Comunidades microbianas en la naturaleza y de laboratorio - Entrevista

Me llamo Ed DeLong, y soy profesor en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Tengo una doble designación, en realidad, en ingeniería civil y ambiental e ingeniería biológica, lo cual podría parecer una combinación inusual porque realmente tengo un pie en dos áreas distintas. Uno de los aspectos de nuestra investigación tiene que ver con el medio ambiente y específicamente con microorganismos, cómo influyen en el medio ambiente, cómo el medio ambiente influye en ellos, y esa es la parte de ingeniería civil y ambiental, la parte ambiental de nuestro programa.

La otra cosa que estudiamos tiene más relación con la ingeniería biológica. ¿Qué hace que los microbios funcionen? ¿Cómo están organizados?

¿Cómo funcionan conjuntamente de manera sinérgica las diferentes partes que componen un microbio, los microbios o las comunidades microbianas? Entonces, el tipo de alianza entre estos dos campos funciona bastante bien. Mi formación específica propia está en microbiología general, combinada en cierta medida con oceanografía.

Yo, yo obtuve mi título en bacteriología en la UC Davis, mi licenciatura. Y luego obtuve mi doctorado en el Instituto Scripps de Oceanografía. Mi doctorado es, en realidad, en biología marina, si puede creerlo.

Y aquí estoy, en el MIT. ¿Cómo sucedió eso? El campo de la microbiología ha estado cambiando muy rápidamente.

Y una de las, las influencias, grandes influencias en lo que actualmente entendemos sobre los microbios ha sido, en realidad, el avance tecnológico en el área de la genómica. Por lo general, los microbios, si se los observa bajo un microscopio, son muy difíciles de identificar. Existen algunas formas y tamaños diferentes, pero realmente no indican mucho sobre quién es ese organismo o qué está haciendo.

Y así, por lo general, los microbiólogos quedaron prácticamente relegados a observar los microbios en el laboratorio, lo cual ha sido increíblemente poderoso. Es una especie de derivación de la microbiología médica. Por lo tanto, se puede aislar un microbio del medio ambiente, de la misma manera que se puede aislar un producto químico.

Y una vez que se tiene ese microbio puro, esa especie microbiana pura, se puede investigar su fenotipo, sus características, los diferentes atributos que le permiten funcionar en el ambiente, entre otros aspectos. Sin embargo, existen dos problemas al respecto cuando se trata de comprender el mundo microbiano en su totalidad. Y es que los microbios en el laboratorio no siempre se comportan de la misma manera en que podrían comportarse en el ambiente.

Y el otro problema, que es aún mayor, es que las especies microbianas, en su mayor parte, son realmente difíciles de domesticar. Los zoológicos microbianos que tenemos en el laboratorio generalmente representan solo aproximadamente el 0,1 % de lo que existe en la naturaleza. Por lo tanto, hay una gran parte del mundo microbiano que simplemente aún no hemos podido cultivar en el laboratorio, y por eso no la comprendemos.

Y sin embargo, esto representa la gran proporción de la biomasa en la naturaleza. Y existen muchas razones por las cuales esto es importante. Pero una de las principales es que los microbios son los motores, por así decirlo, de las transformaciones de energía y materia en la naturaleza.

Por lo tanto, los flujos de elementos como los gases de efecto invernadero y la energía a través de los ecosistemas, que son vastos en proporción en términos de algunos de estos gases de los que estamos hablando, realmente son mediados por especies microbianas de manera distribuida, a pesar de su pequeño tamaño. Es el poder de los números y la naturaleza distribuida del mundo microbiano en todo nuestro planeta lo que mueve grandes cantidades de masa y energía.

Y esa es una de las razones convincentes para comprender a los microbios en su propio entorno, entenderlos en la naturaleza. Pues bien, una vez que la genómica pasó a primer plano, resultó cada vez más fácil y más económico secuenciar genomas microbianos completos. Y, por supuesto, esto comenzó a ocurrir aproximadamente a mediados de los noventa.

Y una vez que comenzó a suceder esto, las personas se dieron cuenta de que podían utilizar esas mismas técnicas para aprender sobre las propiedades de los genomas de microbios presentes en el medio ambiente natural sin siquiera tener que cultivarlos. Este enfoque es una derivación de estudios anteriores realizados principalmente por Carl Woese y Norm Pace. A mediados de la década de 1980, Norm Pace comprendió que podía identificar microbios sin necesidad de cultivarlos.

Y la forma en que se hacía era ir a cualquier hábitat microbiano y aislar la biomasa, y luego extraer ADN o ARN de esa biomasa y de esos ácidos nucleicos. Por ejemplo, se podían secuenciar moléculas informativas desde el punto de vista taxonómico, como los ARN ribosomales. Así, se obtendría una lista de diferentes ARN ribosomales.

Estos son casi como códigos de barras para tipos taxonómicos específicos. Y se podrían identificar los tipos de microbios en cualquier hábitat determinado. La limitación de ese enfoque es que todo lo que se tiene es un gen RN.

Le indica quién es el microorganismo, pero no le dice exactamente qué está haciendo. Ahora, con la aplicación de la genómica, puede avanzar un paso más: puede aislar ácidos nucleicos de casi cualquier hábitat microbiano que imagine, utilizando una variedad de técnicas. Puede aislar fragmentos genómicos grandes, que son parte de los protocolos experimentales que vamos a mostrarle hoy.

O bien puedes fragmentar ese ADN en piezas pequeñas y realizar una secuenciación al azar. Y la forma más sencilla de entenderlo es que estás obteniendo una lista de componentes de todos los microbios que componían esa comunidad. Y, sin embargo, es una lista de componentes a la que nunca habíamos tenido acceso anteriormente.

Entonces, a partir de esa lista de componentes, podemos desentrañar en cierta medida qué conforma los microbios presentes, cuáles podrían ser algunas de sus funciones potenciales. Y en realidad, lo que terminamos haciendo es generar hipótesis que luego podemos poner a prueba mediante métodos bioquímicos, o métodos fisiológicos volviendo al ambiente y rastreando genes en el espacio y en el tiempo.

Y toda esta área que ha evolucionado, que combina en cierto modo la genómica con enfoques ecológicos, ahora se conoce como metagenómica o genómica ambiental. Y lo que uno encuentra hoy en día es que este tipo de enfoques se llevan a cabo en muchos hábitats diferentes, en suelos, en entornos agrícolas e incluso en el océano. Uno de los primeros y más grandes estudios de este tipo fue realizado por Craig Venter en el mar de los Sargazos, y también, de forma importante, el microbioma humano.

La mayoría de las personas quizás no lo perciban, pero asociadas al cuerpo humano hay más células microbianas de las que hay células humanas. Hay aproximadamente 10 a la 14ª potencia de microbios y solo 10 a la 13ª potencia de nosotros. Así que a veces me gusta decir que Dios debió de haber tenido un afecto desmesurado por los microbios, porque hay más de ellos que de nosotros.

Pero estos conceptos son realmente importantes. Piense en nosotros. Nunca estamos solos.

Siempre tenemos una comunidad microbiana junto con nosotros que probablemente tiene muchas funciones diferentes. Actualmente existe evidencia de que, de hecho, en algunos trastornos como la obesidad, el componente microbiano puede tener una gran influencia en, en, en, en esencia, el fenotipo humano y en la cantidad de energía que extraemos o no de nuestras fuentes alimenticias. Por lo tanto, somos un sistema vivo compuesto no solo por nosotros mismos, sino por la simbiosis, si se quiere, que llevamos con nosotros.

Lo que nos permite hacer estos nuevos enfoques que utilizan la genómica es comenzar a desentrañar aquellas partes del mundo biológico que no habíamos podido examinar anteriormente. Y en eso, en eso reside su poder. Lo que está ocurriendo en el campo en este momento es algo más que simplemente reunir una lista de componentes, sino que realmente se está avanzando hacia la idea de que existe un proceso dinámico real.

Inicialmente, cuando comenzaron a secuenciarse los genomas, por supuesto, una secuencia genómica individual, realmente como una entidad singular, consistía en una cepa purificada de un microbio, que posee un genoma, y se podían determinar, por ejemplo, los 2 millones de bases, pares de bases que componen ese genoma. Y parecía una entidad muy fija y estática. Sin embargo, lo que descubrimos cuando observamos la naturaleza, es que en realidad rara vez existe algo así como una única cepa de un microbio.

