El potencial del microbioma en la biotecnología

Miguel Ángel Burton, Luis Arturo Ibarra-Juárez, Enrique Ibarra-Laclette y Araceli Lamelas

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, estos funcionan en su conjunto.

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 cuales serían las consecuencias de carecer de una microbiota intestinal, pues hoy en día sabemos que esta 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 la salud de las plantas. 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 estas 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 estos 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 estas 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”.

• Foo, J. L., Ling, H., Lee, Y. S., & Chang, M. W. (2017). Microbiome engineering: Current applications and its future. Biotechnology journal, 12(3), 1600099.
• DeSalle, R., & Perkins, S. L. (2015). Welcome to the Microbiome: Getting to Know the Trillions of Bacteria and Other Microbes In, On, and Around You. Yale University Press.
• Lewis, Z., & Lizé, A. (2015). Insect behaviour and the microbiome. Current Opinion in Insect Science, 9, 86-90.
• Krishnan, M., Bharathiraja, C., Pandiarajan, J., Prasanna, V. A., Rajendhran, J., & Gunasekaran, P. (2014). Insect gut microbiome–An unexploited reserve for biotechnological application. Asian Pacific journal of tropical biomedicine, 4, S16-S21.
• Benítez-Bribiesca, L. (2012). El microbioma. Acta Médica Grupo Ángeles, 10(4), 220-223.
• Cadena-Zamudio, J. D., Martínez-Peña, M. D., Guzmán-Rodríguez, L. F., Arteaga-Garibay, R. I., & De Morelos, T. (2016). Aplicación de la secuenciación masiva para el estudio y exploración de diversidad microbiana y su aprovechamiento biotecnológico. Agroproductividad, 9(2).
• Mattila HR et al.[2012] Characterization of the active microbiotas associated with honey bees reveals healthier and broader communities when colonies are genetically diverse. PLoS One
• Vilanova, C., Baixeras, J., Latorre, A., & Porcar, M. (2016). The Generalist Inside the Specialist: Gut Bacterial Communities of Two Insect Species Feeding on Toxic Plants Are Dominated by Enterococcus sp. Frontiers in microbiology, 7, 1005

Figura 1. (página de inicio) La biodiversidad de microorganismos es muy alta y se encuentran en prácticamente cualquier ecosistema, incluso dentro de otros organismos lo cual es esencial para llevar a cabo múltiples funciones.

Figura 2. Las interacciones entre microorganismos e insectos establecen un beneficio al insecto en la dieta, protección ante patógenos entre otras interacciones con su entorno.

Figura 3. El entendimiento del microbioma intestinal asociado a los insectos ha permitido desarrollar una gran cantidad de aplicaciones biotecnológicas en diversos ámbitos.