Los Microrganismos del Suelo y Su arsenal en la Ayuda de la Salud Humana (La Metagonémica)

Fuente: Universidad de Berkeley: Berkeley News

Los lectores más asiduos a esta bitácora ya sabéis sobradamente que no considero acertado confundir lo que se denominan especies biológicas, con aquellas que se determinan y cuantifican actualmente mediante técnicas genómicas. Este post versará sobre un importante estudio realizado con estas últimas, aunque debo reconocer que para ciertos fines resultarán sumamente útiles, en su momento. Los autores de la publicación de Nature a la que me refiero, dicen que es la primera vez que se hace uso de la metagenómica a la hora de analizar comunidades microbianas del suelo. El objetivo perseguido estribaba en buscar nuevos compuestos sintetizados por esos microrganismos, como antibióticos, inmunodepresores, pero también también de otros con aplicaciones aplicaciones industriales. En realidad, se trata de un test, ya que no muestran aún ningún resultado concreto. Sin embargo, sus indagaciones ya muestran conclusiones que se me antojan sumamente interesantes.

 Las metagenómica atesora ventajas que no pueden soslayarse, con independencia de lo que entendamos como especies. Es bien sabido que aislar e identificar los organismos del suelo mediante las técnicas tradicionales en placas Petri, tan solo nos ofrecen una idea somera de la enorme diversidad de organismos y sustancias que componen y producen las comunidades que albergan el medio edáfico. La razón estriba en que un escaso número de bacterias, arqueas, hongos, etc., crecen en estos medios de cultivo en laboratorio, mientras que la mayoría no pueden prosperar. Pues bien, las técnicas metagenómicas pueden evadirse de tales limitaciones al secuenciar masivamente los genes de las muestras edáficas. Y al hacerlo, teniendo en cuenta sus severos constreñimientos de cómo identificar especies cuyas formas de vida se caracterizan por el flujo horizontal de genes,  nos impiden exactamente abarcar un universo mucho más rico y complejo.

 Una de las conclusiones del estudio es que existen muchas más especies de las que han sido detectadas, y como corolario, también de productos potencialmente interesantes para la salud pública, como por ejemplo, nuevos fármacos contra esas sus malditas bacterias multirresistentes a los antibióticos conocidos, que ponen en riesgo la salud de millones de personas. También los autores mentan inmunodepresores y compuestos en la lucha contra el cáncer.

 Gran parte de las de familias de bacterias  conocidas por su síntesis de antibióticos se limitan a un par de ellas, muy abundantes en el suelo. Sin embargo, el estudio detecta muchas más, la mayor parte de las cuales son muy escasas en número, siguiendo la aludida curva de Willis descrita en este post. Como corolario, estas bacterias que aparecen en escaso número son difíciles de detectar, como también las sustancias potencialmente interesantes, dadas las bajísimas concentraciones que se desprenden al medio edáfico. Y aquí la metagenómica tiene mucho que ofrecer. Abajo os dejo dos notas breves de prensa que dan cuenta del mismo trabajo, siendo una más escueta y la otra más extensa y rica en detalles.  La última explica los pasos que pretenden seguir estos investigadores para indagar esos compuestos bioquímicos que nos ayuden a mitigar parte las enfermedades infecciosas que diezman a los seres humanos. He traducido con la ayuda de Google ambas noticias, por lo que abajo podréis leer mucha más información. Eso sí, en un mundo en el que la auto- propaganda deviene en pandemia, hay que advertir que suele publicarse lo que interesa. Personalmente supongo que aún queda por recorrer un largo y tortuoso camino, aunque vayan detectándose en un futuro no muy lejano, algunos productos de gran interés. Ojalá sea así.

 Finalmente, dejar constancia que ese enorme potencial aún desconocido es generado por la enorme diversidad de esas especies en apariencia poco importantes, debido a su escaso número de individuos. La biodiversidad siempre ofrece unas ventajas inimaginables para muchos.

 Juan José Ibáñez

Continua……..

