Más allá de los microbiomas por Borja Sánchez

Hoy celebramos el Día Mundial del Microbioma. Una fecha, el 27 de junio, que sirve cada año para resaltar la importancia de las comunidades microbianas, no sólo para mantener nuestra salud y la vida tal y como la conocemos, sino para garantizar la sostenibilidad de nuestros ecosistemas y de nuestro propio planeta. Hace 5 años, tuve la suerte de estar en Irlanda en el evento donde se anunció la creación de este día, concebido en 2018 por la UCC y la APC Microbiome Ireland. Su el objetivo es que la población general conozca la importancia de todos los microorganismos a la hora de mantener la salud humana, animal y medio ambiental. El tema inaugural de aquel primer Día Mundial del Microbioma fue “Mind our Microbes”(Cuida nuestros Microbios), y fue anunciado durante la conferencia internacional “Translating the Microbiome” en el INEC de Killarney, Irlanda.

Los microbiomas comprenden el conjunto de microorganismos, junto con sus genomas y el ambiente que les rodea, que se encuentran en un determinado hábitat. Y aunque no lo parezca, el conocimiento sobre esos seres microscópicos (bacterias, arqueas, hongos y virus, principalmente), es una fuente de soluciones para avanzar hacia un futuro sostenible y hacia temas tan importantes como la medicina personalizada. Por eso es crucial que este día mundial exista, y que ayude a crear conciencia sobre la contribución de los microbiomas en nuestras vidas y en la salud del planeta. Por ejemplo, los microbiomas vegetales, principalmente a nivel de la rizosfera, son fundamentales para la fijación de nitrógeno, para el buen desempeño de los cultivos, o para su adaptación a suelos secos. Los microbiomas marinos contribuyen decisivamente al ciclo de la materia orgánica y de los nutrientes, y su conocimiento puede darnos pistas sobre cómo mitigar el cambio climático. Y qué decir del microbioma humano y su implicación en la salud y la enfermedad. La evidencia científica sugiere que ahí, en esos microorganismos que viven en, sobre y dentro de nosotros, residen muchas de las claves a enfermedades cuyo agente o mecanismo causal permanece elusivo. En nuestro microbioma nos esperan nuevas dianas terapéuticas y también terapias que ayuden a instaurar tratamientos menos agresivos.

Es una afortunada casualidad que uno de los galardonados con el premio Princesa de Asturias de Investigación Científica y Técnica en su edición de 2023 sea Jeffrey Gordon, cuyas investigaciones han permitido identificar el enlace entre las alteraciones en las poblaciones de la microbiota intestinal y la obesidad, y también con enfermedades derivadas de la misma como la diabetes. Y su labor ha sido muy relevante porque, si bien se conocen cada vez más enfermedades humanas que cursan con estas alteraciones en la microbiota –denominadas disbiosis-, la causalidad es más difícil de demostrar, y por tanto es más complicado identificar esas nuevas dianas terapéuticas microbianas responsables de efectos clínicos positivos.

Hace un par de semanas escribía una tribuna para un conocido medio de comunicación del Principado de Asturias, al respecto de la labor del premiado Jeffrey Gordon. Más allá de sus contribuciones al establecimiento causal de las relaciones entre la disbiosis intestinal y la enfermedad, me centré en rescatar un trabajo científico que, a mi juicio, representó un punto de inflexión en cuanto al interés que, desde entonces, comenzó a mostrar la comunidad científica internacional hacia el estudio de los microbiomas [1]; no en vano todo lo que pasa en nuestras vidas, ocurre rodeado de microbios. La publicación en cuestión, cuyo título era “The Human Microbiome Project”, proporcionaba los primeros datos de secuenciación masiva de microbiomas humanos. Era de las primeras publicaciones de un consorcio que, financiado por los Institutos Nacionales de Salud de los Estados Unidos, tenía por objetivo establecer una estrategia para comprender los componentes microbianos implicados en todos nuestros procesos genéticos y metabólicos. Su fin último, por tanto, era esclarecer cómo contribuían los microbiomas a la hora de mantener nuestra fisiología normal o a predisponernos para padecer enfermedades.

