Deconstruyendo la microbiología mordisco a mordisco
Conversaciones con microbios
Microbio A: ¡Oye, ‘B’! Mira quién está aquí.
Microbio B: ¡Oh, se parecen a nosotros! ¿Crees que van a competir contra nosotros?
Microbio C: Creo que no son nuestros competidores. En cambio, están imitando la competencia entre nosotros.
Microbio A: ¿Qué quieres decir?
Microbio C: Como dijo ‘B’, mira lo parecidos que son a nosotros. Sin embargo, hay algo artificial en ellos… Parece que alguien los hizo parecerse a nosotros y actuar como nosotros.
Microbio B: ¿Puedes explicar más?
Microbio C: Sabes cómo disfrutamos creando recursos para los demás. Tú haces acetato, ‘A’ hace propionato, y me encanta usar estos dos compuestos para hacer butirato.
Microbio A: ¡Sí! ¡Y te amamos por eso!
Microbio C: ¡Gracias! Pero a veces queremos los mismos recursos y tenemos que competir por ellos.
Microbio B: Esa no es una interacción agradable.
Microbio C: Las bromas amistosas, el cuidado mutuo, nuestra vida en nuestro entorno. Esta otra comunidad artificial está tratando de imitar nuestro cuidado mutuo y también nuestras bromas amistosas.
Microbio A: ¿Por qué harían eso? ¿Por qué no hacen su propia comunidad?
Microbio B (con una sonrisa de satisfacción): Sabes, el otro día escuché a estas personas gigantes hablar sobre cómo quieren entender nuestras interacciones. ¡eh! Parece que todavía no se han dado cuenta.
Microbio A: ¡Ja! Lo que significa que somos buenos para ocultar nuestro intercambio.
Microbio B. ¡Claro que lo somos! Oye, C, ¿crees que la gente gigante tiene algo que ver con esta comunidad artificial?
Microbio C: ¡Bingo! Creo que tiene todo que ver con la gente gigante. Todavía están tratando de descifrarnos. Creo que están en el camino correcto.
Microbio A: ¿Cómo es eso?
Microbio C: Sabes, mi amigo gigante ha escrito sobre eso. ¡Vamos a averiguar!
Si bien es posible que los microbios no usen palabras para hablar entre sí, todavía tienen “conversaciones” entre ellos pues comparten recursos y compiten entre sí por los nutrientes. Se requiere un conjunto mínimo de nutrientes para lograr las interacciones esenciales entre los microbios. Científicos han demostrado que cada microorganismo tiene un requerimiento nutricional definido. Por lo tanto, pueden diseñar un “cóctel de microbios”, si conocen el requerimiento nutricional de cada microbio en ese cóctel. Este es un trabajo que requiere mucho tiempo porque los investigadores necesitan encontrar un conjunto exacto de nutrientes en un entorno y relacionarlo con los microbios. Dada la plétora de nutrientes disponibles en los entornos naturales (intestino, sedimentos, suelo, etc.), se pueden realizar infinidad de experimentos de laboratorio, lo que dificulta la vida del investigador. Para facilitar su trabajo, se pueden usar simulaciones y algoritmos computacionales para predecir la combinación de nutrientes y microbios que vale la pena explorar en los laboratorios.
Microbio A: Tiene mucho sentido. ¿Qué tipo de algoritmos utilizan los gigantes?
Microbio C: Usan algo llamado algoritmos genéticos , que se basan en las leyes básicas de la evolución. Vamos a ver si encuentran algo.
Los investigadores (Pacheco AR, Segrè D) decidieron utilizar una combinación de simulaciones matemáticas y algoritmos genéticos para buscar entre la plétora de nutrientes y encontrar la combinación adecuada de microorganismos. Primero, encontraron los parámetros para la búsqueda de nutrientes ejecutando simulaciones en alrededor de 6000 combinaciones de comunidades microbianas (13 especies microbianas) y composiciones ambientales. Al final de cada simulación, se contó el número de microbios diferentes. Los investigadores notaron que cada simulación condujo a una composición microbiana diferente y 6 microbios sobrevivieron en al menos 1 entorno. Para probar qué tan sensibles son estos microbios, los investigadores simularon cambios en los entornos variando dos o más nutrientes. Observaron que cambios en el medio ambiente, tanto grandes como pequeños, provocan una variación extrema en la abundancia de los microbios. Esto significa que incluso pequeñas variaciones en el entorno podrían provocar la perturbación de un microbioma.
Después de determinar un conjunto de entornos que pueden sustentar a la mayoría de los microbios, los investigadores utilizaron este conocimiento para determinar un conjunto de nutrientes que podrían conducir a la supervivencia de comunidades microbianas específicas. Aplicaron un algoritmo genético para seleccionar ciertas composiciones ambientales (P) y calcularon una puntuación para cada ambiente en función de la distribución de los recuentos de cada una de las 13 especies microbianas (Figura 1). Los investigadores seleccionaron los n entornos principales y luego usaron esas composiciones para generar los entornos P-n restantes (Figura 1). Aplicaron el algoritmo genético nuevamente a este nuevo conjunto de entornos y asignaron la puntuación. Los investigadores repitieron este proceso hasta que llegaron al conjunto final de entornos que permitieron la distribución más uniforme de microbios, lo que significa que todos los microbios estaban presentes en cantidades equivalentes.
Para probar la eficiencia de este algoritmo, los científicos lo aplicaron a composiciones con cantidades desiguales de microbios. Por ejemplo, en un entorno natural se suele encontrar una distribución desigual de microbios. Para tal entorno, los investigadores encontraron que se requerían menos ejecuciones de algoritmos. La composición de nutrientes de dicho entorno estuvo dominada por un conjunto de nutrientes muy abundantes, lo que significa que la disponibilidad de solo unos pocos nutrientes impulsa la abundancia de microbios. Esto también podría significar que los microbios intercambiaron una gran cantidad de nutrientes entre ellos, lo que aumentó la abundancia de los microbios vecinos.
Microbio A: ¡Eh! Parece que la gente gigante pronto va a descifrar nuestro secreto.
Microbio C: Sí, parece que están en el camino correcto. Pero siento que deberían validar su algoritmo con nosotros. ¡Tal vez deberíamos reunirnos todos para tomar un café alguna vez!
Microbios todos juntos: ¡De acuerdo!
Link to the original post: Alan R. Pacheco and Daniel Segre, An evolutionary algorithm for designing microbial communities via environmental modification, Journal of the Royal Society Interface, June 2021
Imagen principal: Realizada por el autor
Traducido por Julián E. Prieto-Vivas
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