Jennifer Doudna, co-desarrolladora de CRISPR edición del genoma basado en CRISPRy Jill Banfield, pionera de genoma,-resuelto metagenómica, encabezan el nuevo Iniciativa de Berkeley para la edición optimizada de microbiomas (BIOME) en el IGI. Pero, ¿qué es exactamente un microbioma? ¿Qué significa editar uno y por qué querrías hacerlo? Para ayudar a explicar por qué el instituto está tan entusiasmado con esta nueva línea de investigación, queríamos dar un paso atrás y presentar a los lectores estos conceptos, con la ayuda de Ben Rubin y berro brady, dos IGI BIOMA IP.
Para obtener más información sobre esta serie, consulte Metagenómica 101 con otro BIOME PI, spencer diamante.
¿Qué es un microbioma? ¿Dónde se encuentran?
Un microbioma es una comunidad de microorganismos - bacterias fotosintéticas, arqueas, unicelular hongos virus, y otros microbios, que viven y trabajan juntos en un entorno particular.
"No es solo que estén en el mismo lugar”, explica Rubin. “Pero sus propiedades como un todo son mayores que la suma de las partes”.
Los microbiomas se encuentran en todo tipo de lugares: en el agua, el suelo, sobre y dentro de animales y plantas, y a menudo brindan servicios importantes al ecosistema o al organismo huésped.
¿Qué importancia tienen los microbiomas para nuestra salud?
“Uno de los ejemplos en los que pensamos mucho es la colección de microorganismos en el intestino”, dice Rubin. “Tienen un tremendo impacto en todo, desde su peso hasta su desarrollo neurológico”.
En total, hay al menos tantas células microbianas en el cuerpo humano como células humanas, y tienen un impacto en nuestro cuerpo, algunas positivas, otras negativas. Hasta la fecha, la investigación correlaciona la composición del microbioma intestinal humano con enfermedades cardiovasculares, obesidad, asma, alergias y trastornos neurológicos como la enfermedad de Alzheimer. El microbioma de la boca influye no solo en la salud oral, sino también en la salud cardíaca, y las diferencias en el microbioma de la piel están relacionadas con infecciones e inflamación.
“El punto clave es que estos microbios interactúan ampliamente entre sí y también interactúan con muchos tejidos humanos y células humanas. Hasta la fecha, muchos estudios sobre microbiomas se han centrado realmente en las correlaciones de las enfermedades con la composición de un microbioma. En otras palabras, investigar qué microbios están presentes y cómo eso afecta la salud”, dice Cress. “El campo ha formulado muchas hipótesis, pero hasta ahora no hay muchas herramientas genéticas realmente buenas para probar estas hipótesis. Entonces, sabemos que el microbioma seguramente afectará nuestra salud en gran medida, pero necesitamos desarrollar más formas de comprenderlo y afectarlo”.
Uno de los primeros objetivos de BIOME es comprender mejor el papel del microbioma intestinal en el asma infantil en colaboración con Sue Lynch, directora del Benioff Center for Microbiome Medicine en UCSF. El asma infantil afecta a 300 millones de niños en todo el mundo, particularmente en países de ingresos bajos y medianos, y la investigación de Lynch ha encontrado un fuerte vínculo entre bacterias específicas en el microbioma intestinal y el desarrollo del asma.
¿Dónde más juegan un papel importante los microbiomas?
Los microbiomas del suelo son un foco clave de la investigación del IGI debido a la conexión con el almacenamiento de carbono en el suelo y la liberación de potentes gases de efecto invernadero, como el metano. BIOME está trabajando en el desarrollo de herramientas genéticas para editar los genomas de los microbios del suelo a fin de aumentar el secuestro de carbono biológico y reducir la liberación de metano como parte de la investigación de IGI sobre agricultura neta cero.
Los microbios del suelo no son los únicos que liberan metano: los microbios en los intestinos del ganado son la fuente más grande de emisiones de metano generadas por humanos. De hecho, la mayoría de las emisiones de metano hechas por el hombre se originan en microbiomas, incluso en arrozales, lagunas de desechos y vertederos.
Los microbiomas también juegan un papel en la biorremediación y la bioproducción.
“Una comunidad microbiana muy importante se encuentra en el tratamiento del agua”, dice Rubin. “Tanto para el tratamiento de aguas residuales como para el tratamiento de agua potable”. Otros ejemplos de biorremediación microbiana incluyen la descomposición del petróleo en derrames de petróleo y la reducción de la contaminación por metales pesados en los suelos.
