Los científicos crearon un microbioma humano desde cero

Nuestro cuerpo alberga cientos o miles de especies de microbios, pero nadie sabe con certeza cuántos son. Este es solo uno de los muchos misterios del llamado microbioma humano.

Nuestro ecosistema interno se defiende de los patógenos, ayuda a digerir los alimentos e incluso puede influir en el comportamiento, pero los investigadores aún no determinan con exactitud qué hacen los microbios o cómo. Muchos estudios sugieren que muchas especies tienen que trabajar juntas para realizar cada una de las tareas del microbioma.

Para entender mejor cómo afectan los microbios a nuestra salud, los científicos han creado por primera vez un microbioma humano sintético, mediante la combinación de 119 especies de bacterias que se encuentran de manera natural en el cuerpo humano. Cuando los investigadores les dieron la mezcla a ratones que no tenían un microbioma propio, las cepas bacterianas se instauraron y se mantuvieron estables, aun cuando los científicos introdujeron otros microbios.

El nuevo microbioma sintético incluso es capaz de resistir patógenos agresivos y hacer que los ratones desarrollen un sistema inmunitario sano, como hace un microbioma completo. Los resultados se publicaron el 6 de septiembre en la revista Cell.

Si comprendemos mejor el microbioma, habría posibilidades de tratar un montón de enfermedades de una manera más poderosa. Los médicos ya pueden utilizar el microbioma para tratar las infecciones intestinales de la bacteria Clostridium difficile, que en ocasiones son mortales. Solo tienen que trasplantar heces fecales de un donante sano y la infección suele desaparecer.

“Funciona asombrosamente bien”, afirmó Alice Cheng, gastroenteróloga de la Universidad de Stanford, quien dirigió el estudio nuevo.

Ahora Cheng y sus colegas pueden usar el nuevo microbioma sintético para conocer la función de cada microbio, un conocimiento que se espera ayude a los médicos a abordar otros trastornos. Por ejemplo, los científicos podrían hacer una mezcla de 118 de las 119 especies en el laboratorio y luego ver cómo el microbioma modificado afecta la salud de los ratones.

Antes del siglo XXI, la mayor parte de lo que se sabía sobre el microbioma humano procedía de las pocas especies que los investigadores conseguían cultivar en una placa de Petri. A principios de la década del 2000, los científicos lograron un gran avance al extraer el ADN de muestras de saliva, heces y piel humanas. Con esas secuencias genéticas a la mano, crearon un catálogo de especies que viven en nuestro cuerpo.

La lista era muy larga y muchas especies eran nuevas para los microbiólogos. Además, la mayoría de las especies viven en algunas personas, pero no en otras, lo cual resulta más confuso. No existe un único microbioma humano.

Varios investigadores recurrieron a los ratones para conocer mejor algunos de estos organismos desconocidos. Criaron animales sin gérmenes en jaulas estériles y luego introdujeron en sus intestinos un caldo hecho con heces humanas. A continuación, los microbios de ese trasplante fecal comenzaron a replicarse en los animales.

Algunos investigadores se han enfrentado a este desafío y les han dado a ratones libres de gérmenes una sola especie de microbios para observar su efecto; sin embargo, esos experimentos tienen sus propios límites, ya que muchos microbios no funcionan bien si no tienen compañeros ecológicos que les ayuden.

Los científicos han probado darles a los ratones sin gérmenes ciertas combinaciones de microbios, pero hasta ahora, incluso en los intentos más exitosos, los ratones trasplantados han mostrado la presencia de menos de 20 especies, no los cientos que viven en los humanos. Estos microbiomas en miniatura provocan que los ratones tengan sistemas inmunitarios y metabolismos poco desarrollados. “Terminas con un ratón que no funciona”, dijo Lora Hooper, inmunóloga del Centro Médico de la Universidad de Texas Southwestern, quien no participó en el estudio nuevo.

En 2017, Cheng y su colega en Stanford, Michael Fischbach, mantuvieron largas conversaciones sobre cómo superar las deficiencias de los estudios anteriores. “Necesitábamos construir un ecosistema desde cero”, aseveró Fischbach.

Sabían que sería difícil cultivar una gran variedad de microbios en el laboratorio y era muy posible que, estando dentro de un ratón, su ecosistema fallara. “En ese momento, no podíamos esperar que funcionara”, dijo Fischbach.

En primer lugar, Cheng y sus colegas elaboraron una lista de 166 especies que se han encontrado en un porcentaje considerable de personas. Cuando se pusieron en contacto con laboratorios y empresas, obtuvieron 104.

Cheng descubrió que las 104 especies creaban un ecosistema estable dentro de los ratones. Los microbios no solo perduraron en los animales, sino que la estructura del ecosistema no cambió. Algunos microbios se volvieron abundantes al poco tiempo y así permanecieron; otros escasearon, pero nunca desaparecieron; y el mismo ecosistema surgió una y otra vez en diferentes ratones.

“Es sorprendente cómo más de cien cepas del intestino humano forman una comunidad estable y resistente”, comentó Kiran Patil, biólogo de la Universidad de Cambridge, quien no participó en el estudio. “Es como un rompecabezas de cien piezas que parece desalentador, pero luego solo hay que mezclar y agitar las piezas, y ¡listo! El rompecabezas se resuelve solo”.

A continuación, Cheng y sus colegas pusieron a prueba su microbioma: trasplantaron heces de voluntarios humanos en los ratones. ¿El microbioma sintético de los animales tendría la resistencia necesaria para soportar el ataque?

Así fue: solo desaparecieron siete de las especies originales. Algunas de las especies nuevas encontraron huecos en el ecosistema y se convirtieron en una parte estable del microbioma.

“Me acosté en un sofá y me quedé mirando el tragaluz”, dijo Cheng. “En ese momento pensé: ‘No puedo creer que haya funcionado’”.

A partir de ese segundo experimento, Cheng y sus colegas perfeccionaron su microbioma. Seleccionaron las 22 especies recién llegadas que tuvieron más éxito y las añadieron a su zoológico microbiano, hasta tener un total de 119 especies.

Este microbioma nuevo, al que han llamado hCom2, es aún más resistente que la primera versión. Cuando los científicos les administraron a los ratones hCom2 un trasplante de heces, ninguno de los microbiomas recién llegados pudo establecerse en los animales.

Los investigadores también probaron lo bien que podían reaccionar los ratones frente a una cepa de E. coli potencialmente letal. En experimentos anteriores, los científicos han descubierto que esta cepa puede explotar en los intestinos de los ratones que tienen un microbioma pequeño de 12 especies.

Cheng y sus colegas les administraron a sus ratones hCom2 una dosis de E. coli y descubrieron que resistían a los invasores tan bien como los ratones que recibieron una muestra de heces humana completa.

El microbioma hCom2 también tuvo el mismo tipo de influencia en sus huéspedes que un microbioma completo. Los ratones produjeron niveles saludables de fluidos digestivos en el intestino y desarrollaron sistemas inmunitarios completos que no se encuentran en los ratones sin gérmenes.

Cheng y sus colegas ya empezaron a hacer experimentos en los que dejan fuera ciertos microbios del coctel para entender mejor cómo funciona su microbioma. También están proporcionando su banco de microbios a otros investigadores que quieran realizar sus propios experimentos.

Cuando se le preguntó si tenía la intención de utilizar el microbioma sintético para su propia investigación, Hooper respondió de manera concisa: “Por supuesto que sí”.

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