Científicos de la Universidad de Stanford informan que han construido el microbioma sintético más complejo y mejor definido, creando una comunidad de más de 100 especies bacterianas que se trasplantaron con éxito a ratones.
La capacidad de agregar, eliminar y editar especies individuales permitirá a los científicos comprender mejor los vínculos entre el microbioma y la salud y, finalmente, desarrollar terapias de microbioma de primera clase, según el equipo de Stanford.
Se han realizado muchos estudios clave de microbioma utilizando trasplantes fecales, que introducen el microbioma natural completo de un organismo a otro. Si bien los científicos rutinariamente silencian un gen o eliminan una proteína de una célula específica o incluso de un ratón completo, no existe tal conjunto de herramientas para eliminar o modificar una especie entre los cientos en una muestra fecal determinada.
"Mucho de lo que sabemos sobre biología, no lo sabríamos si no fuera por la capacidad de manipular sistemas biológicos complejos por partes", dijo Michael Fischbach, PhD, académico del instituto en Sarafan ChEM-H y autor correspondiente del estudio. (“Diseño, construcción y aumento in vivo de un microbioma intestinal complejo”), que aparece en Cell.
Fischbach, quien es profesor asociado de bioingeniería y de microbiología e inmunología, y otros vieron una solución: construir un microbioma desde cero cultivándolo individualmente y luego mezclando sus bacterias constituyentes.
“Los esfuerzos para modelar el microbioma intestinal humano en ratones han llevado a importantes conocimientos sobre los mecanismos de las interacciones huésped-microbio. Sin embargo, las comunidades modelo estudiadas hasta la fecha han sido definidas o complejas, pero no ambas, lo que limita su utilidad”, escribieron los investigadores.
“Aquí, construimos y caracterizamos in vitro una comunidad definida de 104 especies bacterianas compuestas por los taxones más comunes de la microbiota intestinal humana (hCom1). Luego usamos un proceso experimental iterativo para llenar nichos abiertos: ratones libres de gérmenes fueron colonizados con hCom1 y luego desafiados con una muestra de heces humanas. Identificamos nuevas especies que se injertaron después del desafío fecal y las añadimos a hCom1, produciendo hCom2. En ratones gnotobióticos, hCom2 exhibió una mayor estabilidad frente al desafío fecal y una robusta resistencia a la colonización contra Escherichia coli patógena.
"Los ratones colonizados por hCom2 o por una comunidad fecal humana son fenotípicamente similares, lo que sugiere que este consorcio permitirá un interrogatorio mecánico de especies y genes en fenotipos asociados al microbioma".
Cada célula del microbioma ocupa un nicho funcional específico, realizando reacciones que descomponen y acumulan moléculas. Para construir un microbioma, el equipo tuvo que asegurarse de que la mezcla final no solo fuera estable, manteniendo un equilibrio sin que ninguna especie dominara al resto, sino también funcional, realizando todas las acciones de un microbioma natural completo. Seleccionar especies para incluir en su comunidad sintética también fue difícil dada la variación natural entre individuos; dos personas seleccionadas al azar comparten menos de la mitad de sus genes microbianos.
Los investigadores decidieron construir su colonia a partir de las bacterias más prevalentes y recurrieron al Proyecto Microbioma Humano (HMP), una iniciativa de los NIH para secuenciar los genomas microbianos completos de más de 300 adultos.
“Estábamos buscando el Arca de Noé de especies bacterianas en el intestino humano, tratando de encontrar las que casi siempre estaban allí en cualquier individuo”, dijo Fischbach.
Seleccionaron más de 100 cepas bacterianas que estaban presentes en al menos el 20% de los individuos HMP. Agregar algunas especies necesarias para algunos estudios posteriores los llevó a 104 especies, que cultivaron en poblaciones individuales y luego mezclaron en una cultura combinada para hacer lo que ellos llaman una comunidad humana, o hCom1.
Aunque estaba satisfecho de que las cepas pudieran coexistir en el laboratorio, la verdadera prueba era si su nueva colonia echaría raíces en el intestino. Introdujeron hCom1 en ratones que fueron cuidadosamente diseñados para que no tuvieran bacterias presentes. hCom1 fue notablemente estable, con el 98% de las especies constituyentes colonizando el intestino de estos ratones libres de gérmenes, y los niveles de abundancia relativa de cada especie permanecieron constantes durante dos meses.
Para hacer que su colonia fuera más completa, los investigadores querían asegurarse de que todas las funciones vitales del microbioma fueran realizadas por una o más especies. Se basaron en una teoría llamada resistencia a la colonización, que explica que cualquier bacteria, cuando se introduce en una colonia existente, solo sobrevivirá si puede llenar un nicho que aún no está ocupado.
Al introducir un microbioma completo, en forma de muestra de heces humanas, en su colonia y rastrear cualquier nueva especie que se instalara, podrían construir una comunidad más completa.
Algunos se mostraron escépticos de que esto funcionara. “Las especies bacterianas en hCom1 habían vivido juntas durante solo unas pocas semanas”, señaló Fischbach. “Aquí estábamos, presentando una comunidad que había coexistido durante una década. Algunas personas pensaron que diezmarían nuestra colonia”.
Sorprendentemente, hCom1 se mantuvo firme y solo alrededor del 10% de las células en la comunidad final provino del trasplante fecal.
Encontraron más de 20 nuevas especies bacterianas que se insertaron en al menos dos de sus tres estudios de trasplante fecal. Agregarlos a su comunidad inicial y eliminar aquellos que no lograron arraigarse en las tripas de los ratones les dio una nueva comunidad de 119 cepas, denominada hCom2. Esta segunda iteración, aún hecha de crecimiento individual y luego mezclando los constituyentes, hizo que los ratones fueran aún más resistentes a los desafíos fecales que la primera.
Para demostrar la utilidad de su microbioma sintético, el equipo tomó ratones colonizados con hCom2 y los desafió con una muestra de E. coli . Estos ratones, como los que fueron colonizados con un microbioma natural, resistieron la infección.
Estudios anteriores han demostrado que un microbioma natural saludable conduce a la protección, pero Fischbach y sus colegas podrían ir un paso más allá eliminando o modificando iterativamente ciertas cepas para determinar cuáles confieren protección específicamente. Encontraron varias bacterias clave y planean realizar más estudios para reducir a las especies más críticas.
Fischbach cree que hCom2, o versiones futuras del mismo, permitirán estudios reduccionistas similares que revelarán los agentes bacterianos involucrados en otras áreas, como las respuestas a la inmunoterapia.
“Construimos este consorcio para la comunidad de investigación en general. Queremos que esto llegue a tantas manos como sea posible para tener un impacto en el campo”, dijo Fischbach.
También prevé que este método de construir un microbioma desde cero hará posibles las terapias basadas en microbiomas diseñados en el futuro. Como director de Stanford Microbiome Therapies Initiative (MITI), una iniciativa lanzada en 2019 por Sarafan ChEM-H y el departamento de Bioingeniería, tiene como objetivo construir comunidades diseñadas que algún día podrían trasplantarse a personas para tratar o prevenir una variedad de enfermedades.
Traducción: Cecilia González P.
Publicado: 15 de septiembre de 2022
Fuente: GEN News
Atrás