“En términos de bioproducción, estamos trabajando con el Instituto Conjunto de Bioenergía en la producción de combustible y otros productos valiosos a partir de biomasa utilizando comunidades microbianas”, dice Rubin. “La industria alimentaria también utiliza microbiomas. Todos los alimentos cultivados en los que piensas (yogur, queso, kimchi) tienen un papel en el microbioma”.
¿Qué herramientas tenemos ahora mismo para cambiar un microbioma?
En este momento, nuestra principal herramienta para modificar los microbiomas son los antibióticos. Si bien son una clase de medicamentos críticos y que salvan vidas, son "una herramienta contundente", dice Cress. Los antibióticos acaban con poblaciones enteras de bacterias.
“Es como golpear con un mazo al microbioma”, dice Rubin. “Pero la salud suele ser más complicada que eso. Por lo general, no es solo la presencia lo que es malo o la ausencia lo que es bueno, sino que así es como los antibióticos afectan a un microbioma”.
También ha habido un interés considerable en los probióticos para tratar de influir en los microbiomas. Los probióticos suelen ser suplementos que contienen "bacterias buenas" que se utilizan con el objetivo de promover nuestra salud. A menudo, los probióticos tienen poco impacto ya que no están integrados en la comunidad microbiana, sino que son más como visitantes de paso.
Trasplantes fecales se han utilizado con éxito para tratar infecciones difíciles resistentes a los antibióticos, pero es posible que no sean aplicables en muchas otras indicaciones. "Aquí es donde se usa la materia fecal de un ser humano para reemplazar y repoblar el microbioma de otro ser humano que padece una enfermedad asociada con el intestino", explica Cress. "Al igual que con los probióticos, existe una eficacia limitada y muchos de los mismos problemas: no está claro cómo asegurarse de que los microbios que se transfieren de un ser humano a otro realmente persistan y confieran los mismos efectos beneficiosos sobre la salud intestinal". Los trasplantes fecales también presentan algunos riesgos para la seguridad y la adopción puede ser un desafío.
¿Qué es la edición de microbiomas de precisión?
El equipo de BIOME se centra en desarrollar tanto herramientas como aplicaciones del mundo real en la edición precisa de microbiomas. La edición precisa del microbioma es el uso de herramientas de edición del genoma para editar el los genes de microbios mientras se encuentran en su entorno natural, es decir, dentro de un microbioma.
“Estamos construyendo herramientas para poder implementar un control realmente preciso de estas comunidades”, dice Rubin. “Tenemos un par de objetivos principales para este conjunto de herramientas. Una es entender realmente mejor a las comunidades. Como mencionó Brady, tenemos muchas conjeturas sobre genes importantes para la función del microbioma. Pero tenemos pruebas limitadas, porque no tenemos las herramientas para probar estas conjeturas. El otro objetivo clave es realizar cambios en los genomas para mejorar la salud, disminuir las emisiones del ganado u obtener otros resultados que queremos”.
A diferencia de un antibiótico, la edición del genoma es muy precisa, capaz de apuntar no solo a un microbio específico en una comunidad, sino a una parte específica de un gen específico dentro de ese microbio. Por ejemplo, si una especie de bacteria en un microbioma intestinal está produciendo un compuesto que crea inflamación, una terapia de edición del genoma podría eliminar el gen que codifica ese compuesto, o editar el gen a un estado más saludable conocido, dejando el resto de el microbioma solo.
¿En qué está trabajando el equipo de BIOME en este momento?
“Nuestro trabajo inicial de prueba de concepto ha demostrado que en realidad podemos usar las herramientas que hemos desarrollado para realizar una edición específica dentro de un microbioma natural complejo”, dice Cress.
Esto permitirá que el equipo comprenda la función de los genes dentro de esa comunidad al medir el efecto de un gen roto.
“También hemos demostrado que podemos usar la edición dirigida para ejercer control dentro de un microbioma. Entonces, por ejemplo, podemos ingresar a un microbioma y colocar una etiqueta molecular en un tipo específico de bacteria dentro de ese microbioma, y podemos usar esa etiqueta para aumentar la cantidad de esa bacteria en relación con el resto de los miembros de la comunidad”, dice Cress. . "Y, de hecho, hemos demostrado que podemos hacer esto en una especie estrechamente relacionada con muchas otras cepas en la misma comunidad, destacando el nivel de precisión que logramos".
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