Cada vez es más claro que las miles de diferentes bacterias que viven en nuestro tracto intestinal, nuestro microbioma, tienen un impacto importante sobre nuestra salud. Sin embargo, los detalles de los efectos del microbioma aún no están claros. Un estudio del Instituto Weizmann que fue recientemente publicado en Science, sugiere que el tema debe ser analizado desde un nuevo ángulo: evaluar qué tan rápido crecen las distintas bacterias. Este enfoque ya está revelando intrigantes vínculos entre la tasa de crecimiento bacteriana y enfermedades como la diabetes tipo II y la enfermedad inflamatoria intestinal. El nuevo método computacional puede aclarar procesos dinámicos como el crecimiento a partir de una imagen estática de una muestra individual, y podría tener por lo tanto implicaciones tanto en el diagnóstico como en la creación de nuevas líneas de investigación.
Tal Korem y David Zeevi, estudiantes de investigación en el laboratorio del Prof. Eran Segal, del Departamento de Ciencias de la Computación y Matemáticas Aplicadas, dirigieron la investigación y colaboraron con Jotham Suez, un estudiante de investigación del laboratorio del Dr. Eran Elinav, del Departamento de Inmunología, y la Dra. Adina Weinberger, investigadora asociada del laboratorio de Segal. El estudio comenzó con las técnicas avanzadas de secuenciación genómica utilizadas en varios estudios actuales del microbioma, en las cuales se secuencia todo el ADN bacteriano de la muestra. De las pequeñas secuencias, ellos construyen una imagen de los distintos tipos de bacterias y sus abundancias relativas. Sin embargo, el equipo del Instituto Weizmann se dio cuenta de que esta técnica de secuenciación puede dar otro tipo de información.
“Las bacterias de la muestra hacen lo que mejor saben hacer las bacterias: realizar copias de su genoma para poder dividirse”, dice Segal. “Por lo que la mayoría de las bacterias contienen más de un genoma, un genoma y medio, por ejemplo, o un genoma y tres cuartos”. Debido a que la mayoría de las cepas bacterianas tienen códigos pre-programados de “inicio” y “fin”, el equipo fue capaz de identificar la secuencia corta más abundante en la muestra como el punto de “inicio”. La menos abundante, en la otra punta del genoma, era el ADN que es copiado al final. Los investigadores descubrieron que al analizar las cantidades relativas del ADN de inicio y de final, se puede obtener la tasa de crecimiento de cada cepa bacteriana.
El grupo probó experimentalmente esta formulación, primero en cultivos de
una sola cepa en los cuales la tasa de crecimiento podía ser controlada y observada, posteriormente en sistemas modelos de múltiples animales, y finalmente en las secuencias de ADN de microbiomas humanos, en su total complejidad.
En su análisis de datos de microbiomas humanos, por ejemplo, el grupo descubrió que cambios particulares en las tasas de crecimiento bacteriano están asociados de manera única con la diabetes tipo II, y otros cambios están relacionados con la enfermedad inflamatoria intestinal. Estas asociaciones no fueron encontradas en estudios estáticos de poblaciones de microbioma. De este modo, el método podría ser utilizado en un futuro como una herramienta de diagnóstico para detectar enfermedades o infecciones patogénicas en etapas tempranas, o para determinar los efectos de tratamientos probióticos o antibióticos. Además, los investigadores esperan que esta nueva comprensión del microbioma estimule futuras investigaciones sobre las conexiones entre el complejo ecosistema dinámico dentro nuestro y nuestra salud.
En esta investigación participaron también Tali Avnit-Sagi, Maya Pompan-Lotan, Nadav Cohen y Elad Matot, del laboratorio de Segal; Christoph A. Thaiss y la Dra. Meirav Pevsner-Fischer, del laboratorio de Elinav; el Dr. Ghil Jona y el Prof. Alon Harmelin, del Instituto Weizmann; la Dra. Alexandra Sirota-Madi y el Prof. Ramnik Xavier, de la Escuela de Medicina de Harvard y del Instituto Broad; y el Prof. Rotem Sorek, del Instituto Weizmann.
Los proyectos de Investigación del Dr. Eran Elinav son financiados por la Fundación Abisch Frenkel para la Promoción de las Ciencias Biológicas; el Fondo de la Familia Gurwin para la Investigación Científica; el Fondo de Beneficencia Leona M. y Harry B. Helmsley; el Fondo Crown de Investigación en Inmunología; la Fundación Adelis; la Fundación Rising Tide; la Cátedra de Investigación Vera Rosenberg Schwartz; Yael y Rami Ungar, Israel; John L. y Vera Schwartz, Pacific Palisades, California; Alan Markovitz, Canadá; Leesa Steinberg, Canadá; Andrew y Cynthia Adelson, Canadá; el Fondo Jack Gitlitz; el Fondo Lydia Hershkovich; y el Sr. y la Sra. Donald L. Schwarz, Sherman Oaks, California. El Dr. Elinav es titular de la Cátedra Rina Gudinski de Desarrollo Profesional.