El Microbioma del Suelo (un ejemplo de las praderas norteamericanas)

Las extensas paraderas de Kansas. Fuente: Colaje Google imágenes

 La nota de prensa de la que vamos a hablar hoy nos informa de la enorme diversidad de especies bacterianas  en las extensas praderas de Kansas. Para ilústralo escojamos tres breves fragmentos: “el suelo es testigo de la increíble diversidad y el caos de la vida dentro de incluso el puñadito más pequeño de tierra. Sólo una cucharadita de suelo de Kansas contiene decenas de miles de especies microbianas” (…) “Jansson considera que la labor de desentrañar las comunidades microbianas del suelo resulta ser una tarea especialmente difícil ya que existe una diversidad enorme. Los científicos estiman de 50 a 100 veces más especies microbianas las que habitan una muestra de suelo típico que  en el intestino humano. Además, la mayoría de los microbios del suelo nunca han sido cultivados en un laboratorio en el que se podrían estudiar a fondo” (…).  «El suelo es uno de los ecosistemas más complejos y diversos del planeta. Es un sustrato tridimensional complejo; No hay nada que se le parezca«. Ya os hemos ido informando acerca de la extraordinaria diversidad de los organismos del suelo. Empero hablar de especies bacterianas resulta ser un tema más que espinoso, yo diría que es como andar por arenas movedizas, o navegar por aguas turbulentas, como podréis por ejemplo ver aquí: genómica bacteriana”. Por lo tanto la pregunta/respuesta  del millón de euros sería pues: ¿cómo se puede cuantificar la diversidad de bacterias de un volumen dado del suelo, si no disponemos de un concepto aceptado de las mismas, como ocurre con todos o casi todos los procariotas?. Empero cuando la maquinaria de la secuenciación masiva de los “toca genes” se pone en marcha, no hay falta de conceptos que les frene. Ellos estiman la variedad genética, es decir el microbioma del suelo en su conjunto, para a la postre señalar que existen tropecientas mil especies. Punto y final.  ¿Y qué ocurre con la  de la enorme promiscuidad que implica el flujo horizontal de genes entre bacterias que no se encuentran estrechamente vinculadas desde el punto de vista filogenético?. Al parecer ¡les da igual! (La Extraordinaria Genética de los Microorganismos del Suelo).

Personalmente me interesa, como a casi todos los lectores el microbioma del suelo. Ahora bien este es un problema y la diversidad de especies otro distinto, hasta que alguien desenrede la enmarañada madeja, o acierte milagrosamente a regalarnos con un concepto de especie apto para todo al árbol de la vida.  Y hoy por hoy no se atisban respuestas en el horizonte.

 En cualquier caso, debido al perfeccionamiento de los progresos realizados para las secuenciaciones masivas del genoma de las muestras, así como de su velocidad de procesamiento, los “toca genes” se asombran de todo.  Y así conforme mejoran estas técnicas instrumentales y se exploran más hábitats y muestras, más cara de bobos se les pone y más tonterías redactan en la literatura científica (ver por ejemplo el post El Microbioma del Suelo en Central Park (Nueva York).  Por lo tanto, y por citar un caso cualquiera, si un día, a un equipo de investigadores se le “escurre” la hedionda idea de estudiar los virus que contienen  las aguas residuales, no debe extrañarnos en absoluto que nos vengan a decir algo así como: Hallado el Mayor Punto Caliente de biodiversidad Vírica del Planeta: Las Aguas Residuales”. Un paper más en una revista de campanillas, una muesca a añadir al revolver del pistolero. Entre toda esta la retórica que podréis leer en la nota de prensa original que se esconde una única novedad que resulta ser: “(…) incluyen la primera reconstrucción del genoma completo de un solo microbio en un muestra de suelo complejo. Otros grupos han reconstruido los genomas completos de los microbios de ambientes menos complejos, incluidas las minas, tapetes microbianos, y el microbioma humano”. Es decir aislaron un microrganismo, según ellos “entre miles”, para a la postre secuenciar su genoma. Punto y final. El resto de las cifras son tan poco creíbles que no merece la pena discutirlas. Mucho peor son otros papers que, a partir de datos de la misma naturaleza, intentan vendernos una cuantificación de la diversidad funcional de las comunidades microbianas. Quien conozca bien los temas relacionados con la biología edáfica sabrá, sin lugar a dudas, que esta última es enorme, aunque su cuantificación rigurosa no deje de ser más que una quimera.