Una de las principales tecnologías utilizadas en ese proyecto fue la secuenciación masiva de ADN, en dos niveles. En primer lugar utilizando marcadores genéticos como las regiones hipervariables del ADN ribosomal 16S para caracterizar las poblaciones microbianas desde un punto de vista taxonómico, y en segundo lugar a nivel de genomas completos. Es aquí donde surge el concepto de metagenoma, que es el conjunto de los genomas de los microorganismos asociados al cuerpo humano –si hablamos de todo nuestro cuerpo- o de un hábitat particular, como pueda ser el metagenoma intestinal.

Este estudio pionero, unido al progresivo abaratamiento de los costes de la secuenciación masiva, dio el pistoletazo de salida a otra serie de proyectos donde se fueron secuenciando y añadiendo cada vez más genomas, cada vez más genes, como por ejemplo con el proyecto europeo MetaHit (https://cordis.europa.eu/project/id/201052/es). Poco a poco, toda esa información dio lugar a un catálogo de genes microbianos, obtenidos de la integración de los metagenomas obtenidos de los diferentes microbiomas humanos [2]. Este catálogo contiene, a día de hoy, más de 200.000 genomas de unas 4.000 especies diferentes que, en conjunto, aportan 170 millones de genes únicos y diferentes a los 20.000 genes humanos que codifican proteínas. A partir de ahora me ceñiré a las bacterias de nuestro microbioma intestinal, el que alberga mayor número de especies, y en abundancias mucho mayores a otros microbiomas.

Distamos mucho de saber la función de los productos de todos esos millones de genes, es decir las proteínas que codifican. Un servidor se pasó una parte sustancial de su primer postdoc identificando la función de proteínas microbianas que, identificadas experimentalmente mediante espectrometría de masas, eran producidas a partir de un gen hipotético, es decir, una región del genoma bacteriano identificada como gen por las herramientas bioinformáticas, pero de la que no se había encontrado producto proteico. En cierta forma, el auge de la metagenómica está teniendo un efecto parecido, ya que existen numerosas especies de las que se conoce su genoma pero que nunca han sido aisladas, normalmente por su baja abundancia. Estas especies conocidas solo de forma teórica se denominan especies metagenómicas, y esperan por las condiciones de cultivo adecuadas para ser aisladas y propagadas.

Todo ese catálogo de genes puede dar lugar a encontrarse con proteínas muy interesantes, tanto para la fisiología de la bacteria como para conocer mecanismos de interacción molecular con el hospedador. Por ejemplo, el factor de agregación extracelular de Lactobacillus plantarum, identificado en primer término como una proteína hipotética, sin función atribuida, demostró una capacidad específica a la hora de interactuar con el sistema inmunitario humano, a través de una región interna muy rica en los amino ácidos serina y treonina, favoreciendo la homeostasis [3,4]. Esta ingente cantidad de información que está aún por explotar, habla bien a las claras de las potenciales dianas microbianas que, aún por descubrir, podrían ser relevantes a la hora de mantener nuestro estado de salud, y también para predecir, prevenir y tratar un amplio abanico de enfermedades – fisiológicas, metabólicas, inmunológicas, mentales etc.-.

