Las cepas, no las especies, de microbios intestinales son la clave para la salud y la enfermedad
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Todos los días, los miles de millones de bacterias que habitan en su sistema digestivo cambian; los alimentos que come, los medicamentos que toma y los gérmenes a los que está expuesto hacen que algunas bacterias prosperen más que otras. Los científicos saben que este equilibrio en constante cambio de los microbios intestinales está relacionado con la salud y la enfermedad, pero se han esforzado por precisar qué hace que un equilibrio microbiano sea mejor que otro.
Durante la última década, los científicos generalmente han descrito el microbioma de una persona, la colección de microbios que se encuentran en el intestino humano, caracterizando qué especies de bacterias están presentes y en qué cantidades. Ahora, un grupo de investigadores dirigido por Katie Pollard, Ph.D., en Gladstone Institutes ha publicado dos nuevos estudios que sugieren que monitorear las cepas de bacterias, y no solo las especies, puede brindar mejores conocimientos sobre el microbioma.
Bacterial Las cepas son un poco como las razas de perros o las variedades de tomate, partes de la misma especie, pero distintas entre sí.
«Creo que los investigadores se han perdido mucha información al centrarse únicamente en las especies de microbios», dice Pollard, director del Instituto Gladstone de Ciencia de Datos y Biotecnología y autor principal de los dos estudios. «Cuando adoptamos un enfoque más detallado y observamos las cepas de bacterias, predigo que comenzaremos a encontrar vínculos causales entre el microbioma y las enfermedades».
En un estudio publicado en la revista Nature Biotecnología, el laboratorio de Pollard trabajó con Stephen Nayfach, Ph.D., científico investigador del Instituto Conjunto del Genoma del Departamento de Energía de EE. UU., para desarrollar un nuevo método computacional para analizar las cepas de bacterias presentes en una muestra de microbioma de manera mucho más rápida y económica que tecnologías existentes. El nuevo enfoque, dice Pollard, permitirá a los investigadores realizar análisis más grandes y precisos del microbioma que nunca antes.
En un artículo separado publicado en línea en Genome Research, Pollard colaboró con los laboratorios de Benjamin Good , Ph.D., y Michael Snyder, Ph.D., en la Universidad de Stanford para rastrear las cepas de bacterias presentes en el microbioma de una persona en 19 puntos de tiempo diferentes durante un período de 5 meses, incluso antes y después de un curso de antibióticos. Descubrieron que, en algunos casos, la abundancia de una especie de bacteria permaneció constante entre los puntos de tiempo, pero las cepas dentro de esa especie cambiaron drásticamente.
Hacer que los microbiomas sean significativos
Dentro de su intestino , las bacterias probablemente hacen algo más que digerir la comida. De hecho, los estudios han demostrado que las personas con enfermedades tan diversas como la enfermedad inflamatoria intestinal, el asma, el autismo, la diabetes y el cáncer tienen diferentes bacterias en sus sistemas digestivos en comparación con las personas sanas. Pero hasta ahora han surgido pocos tratamientos dirigidos al microbioma a partir de estas observaciones.
Dado que cada bacteria tiene su propio código genético, los científicos confían en la secuenciación del ADN para descubrir qué bacterias habitan en el microbioma de una persona determinada. Pero analizar las secuencias de ADN es difícil debido al tamaño y la complejidad de los datos. Aunque los investigadores pueden usar los métodos existentes para determinar qué especies están presentes, estos solo brindan una imagen parcial de la diversidad y función del microbioma. Esto se debe a que las diferentes cepas en una sola especie de bacteria pueden albergar diferencias genéticas significativas, que a menudo son lo suficientemente grandes como para inducir comportamientos diferentes.
Hasta ahora, identificar diferencias genéticas en una muestra de microbioma ha requerido computación de alto rendimiento. energía y almacenamiento en la nube, algo que no está disponible para la mayoría de los laboratorios. Los investigadores tuvieron que comparar millones de fragmentos de ADN de los genomas de miles de bacterias presentes en el microbioma con una base de datos con las secuencias de todos los microorganismos conocidos, utilizando una técnica conocida como alineación de secuencias.
«Los algoritmos para analizar Se desarrollaron secuencias genéticas para genomas humanos», dice Pollard, quien también es profesor en UC San Francisco e investigador de Chan Zuckerberg Biohub. «Funcionan muy bien para el desafío de secuenciar el genoma de un solo organismo, pero no para nuestros propósitos de secuenciar los genomas de miles de organismos desconocidos a la vez».
Pollard y sus colegas sabían que largas extensiones de secuencias genómicas son comunes entre muchas especies o cepas bacterianas. Por lo tanto, estas secuencias no se pueden usar para ayudar a identificar una cepa bacteriana específica. Inspirándose en enfoques que analizan solo las regiones más variables del genoma humano, el equipo se dispuso a encontrar la cantidad mínima de información de secuencia que necesitarían seleccionar de los datos del microbioma para identificar qué cepas contenía.
