Un consorcio internacional, donde participaron investigadores del INTA, presentó un catálogo de referencia de genomas microbianos del rumen, que abarca el 75% de los géneros bacterianos presentes en ese ecosistema. El trabajo fue publicado en Nature Biotechnology.
María Cerón Cucchi, lidera el laboratorio de Microbiología del Rumen del Instituto de Patobiología del Centro de Investigación en Ciencias Veterinarias y Agronómicas del INTA Castelar que aportó los materiales para aislamiento. Participó también Silvio Cravero, del Instituto de Biotecnología del mismo centro. Ambos son miembros del Consorcio Rumen Microbial Genomics Network, auspiciado por el GRA (Greenhouse Gases Research Alliance).
Es uno de los proyectos más grandes de cultivo y secuenciación específicos hasta la fecha. Hay que destacar que “el valor del catálogo reside en que permitirá a los científicos disponer de estas bacterias ruminales y arqueas metanogénicas aisladas y secuenciadas para posteriores estudios”, afirmó Cravero.
La colección Hungate1000 contribuirá a brindar respuestas sobre qué ocurre exactamente dentro de un rumen. La importancia de este aporte científico se debe a que estos datos ayudan a comprender la diversidad y función del microbioma ruminal, constituyéndose en un avance fundamental para desarrollar metodologías eficientes en la producción de alimentos a nivel mundial, derivada de los rumiantes. También tiene implicancias en salud animal y nutrición (con la valoración de dietas y aditivos) y reducción de gases de efecto invernadero, y se asume que se podrán identificar por biotecnología aquellas enzimas relevantes para la conversión de materias primas vegetales en biocombustibles y otros bioproductos.
Comenta Cerón que “el objetivo fue generar una colección de genomas de bacterias y arqueas de origen ruminal, que constituyan un recurso biológico que se puede utilizar para avanzar en el estudio de secuencias de genes con propiedades a nivel industrial y, en la comprensión de la fisiología ruminal y de la complejidad del funcionamiento simbiótico de comunidad microbiana del rumen, ayudando a encontrar un equilibrio entre la alimentación del ganado, los índices vinculados a eficiencia en producción y la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero“. Esto es crucial para sustentar el desarrollo de tecnologías y prácticas que respaldan la producción eficiente de alimentos a nivel mundial de los rumiantes.
“Al comienzo del consorcio, en 2012, solo había genomas de referencia para 14 bacterias y un metanógeno”, dice la investigadora y agrega “el catálogo de Hungate ahora contiene un total de 501 genomas, 410 recientemente generados a partir de este estudio, más 91 adicionales ya disponibles públicamente de otros estudios”. Se debe recalcar que toda la información y materiales fue generado a través de los esfuerzos coordinados de investigadores de microbiología del rumen de varios laboratorios. Argentina fue el único país latinoamericano que integró el equipo internacional y se estima que se ha secuenciado el 75% de los géneros bacterianos presentes en el rumen bovino.
Esta investigación muestra un gran avance científico dado que la productividad del ganado rumiante depende de la comunidad de microorganismos (microbiota) presentes en el rumen, que fermenta los polisacáridos indigeribles de la planta en nutrientes utilizados para el crecimiento. Uno de los aspectos más relevantes de este trabajo fue generar conocimientos para comprender las funciones realizadas por la microbiota del rumen, que contribuirá en la generación de estrategias para reducir la producción de gases de efecto invernadero por los rumiantes y para desarrollar biocombustibles a partir de lignocelulosa, por ejemplo. El impacto es amplio, ya que además permitirá estudiar estos microorganismos en función de la nutrición y salud animal, aportando estrategias en dietas y aditivos.
Explica María Cerón “aunque la ecología microbiana del rumen ha sido durante mucho tiempo el foco de la investigación, al comienzo del proyecto los genomas de referencia solo estaban disponibles para unos pocos microorganismos, por lo que la diversidad genómica estaba en gran parte inexplorada. Mediante esta publicación se da un gran impulso a la biología del microbioma del rumen, con el lanzamiento de 410 bacterias cultivadas y arqueas junto con sus genomas de referencia de alta calidad”.