Contribuciones científicas como las del doctor Jeffrey Gordon, nos ayudan a tener un catálogo metodológico para establecer mecanismos causales entre la disbiosis microbiana y enfermedades como la obesidad y la diabetes, y establecen la hipótesis de trabajo de que bien determinados microorganismos, grupos de ellos, o microbiotas completas pueden ser utilizados con fines terapéuticos. También abre el abanico a utilizar componentes precisos de estos microorganismos, moléculas concretas que sean responsables del efecto positivo que se busque. Finalizaba aquella tribuna que mencionaba antes, indicando la posibilidad de utilizar nuestros propios microorganismos para tratar y corregir enfermedades de diferente tipo, pero advirtiendo que teníamos por delante retos tecnológicos, como i) ser capaces de conservar esos microorganismos cuando tenemos un buen estado de salud, y ii) poder cultivarlos, propagarlos y suministrarlos, ya que suelen ser microorganismos con alta sensibilidad al oxígeno.

Fue justamente esta observación la que, allá por el año 2016, hizo que cinco científicos del IPLA-CSIC entre los que me cuento, nos decidiésemos a fundar una empresa de base tecnológica diferente, porque centraba su modelo de negocio en el almacenamiento de microbiotas a largo plazo que, manteniendo su viabilidad, pudieran utilizarse para generar productos y terapias en forma de probióticos/consorcios personalizados en el marco de la medicina de precisión (Microviable Therapeutics; https://www.microviable.com). Y por eso el título de este artículo alude a ir “Más allá de los microbiomas”. Porque ya tenemos sus genomas, sus metabolitos, conocemos sus moléculas y tenemos cada vez más evidencia de su relación con la salud y la enfermedad, pero debemos seguir dando pasos firmes en el uso personalizado de estos microorganismos con fines terapéuticos y también preventivos.

Pero todas estas aplicaciones pasan por conseguir almacenar, conservar, reactivar y propagar todos esos microorganismos con potencial terapéutico, que además de su interés clínico y biotecnológico suelen reunir dos características, i) ser específicos de cada una de las personas a nivel de cepa –puede haber numerosas variaciones a nivel de genes entre cepas de la misma especie- y ii) ser por lo general muy sensibles a la presencia de oxígeno, lo que los hace difícilmente manipulables a nivel industrial. Un caso relevante es el de la bacteria Akkermansia muciniphila, que ha sido recurrentemente asociada con efectos beneficiosos sobre la salud del hospedador. Es una bacteria muy sensible al oxígeno, muy difícil de estabilizar viable en un producto final, y cuya administración como suplemento alimenticio fue aprobada el pasado año en BeNeLux en forma pasteurizada, evitando así problemas con su estabilidad y con su elevada sensibilidad al oxígeno (https://acortar.link/R2DPFg). Es solo un uso, pero para otros puede ser necesario que la bacteria recolonice el hábitat del que fue aislada y, por tanto, debe mantenerse viable durante todo el proceso.

En un artículo de opinión muy reciente [5], se ha sugerido que cada persona podría almacenar sus muestras de microbiota intestinal en una etapa temprana y saludable de la vida, cuando la microbiota ya se encuentra estabilizada. El objetivo pasaría por usar sus propias muestras para, más adelante en la vida y siempre que fuera necesario, utilizarla para alguna de las terapias en forma de trasplante de microbiota fecal (FMT) autólogo, como fuente de probióticos/consorcios personalizados, o bien como suministro de sus moléculas/metabolitos. Esto tiene sentido ya que, como he indicado anteriormente, cada uno de nosotros posee una microbiota intestinal específica, y si bien se comparte una estructura relativamente constante en cuanto a los grandes grupos microbianos, existen variaciones interindividuales entre las cepas que contenemos, y eso puede significar cientos o miles de genes diferentes en un metagenoma. Y probablemente me quede corto. La aplicación de un probiótico genérico o del FMT heterólogo no parecen soluciones óptimas para la medicina personalizada, ya que si a mayores de la especificidad de nuestra microbiota, añadimos la multitud de factores genéticos y ambientales implicados en las diferentes enfermedades, todo sugiere virar hacia un uso de los microorganismos aislados del propio individuo. En palabras de los autores, el uso de poblaciones microbianas propias como fuente de FMT autólogo o como fuente de microorganismos/moléculas/metabolitos personalizados para restaurar los ecosistemas microbianos intestinales a un estado anterior y más saludable es, y cito textualmente, «una forma de rejuvenecer el microbioma intestinal humano«.

