La Ciencia explicada: Alimentando a los inquilinos

Las bacterias que viven en el tracto digestivo de todos los mamíferos, son fundamentales para la buena salud de sus portadores; sin embargo, los factores que determinan la composición y estructura de sus comunidades son poco entendidos. Aunque hay evidencia de que la dieta juega un papel importante, la enorme complejidad de las comunidades naturales, y la variación en los estilos de vida de sus portadores, limitan seriamente nuestra capacidad de entender el fenómeno; con esto en mente, Faith et al. (2011), utilizaron comunidades bacterianas sintéticas y sencillas en ratones gnotobióticos, sometidos sistemáticamente a variaciones en su dieta, y desarrollaron un modelo matemático que permite predecir los cambios en estas comunidades artificiales.

Un organismo gnotobiótico, es aquél no tiene una microbiota asociada, lo cuál se logra manteniéndolos en un ambiente completamente estéril desde el nacimiento. Estos animales pueden ser inoculados con con bacterias o combinaciones de bacterias específicas para estudiar su efecto de forma aislada. Los científicos eligieron 10 bacterias conocidas, que representan los grupos taxonómicos normalmente encontrados en el tracto digestivo de ratones salvajes, e inocularon a varios ratones con una comunidad sintética, formada por estas diez bacterias, que es mucho más sencilla que las comunidades que se encuentran de manera natural que suelen estar conformadas por cientos de especies bacterianas.

Los ratones inoculados con esta comunidad artificial, fueron sometidos sistemáticamente a varias dietas de forma consecutiva y en diferentes secuencias, y se midió la abundancia de cada una de las diez especies bacterianas, en respuesta a cada una de las dietas. Las dietas estaban formadas por una combinación de 4 elementos en diferentes concentraciones: caseina, que es una proteina y sirve de fuente de aminoácidos y nitrógeno; aceite de maíz, como fuente de grasas; almidón, que es un carbohidrato complejo; y sacarosa, que es un carbohidrato simple.

Los científicos desarrollaron un modelo matemático basado en la regresión lineal, para predecir la abundancia de cada uno de los diez organismos en la comunidad original de acuerdo a la dieta. El modelo fue entrenado con dos terceras partes de los datos, y el tercio restante fue usado para evaluar la calidad del modelo, que logró explicar el 60% de la varianza. Para confirmar la calidad de las predicciones, se diseñaron 6 nuevas dietas con los mismos ingredientes básicos y se utilizó el modelo entrenado con las primeras dietas para predecir el efecto de las 6 nuevas sobre la comunidad microbiana, y la calidad de las predicciones fue casi idéntica, y lo mismo se observó cuando se usaron ocho nuevos ingredientes comunes en la dieta humana.

Efecto de ingredientes complejos en la abundancia de una bacteria.

Para identificar cual de los componentes de la dieta tienen mayor peso en determinar la abundancia de las 10 especies bacteriana utilizadas, se utilizó una técnica automatizada de selección de variables, que determinó que la caseína es el único ingrediente significativamente asociado a los cambios en abundancia en todas las bacterias, para 7 tiene un efecto positivo y para 3 un efecto negativo.

Correlación entre la concentración de caseína y 2 bacterias

La hipótesis que está detrás de todos estos experimentos, es que diferentes organismos realizan diferentes funciones dentro del tracto digestivo, y que modificando composición de la comunidad, se altera la capacidad metabólica total. Los investigadores midieron qué genes bacterianos se encuentran activos, y su grado de actividad, y encontraron que en las bacterias cuya abundancia está positivamente correlacionada con la concentración de caseina, los genes para la utilización de aminoácidos están mucho más activos que en las otras tres bacterias. Esto sugiere que la comunidad responde a la presencia de diversos compuestos en el medio para optimizar el uso de los nutrientes; además, la disminución en la abundancia que se observa en tres bacterias cuando aumenta la caseina, indica que ocurren interacciones de competencia con los otros miembros de la comunidad.

En resumen, este estudio muestra el poder de usar modelos simplificados, para aislar el efecto de cada una de las variables, con la limitante que implica la dificultad de extrapolar las conclusiones a sistemas naturales. Los investigadores lograron demostrar que la dieta es un factor muy importante en el ensamblaje de la comunidad bacteriana en el tracto digestivo, pero quedan abiertas preguntas sobre el papel del organismo portador en este proceso. Aunque anteriormente se ha demostrado que la microbiota de los ratones afecta decisiones sobre que toma sobre su alimentación, no hay evidencia hasta la fecha de que el organismo portador modifique directamente la comunidad bacteriana en respuesta a un estímulo ambiental.

Referencias: