La investigación de la comunidad microbiana en el intestino de termitas - Entrevista

Así, las termitas y los microbios en su intestino son un ejemplo de una simbiosis mutualista muy fascinante y compleja. Me interesa estudiar las termitas y estos microbios para comprender mejor los distintos roles que desempeñan cada uno de los componentes al degradar una fuente alimenticia muy compleja, la lignocelulosa, en productos que tanto el insecto como los microbios pueden utilizar. Soy Jared Ledbetter.

Soy profesor asociado de microbiología ambiental en el Instituto de Tecnología de California, y participo en nuestro programa de ciencias ambientales e ingeniería. Llevo seis años y medio en Caltech, pero durante los últimos 17 años mis principales intereses de investigación han estado centrados en el estudio de las comunidades microbianas que residen en los intestinos posteriores de diversas termitas. Desde que por primera vez me encontré con la microbiología del intestino de la termita como estudiante en el curso de verano sobre diversidad microbiana, impartido en Woods Hole, Massachusetts, me ha interesado mucho conocer realmente la identidad y función de las distintas especies microbianas que se encuentran viviendo en los intestinos posteriores de las termitas.

Las comunidades del intestino posterior de las termitas están compuestas por aproximadamente 250 especies microbianas únicas, que representan los tres dominios de la vida. Puedes identificar arqueas metagénicas, celulosa anaeróbica, protozoos descomponedores, es decir, eucariotas unicelulares, y una gran diversidad de bacterias, incluyendo muchas, muchas, muchas especies novedosas de un grupo de bacterias denominado espiroquetas. Aunque existen alrededor de 250 especies diferentes que habitan en las termitas y que no se encuentran en ningún otro lugar de la naturaleza, incluso después de aproximadamente cien años de estudio, tenemos un conocimiento muy limitado sobre la función de todos estos microbios diferentes, en lo que en conjunto constituye una simbiosis mutualista muy fascinante entre el insecto huésped y la comunidad microbiana, la cual degrada conjuntamente la celulosa en productos que básicamente alimentan el metabolismo tanto del insecto huésped como de estos diversos microorganismos.

Entonces, en los últimos 16, 17 años, me ha interesado mucho identificar quiénes son estas especies y qué están haciendo. ¿Cómo interactúan estas especies entre sí en el intestino posterior y cuál es su beneficio para el huésped? Así, las termitas y los microbios de su intestino son un ejemplo de una simbiosis mutualista muy fascinante y compleja.

Por eso me interesa estudiar las termitas y estos microbios para comprender mejor todos los diferentes roles que desempeñan los diversos componentes al degradar una fuente de alimento muy compleja, la lignocelulosa, en productos que tanto el insecto como los microbios pueden utilizar. Otra razón para estudiar las termitas y sus microbios intestinales es que las termitas son un grupo de animales globalmente muy importante que desempeñan funciones críticas y fundamentales en los ciclos globales del carbono y del nitrógeno; en los trópicos y subtropicos, las termitas son extremadamente diversas. Es decir, existen muchas, muchas especies diferentes de termitas y son muy, muy abundantes.

Y como un ejemplo de lo exitosos que son estos insectos, son fuentes pequeñas pero significativas de CO₂ y metano a nivel mundial. Debido a la cantidad de madera que han convertido en estos productos, las termitas contribuyen aproximadamente al 2 % del CO₂ global y al 4 % del metano global, lo cual es realmente significativo para cualquier grupo de animales. Por lo tanto, al estudiar los microbios y sus actividades en estos insectos, comprendemos mejor a estos insectos y la base de su éxito a escala global.

Estudiar las termitas en sus microbios intestinales también resulta interesante desde el punto de vista de la escala y la reproducibilidad. Y en ciertos aspectos estudio las termitas en sus microbios intestinales porque este es un entorno muy emocionante y complejo. Pero el entorno del intestino posterior, este ecosistema del intestino posterior, es muy diferente de muchos otros entornos.

El intestino posterior de la termita es muy pequeño, con un volumen de aproximadamente un microlitro, y está muy bien delimitado en el sentido de que está revestido por el epitelio intestinal o por el propio insecto. Pero podemos definir de manera muy concreta cuáles son los límites de ese entorno. Y el entorno es muy pequeño; podemos recolectar una muestra de termitas y tener 200 termitas, y en promedio tendremos ese mismo entorno replicado una y otra vez.

Si se compara el entorno del intestino de la termita, por ejemplo, con el mar de los Sargazos, este último es enorme y vasto. Tiene mil millas de ancho. Sus límites están definidos, pero quizás solo operacionalmente.