Justamente fue esa conciencia de impulsar el almacenamiento de microorganismos a largo plazo, el que propició el nacimiento de Microviable, y me consta que a día de hoy sigue impulsando una parte sustancial de la actividad científica de su grupo de investigación madre, del que me encuentro en excedencia. A día de hoy, persisten toda una serie de cuestiones prácticas y tecnológicas necesarias para implementar ese proceso a escala industrial, desde el almacenamiento y la conservación de la microbiota a largo plazo hasta cómo reactivar los cultivos y propagarlos, pasando por modificar las microbiotas de forma dirigida. Al tratarse de microorganismos extremamente sensibles al oxígeno, que mueren ante la más mínima exposición a una atmósfera normal, es fundamental conseguir mantener la anaerobiosis durante todo el proceso de manipulación de la muestra. De hecho, este es el paso con mayor impacto en la viabilidad y diversidad de la microbiota fecal recuperada en el laboratorio cuando se compara con las muestras originales expuestas a una concentración normal de oxígeno [6]. Por ello, limitar la exposición al oxígeno junto con la optimización de las metodologías de criopreservación son pasos críticos para desarrollar productos, servicios y terapias personalizadas basadas en el almacenamiento de la propia microbiota [7].

Por tanto, es hora de ir más allá de los microbiomas. La cantidad de datos científicos acumulados sobre la implicación de la disbiosis intestinal con la salud y la enfermedad, unidos al conocimiento de la variedad y especificidad interindividual de nuestros microbiomas, hacen que éstas sean fuente de potenciales tratamientos personalizados, o marcadores de salud y enfermedad. Y quién sabe si de más cosas, porque el doctor Carlos López Otín identifica la disbiosis como uno de los procesos distintivos del envejecimiento y del cáncer [8,9].

Concluyo con una curiosidad. Hace un año publicaba un artículo con la AEAC en el que señalaba la correlación entre el Premio Princesa de Asturias y los Premios Nobel [10]. Correlación no implica causalidad, pero probablemente estemos más cerca de que el preciado galardón internacional vaya a parar a manos de alguno de los grupos de investigación que más han contribuido a nuestro conocimiento sobre todas nuestras comunidades microbianas. Ese día actualizaremos lo escrito en este artículo.

¡Feliz Día Mundial del Microbioma!

1. The Human Microbiome Project. https://www.nature.com/articles/nature06244
2. A unified catalog of 204,938 reference genomes from the human gut microbiome. https://www.nature.com/articles/s41587-020-0603-3
3. An extracellular Serine/Threonine-rich protein from Lactobacillus plantarum NCIMB 8826 is a novel aggregation-promoting factor with affinity to mucin. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23892754/
4. Microbiota/host crosstalk biomarkers: regulatory response of human intestinal dendritic cells exposed to Lactobacillus extracellular encrypted peptide. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22606249/
5. Rejuvenating the human gut microbiome. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1471491422001137
6. Application of density gradient for the isolation of the fecal microbial stool component and the potential use thereof. https://www.nature.com/articles/srep16807
7. Filling the gap between collection, transport and storage of the human gut microbiota. https://www.nature.com/articles/s41598-019-44888-8
8. Hallmarks of aging: An expanding universe. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36599349/
9. Meta-hallmarks of aging and cancer. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36599298/
10. https://aeac.science/articulo/la-conexion-entre-los-premios-princesa-de-asturias-y-los-premios-nobel/

Borja Sánchez es Investigador en excedencia del Instituto de Productos Lácteos de Asturias del Consejo Superior de Investigaciones científicas (IPLA-CSIC), Consejero en funciones de Ciencia, Innovación y Universidad del Gobierno del Principado de Asturias y Socio Promotor y ex-Secretario General de la AEAC.