Diversidad microbiana marina global y su potencial en la bioprospección
Una nueva investigación muestra cómo se pueden utilizar los océanos para ayudar a abordar importantes desafíos como la escasez de medicamentos antimicrobianos, soluciones para la contaminación plástica y nuevas enzimas para la edición del genoma.
En los últimos 20 años, los científicos han aumentado enormemente la cantidad de genomas microbianos que han recolectado del océano. Sin embargo, ha sido difícil utilizar esta información para la biotecnología y la medicina.
Para este nuevo estudio, dirigido por BGI Research en China en colaboración con la Universidad de Shandong, la Universidad de Xiamen, la Universidad Oceánica de China (OUC), la Universidad de Copenhague (Dinamarca) y la Universidad de East Anglia (UEA) en el Reino Unido, los investigadores analizaron casi 43.200 genomas de microorganismos (bacterias, arqueas) de muestras marinas, descubriendo una amplia gama de diversidad con 138 grupos distintos.
Proporcionan nuevos conocimientos sobre cómo evolucionan los tamaños del genoma y, por ejemplo, cómo los microbios oceánicos equilibran los sistemas CRISPR-Cas (parte de su defensa inmunológica) con los genes de resistencia a los antibióticos. Muchos de estos genes se activan con antibióticos para ayudar a los microbios a sobrevivir.
Los sistemas CRISRP-Cas y los genes de resistencia a los antibióticos también forman parte del sistema inmunitario de las bacterias. Mediante métodos informáticos, el equipo descubrió un nuevo sistema CRISPR-Cas9 y 10 péptidos antimicrobianos, otra parte importante del sistema inmunitario de diferentes organismos.
Los antimicrobianos, que incluyen antibióticos, antivirales, antifúngicos y antiparasitarios, son medicamentos que se utilizan para prevenir y tratar infecciones en humanos, animales y plantas. Sin embargo, según la Organización Mundial de la Salud, la creciente resistencia causada por el uso excesivo de ciertos medicamentos amenaza la prevención y el tratamiento efectivos de una gama cada vez mayor de infecciones, por lo que es necesario encontrar nuevos tipos.
El equipo también encontró tres enzimas que pueden descomponer un plástico común que contamina los océanos, el tereftalato de polietileno (PET), otro importante problema ambiental y de salud.
Imagen: Comparación de las capacidades de degradación de plástico de las enzimas degradantes de PET terrestres y marinas.
Los experimentos de laboratorio confirmaron los hallazgos obtenidos mediante la metagenómica oceánica, mostrando su potencial utilidad. El autor principal del Reino Unido, Thomas Mock, profesor de Microbiología Marina en la Facultad de Ciencias Ambientales de la UEA, dijo que el trabajo lleva el campo de la metagenómica oceánica al "siguiente nivel".
"Este estudio destaca cómo la secuenciación metagenómica a gran escala de los microbiomas oceánicos puede ayudarnos a comprender la diversidad microbiana marina y cómo evolucionó, y a encontrar nuevos enfoques para utilizar este conocimiento en biotecnología y medicina", afirmó el profesor Mock.
"La interacción entre los microbios marinos y su entorno sustenta procesos a escala global como la fijación de carbono y el reciclaje de nutrientes. Así, estas interacciones contribuyen a la habitabilidad de la Tierra porque los océanos son el ecosistema más grande y significativo del planeta".
"Factores como la salinidad, los cambios de temperatura, la disponibilidad de luz y las diferencias de presión desde la superficie hasta el fondo del mar y desde los polos hasta los trópicos crean presiones de selección únicas que influyen en la adaptación y la coevolución de los microbios oceánicos".
"A partir de estos conocimientos, nuestro estudio utiliza el repositorio de genomas microbianos marinos recuperados de metagenomas como un recurso clave para la minería de genomas y la bioprospección. Este método nos permite descubrir nuevas herramientas genéticas y compuestos bioactivos".
Imagen: Una descripción general de la base de datos mundial del microbioma oceánico.
Los datos cubren una variedad de entornos marinos en todo el mundo, extendiéndose de polo a polo y desde la superficie hasta las fosas oceánicas más profundas. Por tanto, el estudio mejora significativamente el conocimiento de los microbiomas marinos con la creación de una nueva base de datos disponible públicamente, que incluye alrededor de 24.200 genomas a nivel de especie.
"Si bien estudios anteriores han proporcionado conocimientos iniciales sobre el papel de los sistemas marinos en el mantenimiento de la diversidad biológica, nuestra investigación no solo se basa en estos hallazgos sino que también introduce nuevas oportunidades para la exploración y utilización sostenible de los océanos, algo que ya era necesario considerando los desafíos globales que enfrenta la sociedad humana en nuestro planeta", dijo el profesor Mock.
"Avanzar en este trabajo con la minería genómica basada en el aprendizaje profundo de los microbiomas oceánicos, combinado con experimentos de laboratorio bioquímicos y biofísicos, muestra un gran potencial para abordar desafíos globales como la escasez de antimicrobianos y la contaminación de los océanos".
"Este enfoque pone de relieve el papel crucial que desempeñan los microbiomas marinos a la hora de mejorar el bienestar humano y promover la sostenibilidad medioambiental".
Este trabajo es parte de la alianza estratégica entre la UEA en Norwich y la OUC en Qingdao que apoya enfoques integradores para avanzar en la ciencia y la tecnología para un océano sustentable.
Los resultados se ha publicado en la revista Nature: Global marine microbial diversity and its potential in bioprospecting
