La sopa bacteriana aparentemente caótica del microbioma intestinal está más organizada de lo que parece y sigue algunas de las mismas leyes ecológicas que se aplican a las aves, los peces, las selvas tropicales e incluso a los complejos mercados económicos y financieros, según un nuevo artículo en Microbiología de la naturaleza por investigadores del Centro médico Irving de la Universidad de Columbia.
Uno de los principales desafíos que enfrentan los investigadores que estudian el microbioma intestinal es su gran tamaño y sorprendente complejidad organizativa. Muchos billones de bacterias, que representan miles de especies diferentes, viven en el tracto intestinal humano, interactuando entre sí y con el medio ambiente en innumerablesy constantemente cambiando formas.
El descubrimiento del estudio de múltiples principios de la dinámica bacteriana intestinal debería ayudar a los investigadores a comprender qué hace que un microbioma intestinal sea saludable, cómo puede perturbarse en enfermedades y dietas poco saludables, y también sugerir formas en que podríamos alterar los microbiomas para mejorar la salud.
La dinámica del microbioma intestinal sigue siendo poco conocida
Aunque las tecnologías actuales de secuenciación de ADN permiten identificar y rastrear bacterias en el intestino con el tiempo, "los procesos biológicos que rigen los cambios a corto y largo plazo en el microbioma intestinal siguen siendo muy poco conocidos", dice el autor principal del estudio,Dennis Vitkup, PhD, profesor asociado de biología de sistemas y de informática biomédica en el Colegio de Médicos y Cirujanos Vagelos de la Universidad de Columbia.
Como primer paso para identificar los factores que describen las comunidades microbianas en el intestino, Vitkup y sus coautores, los estudiantes graduados Brian W. Ji y Ravi U. Sheth y los científicos de investigación Purushottam Dixit y Konstantine Tchourine, buscaron relaciones matemáticas que describanLos cambios dinámicos del microbioma intestinal de cuatro personas sanas se siguieron durante un año. También analizaron los datos del microbioma obtenidos para ratones alimentados con dietas altas en fibra o altas en grasas todos los días durante varias semanas.
Con estos datos, los investigadores exploraron conexiones estadísticas entre varios aspectos de la dinámica de los microbiomas, como las fluctuaciones y la abundancia de varias bacterias a lo largo del tiempo, o el promedio de veces que diferentes microbios residen continuamente en el intestino humano ". Hasta ahora, ha sidouna pregunta abierta si hay leyes naturales que describan la dinámica de estas comunidades bacterianas complejas ", dice Vitkup.
Las fluctuaciones caóticas siguen las leyes estadísticas
Como era de esperar, descubrieron grandes fluctuaciones en la composición y los cambios diarios de los microbiomas intestinales humanos y de ratón. Pero sorprendentemente, estas fluctuaciones aparentemente caóticas siguieron varias leyes ecológicas elegantes.
"Similar a muchas ecologías animales y mercados financieros complejos, un microbioma intestinal sano nunca está realmente en equilibrio", dice Vitkup. "Por ejemplo, el número de una especie bacteriana particular en el primer día nunca es el mismo en el segundo día, yetc., fluctúa constantemente, como las existencias en un mercado financiero o el número de animales en un valle, pero estas fluctuaciones no son arbitrarias. De hecho, siguen patrones predecibles descritos por la ley de poder de Taylor, un principio bien establecido en la ecología animal quedescriba cómo se relacionan las fluctuaciones con el número relativo de bacterias para diferentes especies "
Otras leyes descubiertas del microbioma intestinal también siguieron los principios frecuentemente observados en las ecologías animales y los sistemas económicos, incluida la tendencia de la abundancia de bacterias intestinales a desviarse lenta pero previsiblemente con el tiempo y la tendencia de las especies a aparecer y desaparecer del microbioma intestinal en condiciones predeciblesveces.
"Es sorprendente que las comunidades biológicas microscópicas, que son aproximadamente seis órdenes de magnitud más pequeñas que los ecosistemas macroscópicos analizados anteriormente, parecen estar gobernadas por un conjunto similar de principios matemáticos y estadísticos", dice Vitkup.
Las leyes permiten la identificación del comportamiento bacteriano anormal
Estos principios universales deberían ayudar a los investigadores a comprender mejor qué procesos gobiernan la dinámica microbiana en el intestino. Utilizando las leyes estadísticas, los investigadores de Columbia pudieron identificar especies bacterianas particulares con fluctuaciones anormales. Estas bacterias fluctuantes se asociaron con períodos documentados deangustia intestinal o viajar a países extranjeros en humanos proporcionando datos para el estudio. Por lo tanto, este enfoque puede permitir de inmediato a los investigadores comprender e identificar qué bacterias específicas están fuera de línea y se comportan de una manera potencialmente dañina.
Utilizando datos de ratones, los investigadores también observaron que los microbiomas asociados con las dietas altas en grasas no saludables se desplazan en el tiempo significativamente más rápido en comparación con los microbiomas que se alimentan con dietas altas en fibra más saludables. Esto demuestra que las leyes ecológicas pueden aplicarse para comprender cómo pueden afectar diversos cambios en la dietaquizás alivia inestabilidades persistentes de microbioma.
Microbioma intestinal como laboratorio ecológico en miniatura
El estudio realizado por investigadores de Columbia también abre una oportunidad emocionante para utilizar las comunidades microbianas intestinales como un sistema modelo para explorar las relaciones ecológicas generales. "Los ecologistas han debatido durante años por qué y cómo surgen estas leyes ecológicas naturales, sin respuestas claras", diceVitkup: "La investigación ecológica previa se ha limitado principalmente a estudios de observación, que pueden llevar décadas realizar en animales y plantas. Y algunos experimentos clave, como la adición o eliminación de especies particulares, simplemente no se pueden realizar".
El microbioma intestinal, por el contrario, proporciona un laboratorio en miniatura ideal, donde los investigadores podrían manipular fácilmente diferentes variables, como el número y la composición de los microorganismos, y luego explorar varios aspectos de las influencias ambientales ". Uno de nuestros próximos objetivos es comprenderel origen de estas leyes ecológicas generales que utilizan microbiota intestinal ", dice Vitkup.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Centro médico Irving de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :