaptación continua del huésped. La aparición de bacterias celulolíticas en humanos revela que se produce un complicado proceso de coevolución dinámica en el intestino y posiblemente esté regulado por el medio ambiente. |
Introducción
Los mamíferos, incluidos los humanos, dependen de la comunidad microbiana de su intestino para descomponer los componentes de la pared celular de las plantas, en particular la celulosa y los polisacáridos asociados. Sin embargo, existe evidencia limitada de la fermentación de la celulosa en el intestino humano a pesar de los beneficios de la fibra dietética que contiene celulosa para la salud del microbioma intestinal y el bienestar humano en general.
Razón fundamental
Al investigar la presencia de especies bacterianas no descritas hasta ahora dentro de la microbiota intestinal humana que degradan polisacáridos celulósicos complejos, podemos revelar sus fuentes potenciales y comprender sus intrincadas adaptaciones a diversos estilos de vida y dietas del huésped. Conocer la prevalencia y abundancia de estas bacterias en diversas especies de mamíferos y una amplia gama de poblaciones humanas proporcionará conocimientos fundamentales sobre sus orígenes evolutivos, asociaciones ancestrales y trayectorias que permitieron su incorporación al intestino humano.
Resultados
Se descubrieron especies de ruminococos previamente desconocidas en la microbiota intestinal humana y se denominaron provisionalmente Candidatus Ruminococcus primaciens, Ruminococcus hominiciens y Ruminococcus ruminiciens, todas las cuales ensamblan sistemas de celulosomas multienzimáticos funcionales que degradan la celulosa cristalina. Estas especies prevalecen entre los grandes simios y otros primates no humanos, sociedades humanas antiguas, comunidades de cazadores-recolectores y poblaciones rurales.
Aunque están muy extendidos geográficamente, son notoriamente raros en las sociedades industrializadas.
En particular, exhiben distintas preferencias de huésped en las que R. hominiciens se asocia principalmente con humanos y grandes simios y R. primaciens habita predominantemente en el intestino de primates no humanos y poblaciones humanas antiguas. Además, estas especies muestran una diversificación específica del huésped, formando clados distintos dentro del árbol filogenético y alineándose con sus respectivos huéspedes. Nuestro análisis evolutivo sugiere firmemente que R. hominiciens probablemente se originó en el intestino de los rumiantes y luego se transfirió a los humanos, posiblemente durante la domesticación. Se observaron altos niveles de expresión genética en estas especies, lo que refleja su considerable actividad en sus respectivos sistemas intestinales.
Además, su perfil de expresión genética se alinea con las preferencias dietéticas de sus huéspedes, lo que destaca su adaptabilidad. Nuestros análisis muestran que estas nuevas especies se adaptan a sus ecosistemas anfitriones adquiriendo genes de microbios intestinales co-residentes. Las cepas asociadas a los humanos poseen una adaptabilidad funcional destacada por la adquisición de genes que pueden degradar fibras vegetales específicas de monocotiledóneas como el maíz, el arroz y el trigo, componentes importantes de la dieta humana. Asimismo, la cepa asociada a primates no humanos muestra el potencial de degradar la quitina, un polímero abundante en el exoesqueleto de los insectos, parte de la dieta de los primates no humanos. Nuestros datos proporcionan información sobre la colonización en curso de estas especies dentro del intestino humano, particularmente aquellas que se originan en rumiantes y primates no humanos. Cepas específicas parecen representar intermediarios entre los ecosistemas de primates y rumen-intestino, como lo demuestra su contenido genético durante el establecimiento en el intestino humano.
Conclusiones
Nuestros datos acumulados indican que los linajes de ruminococos estaban más extendidos en el pasado, como lo demuestra la alta prevalencia y abundancia de estas cepas en poblaciones humanas antiguas y entre comunidades de cazadores recolectores y sociedades rurales, combinadas con su distribución global y baja prevalencia en sociedades industrializadas. Las diferencias en su prevalencia entre las poblaciones humanas pueden reflejar variaciones dietéticas entre sociedades industrializadas y no industrializadas.
La ingesta de fibra dietética parece ser un factor clave, ya que entre los cazadores-recolectores hadza se informa que las dietas son ricas en fibra, mientras que en las poblaciones rurales se observa una menor ingesta de fibra y el menor consumo de fibra se produce en las sociedades industrializadas. Estos hallazgos implican colectivamente una disminución de estas especies en el intestino humano, probablemente influenciada por el cambio hacia estilos de vida occidentalizados, lo que podría afectar el equilibrio energético y otros aspectos relacionados con la salud.
La presencia de cepas de transición que recientemente colonizaron el intestino humano indica que los rumiantes y primates no humanos podrían ser una fuente y reservorio de cepas de ruminococos productoras de celulosoma, que continúan colonizando y adaptándose al intestino humano. Puede haber posibilidades de reintroducción o enriquecimiento intencional de estas especies en el intestino humano a través de enfoques dietéticos específicos y probióticos especializados.