Cuando se analizan estas poblaciones microbianas naturales, lo que se encuentra es que existe un tema, un tema genómico en torno al cual se organiza una especie, por así decirlo. Pero en cualquier población dada, existen muchas, muchas, muchas variantes, muchas variaciones sobre ese tema, muchas cepas. Y lo que estamos empezando a observar es que los genomas no son entidades verdaderamente estáticas, sino que están en constante cambio.

Son, son dinámicos. Y de hecho, hacen eso en las poblaciones. Por lo tanto, se puede imaginar que, ante variaciones sutiles en el ambiente que podrían estar relacionadas con nutrientes, temperatura o salinidad, alguna proporción de esas variantes en la población puede responder un poco mejor a ese cambio ambiental.

Y hay un cambio constante, pero ellos también están cambiando nuevamente. Por lo tanto, la variación se suministra continuamente mediante deriva neutra y luego es actuada por la selección. Y esto ofrece una perspectiva diferente, una visión más dinámica de lo que son los genomas.

Y es más, en lugar de ser como una imagen estática de un genoma, es más bien como observar una película en movimiento. Una de las características más poderosas de algunos de estos nuevos estudios es que estamos comenzando a obtener los fotogramas detenidos para armar la película completa sobre cómo evolucionan los genomas, lo que esto significa con respecto al fenotipo del organismo, su respuesta al entorno y su influencia sobre el entorno también. Por lo tanto, esto es realmente muy emocionante porque se trata de un área nueva para la genética de poblaciones en microbiología, aunque uno podría pensar que ya estaría bien desarrollada en microbiología, en realidad no lo está, porque no hemos tenido realmente una forma de estudiar la genética de poblaciones microbianas naturales de manera muy detallada.

Y, y ese es otro componente de este tipo de investigación, que ahora podemos profundizar en la genética de poblaciones y la genómica de poblaciones para observar la película en movimiento. Y, y eso es realmente muy poderoso y tiene muchas implicaciones prácticas para lo que entendemos sobre cómo los microorganismos adquieren funciones, y sobre cómo las funciones y propiedades se dispersan entre las comunidades. Y una de las cosas que nos sorprendió es que, en cierto modo, cambia un poco la noción acerca de cómo podrían moverse las propiedades fenotípicas, cómo podrían trasladarse las propiedades funcionales entre microorganismos. En biología, por supuesto, en la biología de organismos sexuales, normalmente pensamos en los rasgos que se transmiten de madre a hija y así sucesivamente.

Y así es como las propiedades biológicas se propagan mediante ese tipo de transmisión hereditaria genética. Sin embargo, el mundo microbiano presenta una dinámica diferente, y estamos comenzando a observarlo en algunas de estas encuestas metagenómicas, que tienen relación con lo que se denomina transferencia lateral, mediante la cual genes o arones completos se transfieren entre organismos muy distintos a través del proceso de transferencia de ADN; y si ese ADN se expresa en el organismo receptor y posee un valor selectivo positivo, entonces puede comenzar a propagarse entre muchos organismos diferentes. Recientemente hemos observado esto utilizando los tipos de técnicas que estamos analizando en el laboratorio; la forma en que esto funciona es que somos capaces de aislar fragmentos genómicos muy grandes de poblaciones microbianas.

Y hacemos eso en diferentes puntos en el tiempo y en el espacio. En, en este caso, lo que hemos podido hacer es aislar grandes porciones de genomas a lo largo de un gradiente de energía, el gradiente de luz que penetra en el océano. Y ese es un gradiente muy bien definido en los lugares que estudiamos en el océano abierto.

La zona fótica es en realidad bastante profunda. Se extiende hasta 200 metros por debajo de la superficie del mar. Y, sin embargo, la energía, por supuesto, cambia en calidad y cantidad.

A medida que la luz se atenúa, se vuelve cada vez más azul conforme se profundiza, de modo que solo queda un rango más estrecho de longitudes de onda disponible para los organismos que viven en las profundidades. Además, la energía de la luz también es menor. Por tanto, se puede comenzar a analizar cómo los organismos que utilizan la luz podrían adaptarse y cambiar en función del gradiente de energía, así como de la calidad y cantidad de luz.

