Acontando para más del 15 por ciento de la biomasa de la Tierra, los microbios han colonizado el planeta de polo a polo, donde influyen en la ecología a través de las pequeñas moléculas que crean.1 A pesar de su ubicuidad e importancia en el medio ambiente, los investigadores luchan por identificar los metabolitos microbianos en el campo y en el laboratorio. Las bases de datos públicas pueden ayudar a los científicos a descifrar algunas moléculas microbianas, pero a menudo se limitan a especies bien estudiadas.
Para arrojar luz sobre la materia oscura microbiana, los investigadores desarrollaron la herramienta de búsqueda de espectrometría de masas de microbios (microbeMASST), que detecta cientos de metabolitos microbianos de una sola vez comparando muestras con registros disponibles públicamente de más de 60.000 cultivos microbianos.2 Desarrollado originalmente para estudiar los microbios del gran mar azul, los investigadores extendieron microbeMASST al medio microbiano humano para explorar la influencia del microbioma en las enfermedades. El equipo informó sus hallazgos en Microbiología de la naturaleza.
«Este nuevo estudio ofrece la oportunidad de poner las moléculas en un contexto ecológico», dijo Roger Linington, un químico analítico de la Universidad Simon Fraser que no participó en el estudio pero que ha colaborado con algunos de los autores en el pasado. «Tradicionalmente, la gente estudiaba los microorganismos uno por uno y aislaba moléculas individuales». Linington señaló que esto dificultaba determinar cuántos microbios producían el metabolito en cuestión.
Los científicos rara vez obtienen una imagen completa del metaboloma microbiano. Por ejemplo, los investigadores sospechan que las bacterias intestinales producen la mayoría de los metabolitos en el tubo digestivo ya que poseen aproximadamente 100 veces más genes que el genoma humano.3 Sin embargo, cuando los científicos recogen muestras de heces, normalmente sólo pueden identificar el 10 por ciento de los metabolitos. «El porcentaje de moléculas verdaderamente microbianas de este 10 por ciento de anotación es en realidad menos del uno por ciento», dijo Simone Zuffabiólogo computacional de la Universidad de California, San Diego y coautor del estudio.
Descifrar el parloteo microbiano es aún más difícil en ciertos ecosistemas. Anelise Bauermeister, microbiólogo marino de la Universidad de California en San Diego y coautor del estudio, explora los microbios en el mar, incluidos los que colonizan los arrecifes de coral. «Es realmente difícil encontrar metabolitos en microbios marinos porque son difíciles de recolectar y es difícil cultivarlos en el laboratorio», dijo.
Una vez que aprendió con éxito a cultivar estos insectos que habitan en el océano, luchó por discernir si los microbios, los corales u otras fuentes submarinas producían los metabolitos. Ansiosa por superar este problema, ella y sus colegas comenzaron a desarrollar microbeMASST, una herramienta para descifrar qué metabolitos provenían de microbios en muestras tomadas de diferentes ambientes. Con la esperanza de capturar una variedad de errores en su herramienta de búsqueda, el equipo recopiló datos metabolómicos recopilados de microbios encontrados en animales, humanos, lagos, océanos, plantas y suelos. El mundo era su ostra microbiana.
Levantando anclas, zarparon para probar el microbio MASST en un entorno y una especie nuevos: ratones de laboratorio. En un ratón, las células huésped y los microbios residentes producen metabolitos, pero microbeMASST detecta los producidos exclusivamente por los insectos. Analizaron un conjunto de datos que contenía metabolitos de una variedad de órganos y biofluidos, incluidos el cerebro, el corazón, el hígado, la sangre y las heces de ratones normales y libres de gérmenes. Dado que los ratones libres de gérmenes carecen de microbios, Zuffa especuló que cualquier metabolito encontrado en los ratones normales pero que falta en los ratones libres de gérmenes debe provenir de microbios. Utilizando este enfoque, identificaron 1.673 metabolitos producidos exclusivamente por bacterias y hongos que viven en el huésped.
«Si realmente se derivan de microbios, también deberían observarse en otros estudios», dijo Zuffa. Para comprobar la solidez de sus hallazgos, compararon ratones normales con ratones que tomaban antibióticos. Su nuevo análisis reprodujo 621 de los mismos metabolitos, de los cuales 512 eran exclusivos de los ratones sin antibióticos. La herramienta sirve como punto de partida para encontrar metabolitos microbianos, pero se necesitan más análisis bioquímicos de los microbios cultivados en el laboratorio para confirmar que estas moléculas en realidad provienen de los insectos.
microbeMASST podría resultar valioso para estudios del microbioma humano que exploran las funciones que desempeñan los microbios y sus metabolitos en la salud y la enfermedad. Utilizando conjuntos de datos humanos, Zuffa y sus colegas compararon muestras de personas sanas y personas con diferentes afecciones, incluida la enfermedad inflamatoria intestinal, que a menudo está relacionada con alteraciones en el microbioma.4 A partir de estas muestras, observaron 455 de los mismos 512 impactos microbianos identificados en los datos del ratón, lo que sugiere que la herramienta de búsqueda también puede rastrear cientos de moléculas microbianas en el cuerpo humano.
Reflejando sus análisis con ratones, estudiaron una variedad de órganos y fluidos corporales, pero los hallazgos no sugirieron necesariamente que los microbios estuvieran presentes en todos estos lugares. Más bien, indicaron que los metabolitos microbianos producidos en el intestino pueden viajar por el cuerpo y provocar efectos sistémicos.
A pesar de este avance en el estudio de los metabolitos microbianos, muchas moléculas siguen siendo materia oscura por ahora. La herramienta de búsqueda se limita a datos metabolómicos disponibles públicamente, lo que crea un cuello de botella en la comparación microbio-metabolito. Sin embargo, Linington espera que la herramienta anime a la comunidad científica a hacer que sus datos sean de acceso abierto.
Otra limitación radica en la forma en que los científicos recopilan datos metabolómicos. Los científicos suelen utilizar un espectrómetro de masas para ionizar metabolitos en fragmentos cargados antes de medir su masa y carga para descifrar el código detrás de sus estructuras químicas.5 «No todas las moléculas son igualmente fáciles de detectar mediante espectrometría de masas, y esto se debe a que diferentes estructuras compuestas tendrán una propensión diferente a ionizarse en el instrumento», dijo Linington, por lo que algunos metabolitos permanecen fuera de la vista.
Al separarse de los microbios, los investigadores planean generar otras herramientas de búsqueda que faciliten la búsqueda de metabolitos en otras formas de vida. «Estamos desarrollando una versión vegetal para esto llamada plantMASST, donde le dirá si moléculas específicas realmente derivan de plantas específicas», dijo Zuffa.
Referencias
1. Bar-On YM, et al. La distribución de la biomasa en la Tierra.. Proc Natl Acad Sci EE.UU.. 2018;115(25):6506-6511.
2. Zuffa S, et al. microbeMASST: una herramienta de búsqueda de espectrometría de masas taxonómicamente informada para datos de metabolómica microbiana. Microbiol natural. 2024;9(2):336-345.
3. Tierney BT, et al. El panorama del contenido genético en el microbioma humano intestinal y oral.. Microbio huésped celular. 2019;26(2):283-295.
4. Franzosa EA, et al. Estructura del microbioma intestinal y actividad metabólica en la enfermedad inflamatoria intestinal.. Microbiol natural. 2019;4(2):293–305.
5. Bauermeister A, et al. Metabolómica basada en espectrometría de masas en investigaciones de microbiomas.. Microbiol Rev Nacional. 2022;20(3):143-160.