No es un límite claramente definido el que tiene el mar de los Sargazos y solo existe uno de ellos. Por lo tanto, podemos aprender mucho sobre las ciencias marinas mediante el estudio del mar de los Sargazos y es muy importante estudiar este mar. Sin embargo, existen ciertas complicaciones, ya que es necesario poder abordar un barco y dirigirse allí.

Si tiene un hallazgo sobre algunos de los microbios presentes, es posible que no sepa dónde se encuentran esos microbios en un momento determinado, y podrían diferir en ubicación por millas; por supuesto, solo existe uno de ellos. Por lo tanto, es difícil estudiar el mar de los Sargazos y perturbarlo de alguna manera, y además contar con un mar de los Sargazos de control para compararlo. Así pues, al estudiar los microbios en su intestino, en realidad tenemos un ejemplo de un entorno que es susceptible a las técnicas de laboratorio.

Podemos reproducir ese entorno, podemos perturbarlo y compararlo con grupos de control. Y siempre sabemos, con una precisión de aproximadamente un milímetro, dónde interactúan todos estos diferentes grupos microbianos y especies microbianas; interactúan en este entorno intestinal de un microlitro. Por lo tanto, en mi laboratorio nos gusta estudiar esta comunidad microbiana utilizando cualquier técnica disponible que pueda ayudarnos a revelar los secretos de esta comunidad.

Ciertamente, un aspecto de esto ha sido intentar cultivar especies que residen en esa comunidad microbiana. En el laboratorio, in vitro, una comunidad de 250 especies es muy compleja, y existe una claridad insuperable en la interpretación de la investigación si se puede estudiar una cultura pura de una bacteria. Algunos de nuestros esfuerzos se han centrado en analizar esta comunidad intestinal, intentando cultivar y hacer crecer especies individuales a partir de dicha comunidad, para luego estudiar en detalle la fisiología, genética y genómica de esas especies, y posteriormente intentar inferir qué significado tiene eso respecto a la función de dichas especies dentro de la comunidad.

Un ejemplo de esto es nuestro estudio sobre el intestino de las termitas. Los espiroquetas, los espiroquetas son organismos con forma de espiral, que se encuentran en abundancia en casi todas las termitas. En las termitas hay espiroquetas, que en realidad están bastante estrechamente relacionadas con el agente causante de la sífilis, pero en todas las termitas sanas se observan estos espiroquetas.

Y así, durante muchos, muchos años, supimos que estas espiroquetas probablemente eran simbiontes que realizaban alguna función positiva para el huésped, pero no sabíamos qué hacían. Hace aproximadamente 10 años, logré cultivar algunas de estas espiroquetas SPI in vitro, y ahora podemos estudiarlas y hemos aprendido mucho sobre su fisiología y sobre lo que es probable que hagan estas espiroquetas en el ambiente. Antes de ese período, no teníamos idea de lo que estas espiroquetas hacían en su entorno.

Y así hemos realizado muchos descubrimientos posibles gracias al cultivo puro al estudiar estos cultivos puros. También utilizamos métodos basados en genes para estudiar esta comunidad microbiana. Puede haber un tipo genético particular que represente una fisiología determinada, y podemos analizar esta comunidad para preguntar cuántas variantes de este gen están presentes y cuáles son los organismos que codifican estos genes clave.

Y así podemos comenzar a analizar funcionalmente lo que está ocurriendo en este intestino posterior, mediante el estudio de la diversidad de genes involucrados en el metabolismo del nitrógeno y en aspectos clave del metabolismo del carbono. También podemos utilizar mecanismos o enfoques basados en genes para evaluar la diversidad de organismos en la termita. Podemos usar los genes de ARN ribosómico como genes marcadores o códigos de barras para determinar realmente cuántas especies están presentes en esta comunidad, su abundancia relativa y cómo nuestras culturas puras reflejan realmente dicha diversidad. Por lo tanto, en mi laboratorio utilizamos varias técnicas basadas en genes.

También participamos en metagenómica, donde estamos interesados en estudiar el contenido genómico completo de este ecosistema microbiano para tratar de obtener una idea de todos los diferentes metabolismos que ocurren en esta comunidad. Así que en mi laboratorio estudiamos cultivos puros. Utilizamos técnicas basadas en genes facilitadas por PCR, empleamos metagenómica, y analizamos actividades, actividades enzimáticas que están presentes en este intestino.