Lo interesante es que se pueden rastrear genes particulares y los tipos de microorganismos asociados a lo largo de estos gradientes de luz. Y para abreviar, lo que descubrimos es que algunos genes específicos implicados en la captación de energía luminosa, denominados rodopsinas, son muy fáciles de expresar y requieren muy pocos genes para formar el sistema fotosensible, por lo que han saltado entre todos los tipos diferentes de microbios.

Y la razón por la que podemos afirmarlo es que hemos aislado fragmentos genómicos de grupos conocidos y realmente muy diferentes, tan distintos como bacterias y arqueas. Y encontramos el mismo sistema fotosintético con propiedades casi idénticas. Así que se pueden rastrear estas porciones de genes funcionales mientras se transfieren entre organismos en el ambiente.

No se trata solo de mapear genes en organismos, sino también de mapear esos genes a lo largo del gradiente ambiental. Entonces, la otra cosa que observamos al examinar estos grandes fragmentos genómicos que contienen estos sistemas fotosintéticos es que son bastante abundantes en la zona fotosintética, desde profundidades de aproximadamente cero metros hasta 130 metros. Pero al descender hasta la base de la zona fotosintética y justo por debajo de ella, esos genes desaparecen.

Ellos han desaparecido a pesar de que los mismos organismos existen más profundo. Y lo que esto nos muestra es que en ausencia de selección, es decir, en ausencia de luz, que permite que estos genes funcionen, se pierden entre diversas clases de organismos en función de la profundidad. Entonces, la razón por la que esto es interesante, bueno, en primer lugar, nos informa sobre un mecanismo particular de generación de energía que utiliza la luz, dónde se encuentra en el ambiente, cómo se distribuye entre los organismos y la dinámica que lo mueve.

Pero también es generalmente interesante, una nueva forma de pensar en cómo mapear genes y genomas, no solo en organismos, sino en dónde esos organismos se encuentran en el tiempo y en el espacio, y en dónde esos genes ocurren en el tiempo y en el espacio, y en dónde está la intersección. Solo estamos comenzando a aprender cómo hacerlo. Ese fue un ejemplo de un solo conjunto de genes.

Pero se podría plantear la pregunta general: bien, ¿cuántas categorías de estos genes cosmopolitas que les gusta moverse mucho existen? No conocemos la respuesta a esta pregunta en ningún hábitat determinado, ni cuán común es esto, ni cuáles son los mecanismos responsables de mover esos genes. ¿Se trata de ADN libre en el ambiente? ¿O son virus que propagan los genes de un organismo a otro?

Estas son todas cosas que en gran medida eran desconocidas, pero que ahora pueden abordarse mediante este tipo de técnicas, como asignar genes a organismos que ocurren naturalmente, vincular esos organismos con el medio ambiente y comprender su variabilidad. Por lo tanto, es, es, es realmente una época completamente nueva para la microbiología, y ahora tenemos un nuevo acceso para observar la película dinámica de la genómica en el medio ambiente, lo cual nos ha colocado en una posición nueva para comprender mejor cómo funciona realmente el mundo microbiano en la naturaleza. Uno de los desafíos, por supuesto, y este es un reto tanto para la ciencia ambiental como, diría yo, para la ciencia biomédica, consiste en capturar todos los tipos adecuados de datos.

Y en este caso me refiero a metadatos, siendo por supuesto los metadatos datos sobre los datos. Si piensa en el ejemplo que di en el océano, hay varias cosas que desea saber. Desea saber cuál es la radiancia espectral, cómo, cómo, cuál es el flujo de fotones, cuáles son las longitudes de onda de la luz que atraviesa, cuál era la temperatura de ese agua, la salinidad, la presión, porque cada una de esas variables tiene consecuencias importantes con respecto a cómo evolucionan los organismos.

Por lo tanto, además de obtener datos sobre los genomas y sobre los organismos, necesitamos obtener datos bastante detallados sobre el medio ambiente que podamos comparar con otros momentos, otros lugares y datos de otros investigadores. Y aunque los científicos ambientales han estado trabajando con conjuntos de datos como este durante mucho tiempo, la integración entre la bioinformática, la genómica y la ciencia ambiental es bastante reciente. Además, las bases de datos tal como existen actualmente no están necesariamente preparadas para acomodar este tipo de datos.