Ambos investigadores afirman en considerar que los resultados de este trabajo contribuirán a conocer más en profundidad la diversidad y funcionamiento de las bacterias y arqueas presentes en el contenido ruminal. Además, aportará información para el diseño y monitoreo de estrategias de mitigación de la producción de metano en los sistemas de producción animal y constituirán una línea de base para el estudio de microbiotas de otras especies animales y a nivel de la generación de biocombustibles, dietas y aditivos, vacunas contra metanógenos, como contribución en salud animal y nutrición. También la información generada será una guía para el ensamblado in vitro de genomas derivados de análisis metagenómicos”.
El proyecto es la culminación de una propuesta que se originó en una reunión de microbiólogos del rumen celebrada en Nueva Zelanda en febrero de 2011, donde Silvio Cravero fue uno de los participantes extranjeros invitados. El tema fue identificado como un proyecto prioritario por el Grupo de Investigación en Ganadería de la Global Research Alliance. El apoyo para este trabajo también proviene del Joint Genome Institute (JGI) del Departamento de Energía de los EE. UU. a través de su Community Sequencing Program (CSP).
Estas bacterias en el rumen son fundamentales porque son las responsables de convertir la materia vegetal digerible en energía para obtener carne o leche y otros componentes de la dieta en vacas y ovinos
“La figura de Consorcio es la clave para acelerar los avances científicos y evitar competencias improductivas entre laboratorios, beneficiándose de esta manera la comunidad de investigadores que trabajan en el tema”, enfatizó Cravero.
La magnitud de este proyecto requirió la colaboración internacional que hoy se vio plasmada en el catálogo Hungate1000 donde participaron 55 investigadores de 19 institutos pertenecientes a 9 países: Nueva Zelanda, Australia, Estados Unidos, Canadá, Japón, Francia, Gales, Escocia y Argentina.
La productividad del ganado rumiante depende de la microbiota del rumen, que fermenta los polisacáridos indigeribles de la planta en nutrientes utilizados para el crecimiento. Comprender las funciones llevadas a cabo por la microbiota del rumen es importante para reducir la producción de gases de efecto invernadero por parte de los rumiantes y eficientizar la degradabilidad de la dieta vegetal ingerida, con la potencialidad de ser una plataforma para desarrollar biocombustibles a partir de lignocelulosa. Las 410 bacterias y arqueas cultivadas, junto con sus genomas de referencia representan a todas las familias de archaeas y bacterias cultivadas asociadas al rumen al presente. En el trabajo se evaluaron potenciales vías metabólicas involucradas en la degradación de polisacáridos, la producción de ácidos grasos de cadena corta y las vías de metanogénesis, y además aislamientos no caracterizados fueron categorizados taxonómicamente.
Ruth Heinz, directora del Instituto de Biotecnología del CICVyA INTA CNIA sostuvo que “el trabajo y presencia de investigadores de los Institutos de Biotecnología y Patobiología en el consorcio internacional es relevante, no solo por la contribución al conocimiento general de la diversidad y función del microbioma ruminal sino por sus implicancias en temas de alto impacto para el sector de agro industrial a través de aplicaciones en salud, producción animal, reducción de gases de efecto invernadero así como en la conversión más eficiente de materias primas vegetales lignocelulolíticas en biocombustibles y bioproductos. El trabajo en consorcios internacionales abre además nuevas posibilidades de cooperación para los grupos de trabajo, contribuyendo al crecimiento profesional de los investigadores en áreas de vacancia a través de la incorporación de nuevas estrategias de análisis genómico, metagenómico y bioinformático”.
Por su parte, Ariel Pereda, director del Instituto de Patobiología manifestó “la participación del grupo de investigación de Microbiología Ruminal en este consorcio ha permitido poder incorporar y analizar los aislamientos realizados en los últimos años en el Instituto en el marco de un trabajo colaborativo internacional. Poder tener la información sobre la microbiota ruminal nos permitirá diseñar productos y estrategias que permitan maximizar el rendimiento y productividad ganadera, así como también mejorar los factores de emisión de gases efecto invernadero que resultan de la de la producción animal. El Instituto tiene un claro foco puesto en desarrollar conocimientos, capacidades y tecnología para mejorar los índices productivos, a través de las mejoras en salud, nutrición y reproducción animal, haciendo hincapié en la sustentabilidad ambiental y el bienestar animal. Este tipo de trabajos consolidan el posicionamiento del instituto como referente en este sentido”
Entrevista a los investigadores María Cerón (MC) y Silvio Cravero (SC)
¿Cómo se integraron al consorcio Hungate1000?