Genetic soil prospecting yields wealth of potential antibiotics

June 13, 2018, University of California – Berkeley

 Soil microbes produce many types of chemicals that could potentially be turned into antibiotics, drugs or industrial chemicals. UC Berkeley and Berkeley Lab researchers have found a way to mine this treasure trove by sequencing all the DNA.

Soil, the source of our best antibiotics, can be more thoroughly mined for new drugs and other useful chemicals with the help of metagenomics, according to University of California, Berkeley, scientists.

In a paper appearing June 13 in the journal Nature, the researchers report sequencing the genomes of every microbe in a teaspoon of soil—so-called metagenomic sequencing—and turning up hundreds of genes for complex and potentially useful molecules that would not have been found otherwise because the microbes cannot be grown in a petri dish.

 La prospección genética del suelo produce una gran cantidad de posibles antibióticos

13 de junio de 2018, Universidad de California – Berkeley

 Los microbios del suelo producen muchos tipos de sustancias químicas que podrían convertirse en antibióticos, medicamentos o sustancias químicas industriales. Investigadores de UC Berkeley y Berkeley Lab han encontrado una manera de explotar este tesoro al secuenciar todo el ADN.

Según la Universidad de California, Berkeley, científicos, el suelo, la fuente de nuestros mejores antibióticos, puede ser minado más a fondo para buscar nuevos fármacos y otros productos químicos útiles con la ayuda de la metagenómica.

En un artículo que apareció el 13 de junio en la revista Nature, los investigadores informan sobre la secuenciación de los genomas de cada microbio en una cucharadita de tierra, denominada secuenciación metagenómica, y que muestran cientos de genes para moléculas complejas y potencialmente útiles que no se hubieran encontrado. De lo contrario, porque los microbios no se pueden cultivar en una placa de Petri.

 The genes, many from previously unknown groups of bacteria, likely produce antibiotics or antifungals that the microbes make to defend themselves and which may also be able to combat bacterial or fungal infections in humans.

The search for new antibiotics has become imperative as disease-causing bacteria become increasingly resistant to current drugs while the pipeline of new antibiotics has slowed to a trickle. The Centers for Disease Control and Prevention estimates that each year in the United States, at least 2 million people become infected with bacteria that are resistant to antibiotics and at least 23,000 people die as a direct result of these infections.

 Los genes, muchos de ellos de grupos de bacterias previamente desconocidas, parecen producir antibióticos o antifúngicos que los microbios producen para defenderse y que también pueden combatir las infecciones bacterianas o por hongos en los seres humanos.

 La búsqueda de nuevos antibióticos se ha vuelto imperativa a medida que las bacterias causantes de enfermedades se vuelven cada vez más resistentes a los medicamentos actuales, mientras que la línea de nuevos antibióticos se ha reducido a un goteo. Los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades estiman que cada año en los Estados Unidos, al menos 2 millones de personas se infectan con bacterias resistentes a los antibióticos y al menos 23,000 personas mueren como resultado directo de estas infecciones.

 From 60 separate 10-gram samples obtained at depths from 4 to 16 inches under a meadow in northern California, the team was able to assemble the genomes of about 1,000 different microbes, both bacteria and Archaea. They are now reporting 360 of them as newly identified bacterial species that are able to produce complex molecules, many of them resembling known antibiotics.

This is the most complex microbial community ever sequenced and assembled through metagenomics, the researchers say. Humus-rich soil is suspected to contain tens of thousands of distinct microbes, most at low numbers. The 1,000 genomes the team was able to assemble varied enormously in abundance: a few genomes each represented about 1 percent of the microbial species in the soil, but most were hundreds to thousands of times more rare.

 De 60 muestras separadas de 10 gramos cada una, obtenidas a profundidades de 4 a 16 pulgadas bajo un prado en el norte de California, el equipo pudo reunir los genomas de aproximadamente 1,000 microbios diferentes, ambas bacterias y Arqueas. Los autores informan que al menos 360 de ellas, nuevas  especies bacterianas para la ciencia, son capaces de producir moléculas complejas, muchas de ellas parecidas a antibióticos conocidos.