Y así que actualmente hay un pequeño proceso evolutivo en marcha, diría yo, tanto desde el ámbito ambiental como, dado que soy oceanógrafo y biólogo marino, desde la oceanografía, intentando entablar comunicación con personas que trabajan en genómica y bioinformática, y viceversa. Puedo darles un ejemplo. Estoy involucrado en un Centro de Ciencia y Tecnología de la NSF llamado Centro de Investigación y Educación en Oceanografía Microbiana o Seymour.

Y en Seymour estamos realmente interesados en capturar esta dinámica completa, el continuo desde los genomas hasta los biomas, todos estos diferentes niveles de complejidad biológica, desde el genoma hasta el transcriptoma, al proteoma, a las células, a las poblaciones, a las comunidades y a los ecosistemas. Esa es una gran cantidad de información diferente. Es bastante ambicioso.

Y así, este proyecto, este Centro de Ciencia y Tecnología de la NSF, Seymour, se basa en Hawái y, y, y es un grupo de oceanógrafos, microbiólogos y biólogos moleculares que intentan reunirse para determinar cómo caracterizar un sistema particular de esta manera. Y en este caso, el sistema es principalmente el océano superficial en el Pacífico Central. Una razón importante para hacerlo es que esto abarca un componente biológico extenso que cubre nuestro planeta, dos terceras partes de nuestro globo; en colaboración, Seymour está colaborando en realidad con otro proyecto financiado por la Fundación Moore llamado camera.

Y Camera es dirigido por Larry Smar y Craig Venter como un lugar para recopilar grandes cantidades de datos genómicos recolectados del medio ambiente y presentarlos junto con datos sinópticos o ambientales. Es decir, los datos ambientales que se recopilaron al mismo tiempo que los datos genómicos. Por lo tanto, esto es realmente completamente nuevo.

Está apenas comenzando y va a requerir una mayor coordinación y discusiones sobre estándares de datos y estándares de metadatos. ¿Y cómo se construye una base de datos que pueda contener dicha información? Porque en este momento esto se centra principalmente en el océano, lo cual proporciona un enfoque.

Pero puede imaginar que, sin duda, las personas que estudian el microbioma humano necesitarán tipos similares de conjuntos de datos junto con datos clínicos, datos sobre individuos, y así sucesivamente. Es un conjunto completamente diferente de problemas, pero en muchos sentidos es el mismo tipo de problema: capturar los datos genómicos de poblaciones microbianas naturales junto con todos los metadatos asociados y relevantes sobre dónde viven, cuáles eran las condiciones y demás. La esperanza es, por supuesto, que existan grandes bases de datos relacionales en las que se puedan formular preguntas bastante interesantes sobre tipos o categorías particulares de genes.

Podría considerarse ciertos genes que normalmente asociamos con la patogenicidad, como pill I: ¿existen tipos particulares de pill I que siempre se asocian con entornos clínicos o patógenos, o bien estos pill I son más ampliamente distribuidos y realmente solo se adaptan a circunstancias específicas en cuanto a la formación de patógenos, etc.? Existe mucha interacción que podría ocurrir potencialmente entre estos conjuntos de datos para comprender cómo evoluciona el mundo microbiano y cómo ciertas adaptaciones particulares podrían conducir a uno u otro tipo de relaciones ambientales o estilos de vida. ¿Soy un organismo de vida libre?

¿Estoy adherido, soy un patógeno? Todas estas cosas están relacionadas. Por lo tanto, es probable que estas bases de datos relacionales, a medida que crezcan, sean realmente importantes tanto para aplicaciones prácticas como para el desarrollo de teorías.

Y, y todavía no están allí. Les queda un largo camino por recorrer en los próximos, oh, diría yo, cinco o diez años. Creo que habrá una serie de avances, por supuesto, en el contexto del genoma humano y de la medicina y la genética humanas.

El genoma de mil dólares ha sido un santo grial, y las tecnologías están avanzando bastante rápido, al menos para el resecuenciamiento. De modo que uno de los grandes impactos será una especie de reducción de la barrera para obtener información genómica. Con eso me refiero simplemente a la economía.