SC: En el mes de febrero del año 2011 participé de una reunión en Palmerston North, Nueva Zelanda, para evaluar la factibilidad y utilidad de generar una red de investigación sobre genómica de microorganismos ruminales. Luego de dos días de talleres se concluyó que la comunidad científica abocada a comprender, caracterizar o manipular el contenido ruminal se vería beneficiada si varios laboratorios trabajarían en función de un objetivo común ya que se aceleraría la velocidad de descubrimientos y todos se beneficiarían. Así nació el Rumen Microbial Genomics Network (Red de genómica de microbios del rumen) que a su vez tenía otras dos redes con objetivos complementarios: el Global Rumen Census Project y el Hungate1000. El primero tenía un perfil de ecología microbiana donde se evaluaría la diversidad microbiana del contenido ruminal en diversas especies animales mientras que el Hungate1000 contemplaba la creación de un banco de aislamientos del rumen junto a la caracterización genómica.
En el Global Rumen Census Project (https://www.nature.com/articles/srep14567) se concluyó que la composición microbiana del rumen varía con la dieta que consume el animal, su base genética, su localización geográfica y la edad, entre otras variables. Por ejemplo, existe una variación en la estructura poblacional microbiana entre los animales de un mismo rodeo, lo que agrega complejidad en poder dar números certeros relacionados a la composición de la microbiota ruminal. Lo mismo ocurre con el tema de la microbiota gastrointestinal humana. La diversidad microbiana que presentan estos ecosistemas es tan enorme que llevará tiempo generar respuestas sólidas, aunque el campo de investigación está muy activo.
¿Qué nos podrían comentar sobre la investigación en el que han participado y cuál sería el valor del trabajo publicado?
MC: El trabajo de investigación recientemente publicado está enfocado en generar conocimientos sobre los microorganismos que forman parte del microbioma del rumen. Es importante señalar que el rumen contiene una enorme, dinámica y compleja diversidad microbiana. No conocemos exactamente cuántas especies de microorganismos lo componen. Uno de los aspectos más relevantes de este trabajo fue generar conocimientos para comprender las funciones realizadas por la microbiota ruminal que tiene una importancia significativa en la generación de estrategias para reducir la producción de gases de efecto invernadero por los rumiantes y para desarrollar biocombustibles a partir de lignocelulosa.
En el trabajo se evaluaron mediante análisis bioinformáticos los procesos de la degradación de polisacáridos, la producción de ácidos grasos de cadena corta y las vías de metanogénesis, además de realizarse estudios de taxonomía microbiana. Las secuencias obtenidas fueron comparadas con secuencias depositadas en base de datos de metagenomas de contenido ruminal y de contenido intestinal de humanos. Un total de 336 organismos estaban presentes en los conjuntos de datos metagenómicos del rumen disponibles al presente y 134 estaban presentes en conjuntos de datos de microbioma intestinal humano. La comparación con el microbioma intestinal humano reveló un enriquecimiento específico del rumen para genes que codifican la síntesis de novo de la vitamina B12, y sugiere que numerosos grupos bacterianos están compartidos entre animales y humanos, cumpliendo tal vez funciones semejantes. Las investigaciones en esta área están pasando de un estado descriptivo a un estado de intervención a través de la manipulación de vías metabólicas microbianas empleando diversas estrategias. Consideramos que el trabajo presentado, en conjunto con otros, serán de valor para sentar líneas de base de futuros trabajos de investigación.