También utilizamos la microscopía para tratar de conocer dónde se localizan los organismos en el intestino y con qué otras células están interactuando. En conjunto, lo que deseamos hacer es comprender cuántas especies están presentes en el intestino posterior, qué están haciendo todas ellas y cómo interactúan entre sí. Existen varios desafíos para estudiar las comunidades microbianas, que son distintos de otras comunidades en la naturaleza.

Sabes, es relativamente sencillo salir a caminar por un bosque o por la sabana y observar las diferentes especies de plantas y animales que encuentras durante tu recorrido. Y ciertamente, en ecología de comunidades, se han desarrollado muchos métodos y enfoques en los últimos cien años para comenzar a formular preguntas sobre cuántas especies de plantas o animales están presentes en una comunidad determinada y con qué frecuencia se encuentran en dicha comunidad. Y luego, observar realmente a algunos de estos organismos en su comunidad a lo largo del tiempo para ver qué tipo de adaptaciones poseen frente a las dinámicas ambientales y a los daños ambientales a los que se enfrentan.

Sabes, puedes observar un elefante o un león en la sabana y ver algunos de sus comportamientos en cuanto a sus adaptaciones, cómo obtienen su energía y su alimento, y cómo interactúan entre sí. Todas estas cosas son bastante sencillas de observar cuando estudias microbios, organismos que puedes ver a simple vista. También es bastante sencillo diferenciar si estás tratando con una planta o un animal.

No me refiero en cuanto a especies, sino en cuanto a lo que hacen. Puede observar un organismo y decir casi con certeza que este es un foto tr, es decir, un organismo que absorbe radiación solar y convierte esa energía en algo útil. O bien, estoy observando un animal mediador y este animal utiliza principalmente proteínas como fuente de energía.

Entonces, hay varias observaciones que puede realizar mientras recorre la comunidad de La Habana o una comunidad forestal. Es mucho más difícil realizar tales observaciones y conclusiones cuando se estudian comunidades microbianas. Los organismos son pequeños y no siempre es evidente, incluso con un microscopio muy bueno, en qué se diferencian los distintos organismos entre sí.

Es decir, si se observa una comunidad microbiana en sí misma, puede ser muy difícil determinar cuántas especies existen y cuáles son sus distribuciones relativas. También puede ser muy difícil observar esa comunidad microbiana mediante un microscopio y responder la pregunta: ¿qué hacen estos organismos? Por lo tanto, un desafío importante en las comunidades microbianas consiste en determinar quiénes están presentes y qué están haciendo.

Por lo tanto, debemos utilizar diferentes técnicas en el estudio de comunidades microbianas para extraer información de esa comunidad sobre quiénes están presentes, quiénes están activos, qué hacen estos organismos y cómo responden, así como cuáles son sus adaptaciones frente a los cambios en su entorno. Desde que comencé a interesarme por el estudio de las comunidades microbianas del intestino de las termitas hace 17 años, aproximadamente en 1990, ha habido una serie de avances tecnológicos en mi campo en general, que realmente me han permitido a mí y a otros aprender mucho más sobre las comunidades microbianas y, en mi caso particular, sobre las comunidades del intestino de las termitas. En gran medida, estas técnicas se basan en los genes.

Cuando comencé a estudiar termitas, se podía usar microscopía, se podía observar una comunidad microbiana como la de la termite y se podían evaluar las diferentes formas presentes en esa comunidad para obtener una aproximación de cuántas especies diferentes podrían estar presentes. Pero en los últimos 15 o 17 años, tantas técnicas basadas en genes y tantas técnicas de genómica se han vuelto disponibles que nuestra capacidad para extraer información de comunidades microbianas como el intestino posterior de la termite ha cambiado muy rápidamente. Ahora podemos usar genes como marcadores casi de código de barras para identificar diferentes organismos en el ambiente.

Podemos analizar una comunidad microbiana, como el intestino posterior de un término, y determinar cuántas especies diferentes están presentes utilizando ciertos genes como indicadores de esa diversidad. Además, podemos usar ese gen como un código de barras para rastrear si tenemos esos organismos en cultivo o para seguir las fluctuaciones en la abundancia de distintas especies dentro de esa comunidad. Mediante otras técnicas basadas en genes, podemos preguntarnos si los genes que codifican enzimas para esta función particular están presentes en dicha comunidad.

Y cuántas variaciones, es decir, cuántas especies de organismos existen que catalizan eso, ¿y tenemos esos organismos en cultivo? Por lo tanto, ha habido varios enfoques basados en genes y en la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) para estudiar comunidades microbianas, los cuales han cambiado radicalmente nuestra comprensión de estas comunidades. Y todos estos cambios se han manifestado en los últimos 20 años.