Será mucho más económico y mucho más rápido. Y probablemente habrá dispositivos del tamaño de un reloj de pulsera con los que podrás secuenciar tu propio genoma si lo deseas, en un futuro no muy lejano. Eso ciertamente está dentro del ámbito de lo posible.

Cuando eso sucede, el juego cambia un poco. En la actualidad, gran parte del secuenciamiento genómico ocurre en centros especializados muy grandes con muchas personas. Lo que ocurrirá con el secuenciamiento del genoma, sin duda, y que ya está sucediendo ahora, es que se volverá mucho más distribuido.

Y lo interesante de esto es que plantea nuevos desafíos para la recopilación de datos, los estándares de datos y la difusión de datos a medida que las fuentes puntuales de generación de datos se vuelven cada vez más distribuidas. Así que este es un desafío interesante. Y nuevamente, está relacionado con el problema general de las bases de datos.

Otra cosa que está comenzando a ocurrir y que sucederá aún más es que normalmente pensamos en obtener datos genómicos como una empresa en la que depositamos en una base de datos, esta se convierte en una base de datos y luego seguimos adelante. El secuenciamiento de ADN tiene aplicaciones realmente poderosas en la ciencia experimental. Y con algunas de las nuevas tecnologías que están surgiendo, creo que veremos que las personas recopilarán datos genómicos más en un modo experimental que simplemente en un modo de recopilación y depósito de datos.

Y, y se puede imaginar el seguimiento de poblaciones en el medio ambiente mediante el análisis de la expresión génica, superponiendo patrones de expresión génica con patrones proteómicos. Todas estas cosas ocurrirán. Y, por lo tanto, probablemente consideraremos la secuenciación del genoma más como una herramienta experimental que como una forma de ampliar bases de datos.

Entonces, este tipo de cosas están todas por venir y, por supuesto, en el centro de todas ellas estará la captura de datos y la infraestructura computacional, tanto en hardware como en software, para manejar todos estos datos, ya que las cantidades son inmensas. Además, encima de eso, está el desarrollo de teorías; si se piensa en la teoría biológica tal como se aplica a la ecología en particular, gran parte de ella se basa en organismos grandes, organismos grandes que se reproducen sexualmente, y de hecho algunas de las reglas del juego y algunas de las teorías no necesariamente se aplican al mundo microbiano. Por lo tanto, creo que para los matemáticos y teóricos existe una gran cantidad de potencial en el futuro para utilizar estos datos que ahora se están recolectando y que se recopilarán en el futuro como, si se quiere, modelos de datos para desarrollar nuevas teorías y teorías predictivas.

Y el objetivo final realmente consiste en comprender cómo funciona nuestro planeta, en parte porque el aire que respiramos, los flujos de materia y energía que equilibran los ciclos elementales en la Tierra están en gran medida regulados por las actividades colectivas de las especies microbianas. Dado que actualmente, como especie, estamos ejerciendo una presión muy fuerte sobre algunos ciclos de energía y materia, tomemos por ejemplo el CO2 en la atmósfera, resulta cada vez más importante comprender la dinámica y los detalles de cómo se produce el equilibrio natural, ya que nosotros mismos lo estamos alterando, y comenzar a pensar en formas de vivir de manera un poco más equilibrada con los ciclos de materia y energía en nuestro planeta. Por eso, creo que este tipo de ciencia fundamental, que parece una reducción del conocimiento, terminará evolucionando, a través de la metagenómica y algunas de estas otras técnicas de las que hablé, junto con la teoría, hacia una ciencia más holística en términos de comprensión de sistemas complejos, no solo a nivel celular, sino a nivel planetario.

Y entonces, en realidad ahora mismo, con algunas de estas técnicas que les mostramos en el laboratorio y, y, y con el estado actual del campo, apenas estamos dando los primeros pasos. Pero creo que podemos empezar a vislumbrar, ya saben, pequeñas pinceladas de hacia dónde podría dirigirse esto. Y será emocionante si logramos descifrar cómo coordinarlo, porque requiere las habilidades de una amplia gama de tecnólogos, teóricos, matemáticos e ingenieros, para tratar de integrarlo todo.

Así que son tiempos interesantes y sin duda se volverán aún más interesantes a partir de este momento.