 Según los investigadores, se trata de la comunidad microbiana más compleja jamás secuenciada y ensamblada a través de la metagenómica. Se sospecha que el suelo rico en humus contiene decenas de miles de microbios distintos, la mayoría en cantidades bajas. Los 1,000 genomas que el equipo pudo reunir variaban enormemente en abundancia: unos pocos genomas representaban aproximadamente el 1 por ciento de las especies microbianas en el suelo, pero la mayoría eran cientos o miles de veces más raras.

 «Soil is the last frontier from the perspective of genome-resolved metagenomics,» said Jill Banfield, a UC Berkeley professor of earth and planetary science and of environmental science, policy and management and program lead for the microbiology component of the campus’s Innovative Genomics Institute. «It is just full of many, many, many different types of organisms, a lot of them closely related and present in fairly low abundances, so it is hard to tease them apart.»

El suelo es la última frontera desde la perspectiva de la metagenómica resuelta por el genoma«, dijo Jill Banfield, profesora de ciencias terrestres y planetarias y de ciencia ambiental, política y gestión ambiental de UC UC para el componente de microbiología del Instituto de Genómica Innovadora del campus. . «El suelo alberga muchos, muchos, muchos tipos diferentes de organismos, muchos de ellos estrechamente relacionados y presentes en abundancia bastante baja, por lo que resulta difícil aislar e identificarlos«.

Read more at: https://phys.org/news/2018-06-genetic-soil-prospecting-yields-wealth.html#jCp.

Soil prospecting yields wealth of potential antibiotics (Berkeley)

By Robert Sanders, Media relations| June 13, 2018

Soil, the source of our best antibiotics, can be more thoroughly mined for new drugs and other useful chemicals with the help of metagenomics, according to UC Berkeley scientists.

Soil microbes produce many types of chemicals that could potentially be turned into antibiotics, drugs or industrial chemicals. UC Berkeley and Berkeley Lab researchers have found a way to mine this treasure trove by sequencing all the DNA in the thousands of microbes in soil, a technique called metagenomics. Zosia Rostomian image, Berkeley Lab.

In a paper appearing June 13 in the journal Nature, the researchers report sequencing the genomes of every microbe in a teaspoon of soil – so-called metagenomic sequencing – and turning up hundreds of genes for complex and potentially useful molecules that would not have been found otherwise because the microbes cannot be grown in a petri dish.

The genes, many from previously unknown groups of bacteria, likely produce antibiotics or antifungals that the microbes make to defend themselves and which may also be able to combat bacterial or fungal infections in humans.

The search for new antibiotics has become imperative as disease-causing bacteria become increasingly resistant to current drugs while the pipeline of new antibiotics has slowed to a trickle. The Centers for Disease Control and Prevention estimates that each year in the United States, at least 2 million people become infected with bacteria that are resistant to antibiotics and at least 23,000 people die as a direct result of these infections.

From 60 separate 10-gram samples obtained at depths from 4 to 16 inches under a meadow in northern California, the team was able to assemble the genomes of about 1,000 different microbes, both bacteria and Archaea. They are now reporting 360 of them as newly identified bacterial species that are able to produce complex molecules, many of them resembling known antibiotics.

This is the most complex microbial community ever sequenced and assembled through metagenomics, the researchers say. Humus-rich soil is suspected to contain tens of thousands of distinct microbes, most at low numbers. The 1,000 genomes the team was able to assemble varied enormously in abundance: a few genomes each represented about 1 percent of the microbial species in the soil, but most were hundreds to thousands of times more rare.

“Soil is the last frontier from the perspective of genome-resolved metagenomics,” said Jill Banfield, a UC Berkeley professor of earth and planetary science and of environmental science, policy and management and program lead for the microbiology component of the campus’s Innovative Genomics Institute. “It is just full of many, many, many different types of organisms, a lot of them closely related and present in fairly low abundances, so it is hard to tease them apart.“

Antibiotics and antifungals

Though the researchers don’t yet know the exact chemical structures of the hundreds of complex molecules they predict these microbes produce or what these molecules do, they have teamed up with other biologists to find out. They intend to synthesize more than 20 of the newly found genes so that they can be inserted into other organisms where they will be expressed to produce a protein. Then they’ll try to pin down what these proteins do and, if they’re enzymes, what complex molecules they make and whether these molecules have antibiotic or other novel properties.