SC: En mi opinión el valor del trabajo no radica solamente en haber obtenido la secuencia genómica, junto a su análisis bioinformático, de unos cuantos aislamientos del rumen. Considero importante que se haya podido conformar una colección de aislamientos de una parte de la diversidad microbiana que se puede encontrar en el rumen. Esto no significa que si colocamos a todos los aislamientos en un tubo vamos a tener un rumen sintético. Pero disponer de cultivos es de gran valor experimental. Se pueden realizar ensayos evaluando microorganismos individuales o en forma de consorcios sintéticos tanto in vivo como in vitro. Esta es una enorme ventaja sobre disponer solamente de las secuencias nucleotídicas. Otro aspecto que quisiera remarcar está vinculado a que tanto la información genómica como los aislamientos están disponibles públicamente. Me parece que hay que valorar el enorme esfuerzo que significa aislar microrganismos anaerobios estrictos. La técnica tradicionalmente empleada, conocida como el método de Hungate, es laboriosa, sumado a que la conservación de los aislamientos no es una trivialidad. Creo que en este trabajo los evaluadores valoraron el hecho de que exista una colección de microorganismos vivos respaldando a las secuencias generadas.
¿Cuál fue el objetivo del trabajo?
MC: El objetivo fue generar una colección de bacterias y arqueas de origen ruminal y sus respectivos genomas secuenciados y analizados, que sean de dominio público y que constituyan así un recurso biológico que se pueda utilizar para avanzar en la comprensión de la fisiología ruminal. Es como un catálogo para identificar secuencias de genes codificantes para bioproductos de interés industrial, ayudando a encontrar un equilibrio entre el consumo, producción y la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. De 410 aislamientos que forman la colección al presente, 337 son de origen bovino, que es el rumiante al que se le han dedicado la mayor cantidad de estudios relacionados al rumen.
¿Quiénes participaron en la investigación?
MCEn la publicación participaron científicos de Nueva Zelanda, Australia, Estados Unidos, Canadá, Japón, Francia, Gales, Escocia y Argentina. El consorcio esta integrado por investigadores reconocidos a nivel internacional que desarrollan actividades en prestigiosos centros de investigación.
¿Cómo visualizan el futuro de los estudios en comunidades microbianas asociadas a animales?
SC: A nivel internacional, el estudio de las microbiotas se ha convertido en un tema de frontera. Es un tema que tiene tanto potencial que se lo compara con el descubrimiento de un continente! El tema acapara no solo la atención de la comunidad científica, sino también atrae a muchas personas en general porque existen canales de divulgación que presentan al tema de manera atrayente. Esto es debido a que se ha tomado conciencia del efecto benéfico (usualmente) que poseen en salud humana los microorganismos que portamos desde el mismo tiempo de nacer y que con matices, nos acompañarán el resto de nuestra vida. Principalmente los microorganismos que habitan en el tracto digestivo han cobrado particular interés, donde se determinó, por ejemplo, que una determinada composición microbiana (estudiada en materia fecal) está asociada al estado de obesidad o que incluso impacta en estados emocionales porque existe una conexión cerebro-intestino. Esto llama la atención del público en general. En varios países del mundo existen iniciativas nacionales de apoyo a este tipo de estudios. Por ejemplo Brasil, Canadá, Estados Unidos tienen su proyecto sobre microbiomas, que van más allá de catalogar secuencias sobre el patrimonio genético natural disponible. Este tema es interdisciplinario. Y seguir el ritmo de la literatura científica es un trabajo arduo. En los últimos años se vienen publicando alrededor de 6000 trabajos que mencionan al termino microbioma. La explosión de información comienzó a mediados del año 2000, relacionada con el advenimiento de las técnicas de secuenciación masiva de ADN, que han tenido un impacto notable en el estudio de las comunidades microbianas. Entonces podemos apreciar reportes científicos que estudian la microbiota del subsuelo submarino o la microbiota de la troposfera, la microbiota de nuestra piel o la microbiota asociada a las plantas. Vivimos en un mundo dominado por microbios y estos estudios comienzan a impactar en cómo nos vemos nosotros mismos. Es necesario comprender que un animal, un humano, una planta, incluso un insecto requieren para desarrollarse normalmente estar asociados comunidades bacterianas determinadas, lo que lleva a definir un término que no se lo ve muy divulgado: holobionte. Esto es, conformamos una unidad ecológica en conjunto con nuestros microbiomas, y evolucionamos juntos. Se me ocurre que con la obtención de consorcios microbianos sintéticos se plantearán desafíos para las agencias que regulan la liberación de microorganismos al medio ambiente y para las agencias que regulan la propiedad intelectual. Tal vez los probióticos o los inoculantes empleados en agricultura en un futuro cercano sean consorcios microbianos. Hasta se visualiza que dentro de unos años en medicina humana existirá como especialidad el clínico de microbiomas.
