Desde biocombustibles y otros productos químicos básicos hasta la producción de metano, el estudio genómico profundiza en los misterios del intestino de una cabra.
Michelle O'Malley se ha inspirado durante mucho tiempo en los microbios intestinales. Desde que comenzó a estudiar el tracto digestivo de los herbívoros, la profesora de ingeniería química de la UC Santa Bárbara ha guiado a varios estudiantes a sus títulos de doctorado, ganó premios de carrera temprana y mediadel presidente Obama, obtuvo la titularidad y avanzó al puesto de profesora titular. Incluso tuvo tres hijos en el camino. Una constante en todo: caca de cabra.
"Este ha sido el esfuerzo más largo en mi laboratorio", dijo O'Malley, quien con su equipo de investigación en 2015 se embarcó por primera vez en un ambicioso proyecto para caracterizar microbios intestinales en grandes herbívoros. ¿El propósito?Los animales logran, a través de sus microbiomas, extraer energía del material vegetal, en particular de las partes fibrosas, no alimentarias, donde los azúcares están atrapados detrás de las paredes celulares de las plantas. Comprender este proceso podría revelar métodos para extraer las materias primas necesarias para una amplia variedad delos productos químicos necesarios para la vida moderna, desde los biocombustibles hasta los productos farmacéuticos, todos de partes vegetales abundantes y renovables. Esto, a su vez, podría disminuir o incluso eliminar nuestra dependencia de recursos más finitos para estos materiales.
Ahora, O'Malley ha alcanzado otro hito. En un artículo de la revista Microbiología de la naturaleza , ella y su equipo informan los resultados de más de 400 experimentos paralelos de enriquecimiento anaeróbico, que incluyen más de 700 genomas microbianos previamente desconocidos y miles de nuevas enzimas, así como un posible mecanismo para gran parte del metano que a menudo se atribuye a las vacas ycabras.
Lista de microbios
"Una de las cosas que queríamos hacer con este estudio era preguntarnos si podríamos aprender las lecciones de bioprocesamiento que ofrece el tracto digestivo de las cabras", dijo O'Malley. Como todos los rumiantes, las cabras tienen microbiomas intestinales que tienenevolucionó durante millones de años para secretar poderosas enzimas que descomponen las partes resistentes de las plantas, lo que permite a los animales acceder a la nutrición de una variedad de vegetación.
"El objetivo del estudio es realmente aprender sobre los microbios y, lo que es más importante, los equipos de microbios que realizan esos trabajos difíciles", dijo.
De particular interés para los investigadores fueron los habitantes no bacterianos del microbioma intestinal de cabra - "jugadores menores" como los hongos anaeróbicos que constituyen una pequeña fracción de la población dominada por bacterias. No solo estos miembros de la comunidad son pocos ydistantes entre sí, son difíciles de cultivar, dijo O'Malley. Por lo tanto, aunque la investigación del microbioma intestinal se ha llevado a cabo durante mucho tiempo, la mayoría de los estudios ignoran las contribuciones de miembros raros del microbioma.
"Nadie había visto realmente los efectos de estos miembros raros", dijo.
Más de 400 experimentos paralelos de enriquecimiento en materia fecal aportados por Elway, una cabra de la isla de San Clemente llamada que vive en el zoológico de Santa Bárbara, los investigadores descubrieron poblaciones de microbios que degradan la biomasa con diferentes sustratos de biomasa. Además, esculpieron algunos de estospoblaciones que utilizan antibióticos para inhibir el crecimiento de bacterias, dejando que los microbios más raros, como los hongos y los metanógenos organismos unicelulares del dominio Archaea, dominen.
"Y luego secuenciamos todas esas culturas", dijo O'Malley. "Volvimos a juntar las secuencias de ADN fragmentado para reconstruir genomas de alta calidad, y eso nos dio una imagen colectiva de quién estaba allí. Luego escaneamosestos genomas en busca de enzimas y vías que nos dieron una pista de lo que cada microbio estaba haciendo en el microbioma ". Los investigadores del laboratorio O'Malley secuenciaron estas muestras en el Instituto Conjunto del Genoma del Departamento de Energía como parte del Programa de Ciencias de la Comunidad JGI;colaboró con los expertos de JGI en secuenciación de metagenomas y genómica fúngica para este estudio.
En el proceso, el equipo descubrió más de 700 genomas microbianos nuevos "únicos a nivel de especie", según el estudio. También estaban presentes hongos raros que habían aislado previamente de grandes herbívoros.
"Pero esta fue la primera vez que realmente los veíamos en acción, en su comunidad normal", dijo O'Malley.
bateadores pesados
Para su pequeña población, los hongos, resulta que juegan un papel desproporcionadamente grande en la degradación de la biomasa.
"Producen la mayor parte de las enzimas que degradan la biomasa de las que depende la comunidad para funcionar", señaló O'Malley. Además, según el documento, los hongos tienen otras estrategias, como la capacidad de penetrar físicamente en las paredes celulares de las plantas, exponiendosuperficies sobre las que actúan estas enzimas.
Los investigadores también encontraron que, junto con el aumento de la tasa de degradación de la biomasa, se produjo un aumento en la producción de metano en los consorcios dominados por hongos. Mientras que tanto las bacterias intestinales como los hongos intestinales forman asociaciones de dominio cruzado con metanógenos, esencialmente pasando carbono a los arqueosfermentarlo en gas natural, los hongos parecen ser más eficientes.
"Creemos que los hongos son más efectivos para desviar carbono a metano", dijo O'Malley. "En otras palabras, los hongos no están produciendo un montón de productos secundarios como lo harían las bacterias. Las bacterias producen ácidos grasos de cadena corta adicionales y otrosproductos químicos, además de algo de metano. Pero, los hongos pueden tener una ruta más directa para pasar materiales a los metanógenos ". Esto, según el documento, sugiere que" los hongos desempeñan un papel más importante en la liberación de metano de lo que se reconocía anteriormente ".
Estas y otras ideas de la investigación nos acercan al desarrollo de tecnologías que utilizan microbios para crear sustancias químicas de importancia industrial a partir de la celulosa, el compuesto orgánico más abundante del planeta. O'Malley y su grupo se centran en comprender las funciones y las interacciones entremiembros de estas complejas comunidades ruminales, y están mirando hacia un futuro en el que las comunidades microbianas diseñadas puedan crear productos químicos de valor agregado.
"¿Podemos construir un biorreactor que albergue no solo un tipo de microbio, sino algunos o docenas? ¿Podemos hacer química realmente compleja como lo hace la naturaleza? Ese es el objetivo final aquí", dijo O'Malley..
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Bárbara . Original escrito por Sonia Fernandez. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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