 Realmente estas cifras son improcedentes e irracionales. Sin embargo, los análisis comparativos de los microbiomas del suelo, que se basen en las mismas técnicas e intensidad de muestreos, si deben aportar información valiosa. No hablemos pues de diversidad de especies sino de la variabilidad o variedad del microbioma. Empero en la ciencia actual, los investigadores priman impresionar al público en lugar de ofrecerle contenidos honestos, sinceros. Y así lo que podría ser importante y relevante, por efecto del “publica o perece”, se transforma en información irrelevante, confusa y confundente. Abajo os dejo con la nota de prensa, traducida rápidamente (por lo que padece de defectos), pero que os mostrará cuanta morralla puede leerse en la prensa científica actual.

Juan José Ibáñez

Teasing out the microbiome of the Kansas prairie
by Staff Writers; Richland WA (SPX) Aug 02, 2016

The Kansas prairie seems like the very picture of beauty and simplicity, with undulating fields of corn and wheat stretching as far as the eye can see. But below ground, the soil bears witness to the incredible diversity and chaos of life within even the smallest patch of ground. Just a teaspoonful of Kansas soil contains tens of thousands of microbial species. Now scientists at the Pacific Northwest National Laboratory have untangled that Kansas-based mess of microbes more fully than scientists have ever done for a sample of soil.

La pradera de Kansas parece la viva imagen de la belleza y sencillez, con ondulantes campos de maíz y el trigo que se extienden hasta donde alcanza la vista. Pero por debajo del suelo, el suelo es testigo de la increíble diversidad y el caos de la vida dentro de incluso el parche más pequeño de tierra. Sólo una cucharadita de suelo de Kansas contiene decenas de miles de especies microbianas. Ahora los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico han desentrañado ese lío con sede en Kansas de los microbios más plenamente que los científicos han hecho alguna vez para una muestra de suelo.

In one of the most in-depth looks to date at a soil metagenome – all the genetic material recovered from a sample of soil – the team reconstructed portions of the genomes of 129 species of microbes. While it’s only a tiny proportion of the estimated 100,000 species in the sample, it’s a leap forward for scientists who have had only a fraction of that success to date.

En una de las más profundidad en las miradas hasta la fecha a una metagenoma suelo – todo el material genético recuperado de una muestra de suelo – el equipo reconstruyó partes de los genomas de 129 especies de microbios. Si bien es sólo una pequeña proporción de los aproximadamente 100.000 especies de la muestra, que es un salto adelante para los científicos que han tenido sólo una fracción de ese éxito hasta la fecha.

The results include the first reconstruction of the complete genome of a single microbe ever from a complex soil sample. Other groups have reconstructed full genomes of microbes out of less complex environments, including mines, microbial mats, and the human microbiome.

Los resultados incluyen la primera reconstrucción del genoma completo de un solo microbio siempre de una muestra de suelo complejo. Otros grupos han reconstruido los genomas completos de los microbios de ambientes menos complejos, incluidas las minas, tapetes microbianos, y el microbioma humano.

 Soil microbes: Crucial for climate, environment

Microbes in soil determine in large part how the planet stores carbon, when and how carbon is released into the environment, how plants take up nutrients and how crops fare. While many people have become familiar with the community of microbes that live on us, with us, and within us – the human microbiome – the soil microbiome is lesser known but crucial for the fate of our planet. More knowledge about microbes helps scientists understand climate change and the forces that shape the health of our planet.

While scientists have made strides sorting out which species are present in complex soil samples, how those species interact remains a hugely daunting problem.

Los microbios en el suelo determinan en gran medida cómo el planeta se almacena carbono, cuándo y cómo el carbono se libera al medio ambiente, como las plantas toman los nutrientes y cómo les va cultivos. Mientras que muchas personas se han familiarizado con la comunidad de microbios que viven en nosotros (microbioma humano), con nosotros y dentro de nosotros – el microbioma humano – el microbioma del suelo es menos conocido pero crucial para el destino de nuestro planeta. Más conocimiento sobre los microbios ayuda a los científicos a entender el cambio climático y las fuerzas que dan forma a la salud de nuestro planeta.

Mientras que los científicos han hecho avances la clasificación de las especies que están presentes en las muestras de suelo complejas, cómo las especies interactúan sigue siendo un problema enorme de enormes proporciones.

«We’re trying to sort out the broad questions. What are the various microbes in the microbial community doing? Which species are very active and which seem dormant? How do they all fit together?» said microbiologist Janet Jansson, the corresponding author.

«Today we’re able to compile immense data about microbial communities very quickly, but it’s very difficult to put the information together to create a coherent picture,» she added.

«Estamos tratando de resolver las cuestiones generales. ¿Cuál es la diversidad de  microbios en la comunidades del suelo y que hacen? ¿Qué especies son muy activas y cuales se encuentran latentes? ¿Cómo encaja todo?» dijo el microbiólogo Janet Jansson, el autor correspondiente.

«Hoy en día somos capaces de recopilar datos sobre inmensa comunidades microbianas muy rápidamente, pero es muy difícil de poner la información en conjunto para crear una imagen coherente«, agregó.

Jansson turned to post-doctoral associate Richard Allen White III, the first author of the paper, to take on the challenge of disentangling the genomes.

Digging up the dirt on the Kansas prairie
The team started with data culled from a sample of uncultivated, native Kansas prairie collected at the Konza Prairie Biological Station in northeastern Kansas. Scientists compiled the genetic data previously through the Great Prairie Soil Metagenome Grand Challenge Initiative at the Joint Genome Institute, a DOE Office of Science User Facility.

The Kansas soil is from the Great Plains, where soil has high carbon content compared to other soils. Scientists like Jansson are exploring what will happen in the soil as the climate changes. For example, there could be greater release of greenhouse gases to the atmosphere if microorganisms convert carbon to carbon dioxide more rapidly.

El equipo comenzó con los datos extraídos de una muestra sin cultivar, las praderas de Kansas nativa recogido en la Estación Biológica Prairie Konza en el noreste de Kansas. Los científicos recopilaron los datos genéticos previamente a través de un proyecto denominado “Metagenoma de la Gran Pradera

El suelo de Kansas es típico de las Grandes Llanuras, donde el suelo tiene un alto contenido de carbono en comparación con otros suelos. Los científicos están explorando (…) lo que sucederá en el suelo a medida que cambia el clima. Por ejemplo, podría haber una mayor liberación de gases de efecto invernadero a la atmósfera si los microorganismos convierten el carbono en dióxido de carbono más rápidamente.

The sample under scrutiny included more than 250 billion base pairs of genetic data, mostly of microbes, which awaited a scientific team with the chutzpah to try to make sense of it. Jansson’s team took on the challenge, unraveling an amount of information approximately equal to all the data streaming through 200 cell phones in a month.

The genetic material didn’t come neatly packaged. It had been torn, split, twisted, crushed and exposed to all manner of disrespect.

La muestra bajo escrutinio incluyó a más de 250 mil millones de pares de bases de datos genéticas, la mayoría de los microbios, que esperaban un equipo científico con el descaro de tratar de hacer sentido de toda esta información. El equipo de Jansson asumió el reto, desentrañando una cantidad de información aproximadamente equivalente a los datos que fluyen a través de 200 teléfonos celulares en un mes.

El material genético no vino perfectamente embalados. Se había roto, dividido, torcido, aplastado y expuestos a todo tipo de falta de respeto.

«Imagine taking a thick book written in hundreds of different languages, chopping the book up into pieces the size of grains of rice, and then having to put it back together again,» said White. «That’s not unlike the challenge we face when we try to understand what’s going on in even a handful of soil.»

Jansson considers untangling the microbes in soil especially challenging because there is a huge diversity. Scientists estimate 50 to 100 times as many microbial species inhabit a typical soil sample than the human gut. Also, most microbes from soil have never been grown in a laboratory where they could be studied thoroughly.