¿Qué actividades desarrollan en sus laboratorios?
MC: El en laboratorio de Microbiología del Rumen se realizan investigaciones de bacterias, arqueas metanógenicas y protozoos anaerobios estrictos de origen ruminal (distintas especies animales rumiantes) y del preestómago de los Camélidos Sudamericanos. Se realiza la técnica de roll tube (método de Hungate), recuento in vitro de bacterias celulolíticas, pectinolílicas, amilolíticas, entre otras. Dispone además de una batería de pruebas bioquímicas y analíticas para el estudio del ambiente ruminal. Hemos incorporado al laboratorio técnicas moleculares como PCR (reacción en cadena de la polimerasa) y PCR cuantitativa, que son métodos valiosos para estudiar los microrganismos. Además, se realiza la prospección de la biodiversidad microbiológica del rumen para la identificación y caracterización de genes codificantes de enzimas de interés agropecuaria y en la industria de los biocombustibles. Actualmente estamos desarrollando las actividades vinculadas al proyecto PICT “Producción de metano entérico en sistemas ganaderos argentinos: Análisis de la diversidad de los microorganismos ruminales asociados a la metanogénesis en bovinos”. Donde realizamos ensayos a nivel de laboratorio y de campo con bovinos en experimentación para determinar la emisión de metano entérico y su relación con la microbiota ruminal. Estamos entusiasmados en comenzar con el aislamiento de arqueas metanogénicas, que es una tarea no sencilla debido a que estos microorganismos son extremadamente sensibles al oxígeno.
En el laboratorio hemos generado los primeros datos relacionados a la caracterización microbiana de lo que sería el “rumen” en camélidos sudamericanos, en la llama en particular. Estos hervíboros no son verdaderos rumiantes desde el punto de vista taxonómico, pero rumian. Poseen un estómago tabicado en tres compartimentos (en vez de cuatro como en los rumiantes) donde el primer compartimento posee un microbioma que degrada el alimento para generar acidos grasos de cadena corta, en forma equivalente al rumen de los rumiantes.Estamos interesados en profundizar la caracterización de la microbiota de todo el tracto gastrointestinal de la llama, por lo que hemos aplicado a los concursos PICT del Mincyt el año pasado. Trabajamos en los proyectos de INTA: “Desarrollo de Bioinsumos con Fines Agroindustriales” “Alimentación de Rumiantes” y el “Proyecto de Red de Recursos genéticos microbianos” en colaboración con el grupo de fisiología de nuestro instituto y grupos de producción animal de las unidades INTA Balcarce, INTA Manfredi, el Instituto de Biotecnología del INTA y con la cátedra de nutrición de la Facultad de Agronomía de la UBA.
SC: El laboratorio de Biotecnología en Brucella, Campilobacter y Microbiotas Ruminales posee una dilatada experiencia en el manejo y adaptación de técnicas de microbiología molecular. Nuestra mirada tiene una concepción de explotación biotecnológica de la información obtenida de microorganismos de interés. En este aspecto estamos evaluando genes codificantes para enzimas que podrían ser útiles en la hidrólisis de polisacarádicos complejos y en la síntesis de ácidos grasos hidroxilados, que tienen valor en diversos procesos industriales. También adaptamos técnicas basadas en PCR cuantitativa para identificar y enumerar taxones de interés en el contenido gastrointestinal de varias especies animales. Y recientemente hemos comenzado una colaboración con laboratorios de Nueva Zelanda para expresar en levaduras proteínas de arqueas metanogénicas. Las proteínas producidas serán evaluadas como inmunógenos en el diseño de vacunas contra metanogenos, conformando una estrategia basada en vacunas para mitigar la emisión de gas metano derivado de la producción animal.
28/03/2018
Fuente: INTA