El estudio de las termitas y sus microbios intestinales es interesante tanto desde el nivel de investigación básica o académica como desde el nivel de investigación aplicada y biotecnológica. Las termitas comen y degradan la madera. Y para mí es muy importante tratar de comprender mediante qué mecanismos las termitas y sus microbios intestinales atacan realmente la madera, que es en realidad el primer material compuesto de la naturaleza.

Es un compuesto triplá, y es un material resistente. Y comprender realmente cómo este insecto, junto con sus microbios intestinales, desamina este compuesto y luego degrada todos sus componentes en productos que pueden aprovecharse como combustible tanto por el insecto como por estos microbios, me resulta muy fascinante, pero también tiene una relevancia fundamental para la biotecnología y la industria.

Como sociedad, en realidad no comprendemos del todo. Realmente no entendemos casi nada sobre cómo se degrada la madera en cualquier cosa. Y en la actualidad existe un gran interés en lograr una mejor comprensión de cómo la lignocelulosa vegetal, las cáscaras de arroz, las mazorcas de maíz o los residuos de la caña de azúcar después de extraerle el azúcar.

Existe un gran interés en comprender cómo podríamos tomar productos lignocelulósicos de bajo valor y transformarlos en productos de mayor valor como etanol, hidrógeno, metano u otros. En realidad, lo importante a considerar es que las termitas degradan constantemente la madera lignocelulósica y la convierten en su propio biocombustible, y desde un punto de vista industrial, hay un gran interés en comprender cuáles son las enzimas involucradas en el ataque inicial a la madera.

Y quizás entonces sería posible tomar esas enzimas y acoplarlas, acoplarlas con otros procesos posteriores para desarrollar un nuevo proceso que sea distinto de lo que ocurre actualmente en la industria y diferente de lo que sucede en la naturaleza en la actualidad, pero que realmente aproveche lo mejor de lo mejor para crear algo nuevo, convirtiendo la madera en un producto de interés. Etanol, hidrógeno, metano o cualquier otra cosa; en mi laboratorio principalmente nos interesa lograr una comprensión fundamental de esta comunidad microbiana, así como de su interacción con el hospedador y del papel que el hospedador desempeña en la comunidad microbiana en la degradación de la lignocelulosa.

Pero existe un gran interés en tratar de aprovechar parte de esa información y utilizarla en el desarrollo de nuevos procesos industriales. Creo que ha habido mucha discusión sobre los biocombustibles en los últimos dos años, lo que ha llamado la atención sobre la posible necesidad e incluso las promesas de la investigación en biocombustibles. Sin embargo, debo ser honesto: no creo que el nivel de iniciativas de financiamiento sea proporcional al interés que esto ha generado.

No existe un proyecto Manhattan para los biocombustibles. No ha habido ninguna inversión a gran escala ni espectacular en investigación básica que se relacione con la investigación de biocombustibles. Y debido a que en este momento nuestra comprensión fundamental de la degradación de la celulosa lignina es tan deficiente, creo que si vamos a tener una iniciativa sobre biocombustibles, esta debe incluir inversiones enfocadas en todos los niveles, desde la investigación académica fundamental y básica hasta la industria, para hacerla posible.

Y si las personas desean que esto ocurra en dos, cinco o diez años, también tendremos que invertir fondos para que la gente invierta su tiempo y esfuerzos en lograrlo. Durante los últimos 20 años, nuestra capacidad para utilizar técnicas basadas en genes para estudiar comunidades microbianas ha progresado con gran rapidez. Creo que todos podemos imaginar un poco lo que podría suceder en los próximos cinco a diez años, y considero que existe una muy buena probabilidad de que en diez años tengamos la capacidad de conocer, secuenciar y analizar el genoma completo de cada especie existente.

En el intestino posterior de las termitas, hay al menos 250, y creo que habrá una oportunidad para tener ese archivador, por así decirlo, de información en el que conozcamos el contenido genómico de cada una de esas especies. Y eso será un hallazgo muy trascendental, porque hace apenas 10 años estábamos secuenciando por primera vez los genomas de microorganismos muy bien conocidos. Y en otros 10 años, creo que podremos adentrarnos en comunidades microbianas complejas y acceder a la información genómica de organismos que nunca, jamás hemos estudiado en detalle, y poder utilizarla para impulsar estudios sobre estos organismos por primera vez.