Imagínese teniendo un grueso libro escrito en cientos de diferentes idiomas, cortando el libro en trozos del tamaño de un grano de arroz, y luego tener que recomponerlo todo poner y juntarlo coherentemente, «dijo White.» Eso no es a diferencia del reto al que nos enfrentamos cuando intentamos para entender lo que está pasando en incluso en un puñado de tierra «.

Jansson considera que la tarea de desenredar los microbios en el suelo es especialmente difícil porque hay una diversidad enorme. Los científicos estiman de 50 a 100 veces más especies microbianas habitan una muestra de suelo típico que el intestino humano. Además, la mayoría de los microbios del suelo nunca han sido cultivados en un laboratorio en el que se podrían estudiar a fondo

Knitting soil DNA together
Scientists use multiple techniques to knit together strings of DNA accurately. The techniques are generally a combination of sophisticated chemistry methods and software algorithms designed to make sense of genetic material. A key to the team’s success was the use of powerful supercomputers at PNNL and EMSL, the Environmental Molecular Sciences Laboratory. EMSL is a DOE Office of Science User Facility on the PNNL campus.

To do the study, White used a sequencing technology originally developed in the laboratory of his former adviser, Stephen Quake of Stanford. Scientists use the genome analysis tool to break DNA down into smaller pieces, then sequence those and assemble those into longer pieces.

Los científicos usan varias técnicas para unir las cadenas de ADN con precisión. Las técnicas son generalmente una combinación de métodos de química y algoritmos de software diseñadas para dar sentido a material genético. Una clave para el éxito del equipo fue el uso de potentes superordenadores en PNNL y EMSL, el Laboratorio de Biología Molecular del Medio Ambiente. EMSL es una EOD Oficina de Ciencia facilidad de usuario en el campus de PNNL.

Para hacer el estudio, White usó una tecnología de secuenciación desarrollado originalmente en el laboratorio de su ex asesor, Stephen Quake de Stanford. Los científicos usan la herramienta de análisis del genoma de ADN para romper en pedazos más pequeños, a continuación, secuenciar y ensamblarlos en trozos más largos

When the team combined the technology with other methods, they ended up with 10,000 pieces of DNA, each longer than 10 kilobase pairs – longer than 10,000 pairs of the biological compounds that make up DNA. Other attempts at cracking a soil metagenome have yielded much lower numbers, for instance, just 9 pieces of DNA of that length – less than one-thousandth of what the team achieved.

«Soil is one of the most complex and diverse ecosystems on the planet. It’s a complex three-dimensional substrate; there’s nothing else quite like it,» said White.

«We’re at the point where we’ve put together a few long sentences of a very large book,» he added. «We’ve gone from having a few words or parts of words to having a few sentences. But we’ve got a long ways to go. We are in our baby steps of identifying who’s in there and what they’re doing.»

Cuando el equipo combinó la tecnología con otros métodos, terminaron manipulando más de 10.000 piezas de ADN, cada una más de 10 pares de kilobases – más de 10.000 pares de los compuestos biológicos que componen el ADN. Otros intentos de romper un metagenoma suelo han dado cifras mucho más bajas, por ejemplo, a sólo 9 piezas de ADN de esa longitud – menos de una milésima parte de lo que el equipo logró.

«El suelo es uno de los ecosistemas más complejos y diversos del planeta Es un sustrato tridimensional compleja;. No hay nada que se le parezca«, dijo White.

«Estamos en el punto en que hemos preparado un par de frases largas de un libro muy grande», agregó. «Hemos pasado de tener unas cuantas palabras o partes de palabras para tener un par de frases. Pero tenemos un largo camino por recorrer. Estamos en los pasos de bebé de identificar quién está ahí y lo que están haciendo.

The results were published recently in mSystems, a publication of the American Society for Microbiology. Richard Allen White III, Eric M. Bottos, Taniya Roy Chowdhury, Jeremy D. Zucker, Colin J. Brislawn, Carrie D. Nicora, Sarah J. Fansler, Kurt R. Glaesemann, Kevin Glass, Janet K. Jansson, Molecule Long-Read Sequencing Facilitates Assembly and Genomic Binning from Complex Soil Metagenomes, mSystems, June 28, 2016