Los investigadores analizaron más de 100 000 genomas disponibles públicamente y de alta calidad de aproximadamente 900 especies bacterianas que se encuentran comúnmente en el intestino humano. Descubrieron 104 millones de cadenas cortas de ADN en los genomas bacterianos que varían con mayor frecuencia entre las cepas de bacterias. Luego, usaron esta información para diseñar un nuevo algoritmo, denominado GenoTyper for Prokaryotes (GT-Pro), que busca en los datos de la secuencia del microbioma coincidencias exactas con las cadenas clave que actúan como identificadores de las cepas bacterianas. A diferencia de los métodos de alineación de secuencias anteriores, GT-Pro cabe en la memoria de una computadora portátil y no requiere computación de alto rendimiento ni créditos en la nube.
«Con la explosión de genomas recién secuenciados del microbioma intestinal y otros ambientes, ahora podemos crear mapas genéticos detallados para miles de especies bacterianas», dice Nayfach. «Nuestro enfoque aprovecha esta información previa para identificar de forma rápida y completa las variantes genéticas en una muestra de microbioma sin realizar alineaciones de secuencias que consumen mucho tiempo».
El campo de investigación se ha visto limitado anteriormente por el hecho de que solo unos pocos laboratorios en todo el mundo tienen el dinero o el hardware informático para analizar los datos del microbioma en la resolución de las cepas.
«Nuestro nuevo algoritmo abre la puerta para que todos puedan alcanzar este nivel de resolución en una computadora personal». dice Pollard.
Antes y después de los antibióticos
Una de las preguntas que los investigadores del microbioma se han esforzado por responder en los últimos años es cuánto cambia el microbioma en el cuerpo de una persona con el tiempo. Esta pregunta se ha abordado a nivel de especie; Los científicos han rastreado cómo cambia la composición de especies de los microbiomas de las personas junto con la dieta, las enfermedades o los cambios ambientales. Pero los resultados no han podido explicar cómo el microbioma adquiere nuevas funciones, como la resistencia a los antibióticos o la capacidad de inactivar los medicamentos de quimioterapia, cuando la composición de especies permanece estable mes a mes.
Pollard y sus colegas querían profundizar en esta pregunta a un nivel más profundo, analizando cómo las cepas de bacterias, en lugar de solo las especies, cambian con el tiempo. Reutilizaron un método diseñado para secuenciar células humanas individuales y lo usaron para codificar moléculas de ADN bacteriano. Esto permitió al grupo rastrear cepas individuales de bacterias en una persona durante un estudio de 5 meses.
El equipo secuenció el microbioma de una persona sana aproximadamente una vez por semana durante 5 meses. Durante ese período de tiempo, el sujeto fue sorprendentemente diagnosticado con la enfermedad de Lyme y recibió un tratamiento de dos semanas con antibióticos conocidos por eliminar muchas especies de bacterias, incluidas las que viven en el intestino humano.
«Lo que asumimos es que muchos microbios se volverían menos abundantes con los antibióticos y luego se recuperarían, pero el microbioma al final se parecería más o menos al microbioma al principio», dice Good, profesor asistente de física aplicada en Stanford.
En algunos casos, esto fue cierto, ciertas especies y cepas de microbios fueron notablemente resistentes, presentes con genomas casi sin cambios al comienzo y al final del período de 5 meses. Pero en otros casos, las cepas presentes después de los antibióticos eran genéticamente diferentes a las del principio, aunque la abundancia de las especies no cambió. Es importante destacar que estas diferencias se habrían pasado por alto si el equipo solo hubiera analizado las especies presentes en cada muestra de microbioma.
Aunque el algoritmo GT-Pro aún no estaba disponible para usarse en este estudio, Pollard dice que lo haría hacer que estudios futuros similares sean mucho más fáciles y baratos de realizar.
Trazando un nuevo camino para los estudios de microbiomas
Las bacterias en su cuerpo son como una jungla, un ecosistema vivo y cambiante con organismos que coexisten en un balance delicado. Al mirar imágenes satelitales desde arriba, los ecologistas pueden monitorear los cambios más profundos y drásticos en una jungla, pero se perderán las complejidades más sutiles que dan forma al medio ambiente.
Del mismo modo, aquellos que estudian el microbioma por observar cómo cambian las especies ha obtenido una vista de alto nivel de la red y solo ha visto las conexiones más obvias con la salud y la enfermedad. Pero con GT-Pro y una nueva visión de las cepas de microbios, dice Pollard, se harán evidentes nuevos vínculos.
«Todavía queda mucho trabajo por hacer para comprender las consecuencias funcionales de las diferencias en el microbioma, «, dice Pollard. «Pero hasta ahora, no teníamos las herramientas de medición adecuadas para hacer estas preguntas y ahora las tenemos».
Explore más
Mapeo del microbioma intestinal para comprender mejor su papel en la obesidad Más información: Stephen Nayfach, Metagenotipificación rápida y precisa del microbioma intestinal humano con GT-Pro, Nature Biotechnology ( 2021). DOI: 10.1038/s41587-021-01102-3
Morteza Roodgar et al, La secuenciación de lectura enlazada longitudinal revela respuestas ecológicas y evolutivas de un microbioma intestinal humano durante el tratamiento con antibióticos, Genome Research (2021). DOI: 10.1101/gr.265058.120 Información de la revista: Nature Biotechnology , Genome Research