Si bien los investigadores aún desconocen las estructuras químicas exactas de los cientos de moléculas complejas que predicen ser producidas por estos microbios, como tampoco la función de estas moléculas, se han unido con otros biólogos para averiguarlo. Pretenden sintetizar más de 20 de los genes recién encontrados para que puedan insertarse en otros organismos donde se expresarán para producir una proteína. Luego intentarán determinar qué hacen estas proteínas y, si son enzimas, qué moléculas complejas producen y si estas moléculas tienen antibióticos u otras propiedades novedosas.

Aside from antibiotic or antifungal activity, these molecules may have functions that can be adapted for the laboratory or industry, much as the CRISPR-Cas9 system was plucked from bacteria to become a revolutionary new gene-editing tool. In the past, soil microbes have been the source of an anticancer drug and an immunosuppressant used to prevent organ rejection.

“Most of these new biosynthetic molecules are coming out of what people know to be the most abundant bacteria in soil, they just hadn’t been found because people didn’t have genomes for them,” Banfield said. “We expect to find novel antibiotics, which could help humanity, but also novel pharmaceuticals more broadly.”

 Al margen de las mentadas actividades antibiótica o antifúngica, estas moléculas pueden atesorar otras funciones que podrían tener aplicaciones en diversos ámbitos de los laboratorios e industrias, al igual que el sistema CRISPR-Cas9 fue arrancado de las bacterias para convertirse en una nueva herramienta revolucionaria de edición de genes. En el pasado, los microbios del suelo han sido la fuente de un medicamento contra el cáncer y un inmunosupresor utilizado para prevenir el rechazo de órganos.

«La mayoría de estas nuevas moléculas biosintéticas están surgiendo de las bacterias que no se encuentran entre las bacterias edáficas más abundantes y conocidas, simplemente no se encontraron porque las personas no podían detectar y aislar sus genomas», dijo Banfield. «Esperamos encontrar nuevos antibióticos, que podrían ayudar a la humanidad, pero también a nuevos productos farmacéuticos en general«.

While some researchers in recent years have prospected for antibiotics by extracting DNA from soil and inserting it randomly into bacteria to see what comes out, this “functional metagenomics” can miss molecules made by large clusters of genes, Banfield said.

Aunque algunos investigadores en los últimos años han buscado antibióticos extrayendo ADN del suelo e insertándolo al azar en las bacterias para ver qué sale, esta «metagenómica funcional» puede pasar por alto las moléculas creadas por grandes grupos de genes, dijo Banfield.

“Traditionally people have gone to the soil and tried to isolate some of the microbes on a plate of agar, but a very small percentage, less than 1 percent, of the microbes in the soil are able to grow on agar,” said lead author Alexander Crits-Christoph, a UC Berkeley graduate student. “That’s why so many of the antimicrobials we use today come from a couple of families of bacteria. When you assemble these genomes from the environment, you don’t have that selection effect; you get all the stuff that is actually there. This is a targeted approach.”

«Tradicionalmente, los expertos han tratado de buscar primero y aislar después, algunos de los microbios en una placa de agar. Sin embargo, un porcentaje muy pequeño, menos del 1%, de los microorganismos edáficos son capaces de crecer en agar», dijo el autor principal. Alexander Crits-Christoph, un estudiante graduado de UC Berkeley. Como resultado, muchos de los antimicrobianos que utilizamos hoy provienen de un par de familias de bacterias. Cuando ensamblas estos genomas del entorno, no tienes ese efecto de selección; obtienes todas las cosas que realmente están ahí.  Este es un enfoque dirigido «.

Meadow microbes

The soil samples were obtained from a meadow at Angelo Coast Range Reserve in Mendocino County, from plots that had been monitored for 15 years as part of a climate change study. Sixty samples were sequenced at the Department of Energy’s Joint Genome Institute and the DNA assembled into genomes by co-author Spencer Diamond, a postdoctoral fellow in the Banfield lab, as part of a DOE study focused on carbon cycling in soil. The researchers estimate that the thousand high-quality genomes represent between 20 and 40 percent of all the microbes in the soil samples.