Figura: Bacterias intestinales degradantes de celulosa de homínidos a lo largo del tiempo evolutivo. Las especies de ruminococos celulolíticos del intestino humano previamente desconocidas son muy prevalentes en primates no humanos, grandes simios, poblaciones humanas antiguas, comunidades de cazadores-recolectores y poblaciones rurales, pero son raras en poblaciones humanas urbanizadas. Ilustración Daphne Perlman.
Comentarios
Aunque las frutas y verduras son una parte clave de la dieta humana, los científicos apenas están comenzando a comprender cómo nuestros cuerpos descomponen el compuesto orgánico más abundante en la Tierra: la celulosa, el material resistente que recubre las paredes celulares de las plantas. Ahora, un nuevo estudio realizado por un equipo internacional de investigadores ha descubierto microbios previamente desconocidos que se esconden en el intestino humano y que son capaces de descomponer la celulosa.
Durante décadas, se asumió que el cuerpo humano no podía descomponer la celulosa como ocurre en las entrañas de las vacas, los caballos, las ovejas u otros mamíferos. Sólo en 2003 los científicos descubrieron bacterias intestinales humanas que, después de todo, podían digerir estas fibras.
El reciente estudio se basó en los genes de esa misma bacteria para buscar otras similares. El análisis exhaustivo utilizó muestras fecales para probar el microbioma intestinal de humanos de diferentes épocas y regiones. Los hallazgos sugieren que tenemos más en común con los animales de granja de lo que pensábamos.
Resulta que nuestros intestinos poseen varias especies de microbios masticadores de celulosa que han pasado inadvertidos hasta ahora. Una especie está fuertemente asociada con los mamíferos ungulados que rumian, otra con los primates y otra con los humanos. Los tres pertenecen al género Ruminococcus , conocido por tener representantes en intestinos humanos sanos (y no saludables), y poseen genes implicados en la digestión de la celulosa.
En muestras fecales de cazadores-recolectores, poblaciones rurales y humanos antiguos que vivieron hace entre 1.000 y 2.000 años, los tres tipos de microbios eran abundantes. Sin embargo, en poblaciones de sociedades modernas e industrializadas, los mismos microbios intestinales eran “notablemente raros”.
“Estos hallazgos implican colectivamente una disminución de estas especies en el intestino humano, probablemente influenciada por el cambio hacia estilos de vida occidentalizados“, escriben los autores del estudio, dirigido por la microbióloga Sarah Moraïs de la Universidad Ben-Gurion del Negev en Israel.
Es posible, explican los investigadores, que si los microbios Ruminococcus se ven privados de fibra vegetal, su número en el intestino disminuya. El temor es que estas especies desaparecidas estén contribuyendo de alguna manera a una mala salud metabólica entre la gente moderna y urbanizada. Esa posibilidad aún debe investigarse, pero los autores del estudio actual creen que “puede haber potencial para la reintroducción o enriquecimiento intencional de estas especies en el intestino humano” a través de suplementos dietéticos o probióticos especializados.”
Hoy en día, algunos estudios sugieren que las pautas actuales de ingesta de fibra son demasiado bajas en las sociedades industrializadas y que, como resultado, la salud humana puede estar sufriendo. La investigación inicial muestra que los suplementos de celulosa, al igual que las fibras vegetales, pueden generar múltiples y variados beneficios para la salud, incluidos cambios en los microbios intestinales, las respuestas inmunitarias y la expresión genética. Pero esta vía de investigación en su conjunto está “bastante inexplorada”. Si bien las asociaciones parecen prometedoras, los mecanismos subyacentes son en gran medida un misterio.
El estudio actual es un importante paso adelante, ya que saca a la luz bacterias intestinales previamente desconocidas que pueden ser actores importantes en la salud del intestino humano, históricamente. El análisis evolutivo “sugiere firmemente” que la cepa de bacteria Ruminococcus asociada a los humanos nos fue transferida originalmente desde el intestino de los rumiantes, posiblemente durante la domesticación.
Por lo tanto, vivir con animales puede haber mejorado nuestra capacidad para digerir plantas. Desde que se instalaron en nuestras entrañas, estos microbios Ruminococcus han hecho suyo el cuerpo humano. En comparación con las especies de Ruminococcus que se encuentran en los intestinos de otros mamíferos y primates no humanos, los que habitan en nosotros parecen haberse adaptado a su nuevo ecosistema y haber adquirido genes de microbios intestinales vecinos.
Sin embargo, después de miles de años, esta hazaña de “colonización” puede estar amenazada. En algunas partes del mundo, es posible que el intestino humano ya no proporcione un hogar adecuado para estos microbios. Actualmente se desconoce qué efecto tiene esto en nuestra salud.