(..) Los investigadores estiman que los mil genomas de alta calidad representan entre el 20 y el 40% de todos los microbios de las muestras estudiadas.

Crits-Christoph scanned the 1,000 nearly complete microbial genomes in search of genes that resemble the genes for other soil-derived antibiotics. Erythromycin is a polyketide, for example, while vancomycin, daptomycin and bacitracin are nonribosomal peptides. He found more than 1,000 polyketide and nonribosomal peptide genes produced by about one-third of the microbes with assembled genomes.

Crits-Christoph exploró los 1,000 genomas microbianos casi completos en busca de genes que se pareciran a los de otros antibióticos derivados del suelo. La eritromicina es un policétido, por ejemplo, mientras que la vancomicina, daptomicina y bacitracina son péptidos no ribosómicos. Encontró más de 1,000 genes de policétidos y péptidos no ribosómicos producidos por aproximadamente un tercio de los microbios con genomas ensamblados.

He also looked for potential antibiotic resistance genes near the gene clusters that were identified in the study, a search strategy that works because microbes making antibiotics must first make themselves resistant so as not to commit suicide. And he looked to see when the gene clusters already identified turned on at the same time as genes for microbial competitive behavior and social interactions, because the gene clusters can be important mediators of microbial interactions in soils.

También indagó posibles genes de resistencia a los antibióticos cerca de los grupos de genes que se identificaron en el estudio, una estrategia de búsqueda que funciona ya que los microrganismos producen antibióticos a las que deben primero hacerse resistentes y así evitar su propio suicidio. Seguidamente indagó cuándo los grupos de genes ya identificados se activaban simultáneamente que los genes para el comportamiento competitivo microbiano y las interacciones sociales, porque los grupos de genes pueden ser mediadores importantes de las interacciones microbianas en los suelos.

“The chemical ecology of these microbes is really interesting too,” Banfield said. “These are molecules that organisms make to communicate and compete for resources and to acquire resources. Some of them may be quite important to dissolving minerals, for example, to obtain nutrients. They can tell us how these organisms interact with each other.”

The team discovered a large number of biosynthetic genes in novel members of the Acidobacteria, the most abundant bacterial phylum in soil biomes. Two completely new Acidobacterial genomes from different lineages each encoded up to 15 large antibiotic-like gene clusters.

«La ecología química de estos microbios también es muy interesante«, dijo Banfield. “Estas son moléculas que los organismos crean para comunicarse y competir por los recursos y para adquirir recursos. Algunos de ellos pueden ser muy importantes para disolver minerales, por ejemplo, para obtener nutrientes. Más concretamente nos pueden informar a cerca de como los organismos interactúan entre sí «.

El equipo descubrió una gran cantidad de genes biosintéticos en nuevos miembros de las acidobacterias, el phylum bacteriano más abundante en los biomas del suelo. Dos genomas acidobacterianos completamente nuevos de diferentes linajes codificaron hasta 15 grupos grandes de genes de tipo antibiótico.

“Two years ago, if you asked people what microbes antibiotics come from, they would say actinomycetes and bacilli, two classes of microbes that really defined microbial antibiotics,” Diamond said. “Now, this study opens an entire new forest, filled with completely new classes of organisms that could conceivably be targets for antibiotic prospecting.”.

«Hace dos años, si le preguntaban a la gente de qué microbios procedían los antibióticos, dirían que de actinomicetos y bacilos, dos clases de microbios que realmente definían los antibióticos microbianos», dijo Diamond. «Ahora, este nuevo estudio abre un paisaje completamente nuevo, rico y novedoso, en el que detectar clases completamente nuevas de organismos que podrían ser objetivos para la prospección de antibióticos«.

Other co-authors of the study are Cristina Butterfield and Brian Thomas. The work was funded by the Department of Energy (DOE-SC10010566) and Innovative Genomics Institute.