El papel de Bacteroides en la salud intestinal

Las bacterias del intestino, especialmente las de un grupo llamado Bacteroides, son súper importantes para la salud humana. Nos ayudan a descomponer la comida para obtener energía, producir algunas vitaminas necesarias y mantener a raya los gérmenes dañinos. También apoyan nuestro sistema inmunológico y permiten la comunicación entre el intestino y el cerebro. El intestino humano es rico en microbios diversos, pero principalmente consiste en dos grupos: Bacillota y Bacteroidota.

#Bacteroidota y su Capacidad para Descomponer Comida

Dentro de los Bacteroidota, hay una habilidad especial para digerir azúcares complejos que se encuentran en las plantas y nuestra comida. Usan grupos de genes específicos llamados Loci de Utilización de Polisacáridos (PUL) para detectar, transportar y descomponer esos azúcares. Un PUL típico tiene proteínas que ayudan en este proceso, algunas actúan como transportadores y otras se unen a los azúcares.

Cada PUL está diseñado para manejar diferentes tipos de azúcares, lo que significa que sus expresiones genéticas están cuidadosamente controladas. Dos mecanismos comunes para este control son los Sistemas de Dos Componentes Híbridos (HTCS) y un tipo de factor sigma llamado función extracitoplasmática (ECF). HTCS combina funciones de detección y respuesta dentro de una sola estructura que abarca la membrana celular. Los sensores detectan cadenas cortas de azúcar, lo que desencadena una respuesta que aumenta la transcripción de ciertos genes. Por otro lado, las proteínas ECF están relacionadas con la descomposición de azúcares derivados de nuestros cuerpos.

#El Caso de Bacteroides thetaiotaomicron

Bacteroides thetaiotaomicron es un microbio intestinal muy estudiado por su capacidad de utilizar una amplia gama de polisacáridos. Tiene más de 100 PUL en su composición genética, lo que lo hace especialmente efectivo en descomponer diferentes componentes de alimentos. Aunque mucha investigación se centra en cómo B. thetaiotaomicron utiliza azúcares complejos, se sabe poco sobre su capacidad para manejar moléculas de azúcar más pequeñas, específicamente los oligosacáridos de la familia de la rafinosa (RFO).

Los RFO son azúcares compuestos de glucosa, fructosa y galactosa. Son abundantes en semillas de legumbres como la soya y las lentejas. Los humanos no podemos descomponer los RFO porque nos faltan las enzimas necesarias, pero pueden llegar a nuestros intestinos donde los microbios intestinales, como B. thetaiotaomicron, los utilizan. Estudios recientes muestran que los RFO son beneficiosos para nuestra salud intestinal, ya que promueven el crecimiento de bacterias buenas.

#Entendiendo la Utilización de RFO

Para entender cómo B. thetaiotaomicron procesa los RFO, es crucial explorar qué genes y enzimas están involucrados. Anteriormente descubrimos que un gen específico, BT1871, codifica una enzima llamada α-galactosidasa, que es esencial para descomponer los RFO. Eliminar este gen hace que B. thetaiotaomicron no pueda crecer cuando los RFO son la única fuente de carbono disponible.

En nuestra investigación, encontramos que la efectividad con la que B. thetaiotaomicron utiliza los RFO está limitada por niveles bajos de expresión de BT1871. Identificamos dos tipos de mutaciones que aumentan la actividad de BT1871. Una mutación fue una duplicación del gen BT1871, lo que llevó a un mejor crecimiento en RFO. La segunda implicó una mutación que afecta a un gen llamado BT1876, que regula la expresión de BT1871. Interrumpir BT1876 también aumentó la cantidad de BT1871 producida, lo que resultó en una mejor utilización de los RFO.

B. thetaiotaomicron necesita tanto BT1871 como otras enzimas de un grupo de genes diferente, PUL22, para descomponer completamente los RFO. BT4338, un regulador global para el uso de carbohidratos, también juega un papel en controlar la expresión de BT1871. Esto muestra cómo múltiples elementos genéticos trabajan juntos para mejorar el procesamiento de RFO.

#Duplicación de BT1871 y su Impacto en el Crecimiento

Al estudiar B. thetaiotaomicron, descubrimos que las mutaciones pueden llevar a variaciones en el rendimiento al usar RFO. Por ejemplo, descubrimos que las cepas con una versión duplicada del gen BT1871 tendían a crecer mucho mejor en RFO en comparación con aquellas que solo tenían una copia del gen.

La investigación en otras mutantes proporcionó más información. Realizamos secuenciación genética en diferentes cepas aisladas, lo que reveló que la cepa madre de B. thetaiotaomicron tenía una duplicación de una región genética clave que incluye BT1871. Esta duplicación parece colocar a BT1871 bajo un promotor fuerte, aumentando su expresión.

#Mutaciones en el Factor Anti-Sigma BT1876

Otro hallazgo significativo involucra el gen del factor anti-sigma BT1876. Las mutaciones en este gen llevaron a niveles de expresión más altos de BT1871. Hicimos una eliminación específica en BT1876 para ver si este cambio afectaría el crecimiento en RFO. El resultado mostró una mejora sustancial en el crecimiento en RFO, lo que indica que el factor anti-sigma limita directamente cuánto se produce BT1871.

Experimentos adicionales mostraron que cuando BT1876 fue inactivado, B. thetaiotaomicron pudo utilizar mejor los RFO debido a los altos niveles de BT1871. Las cepas mutantes que faltaban tanto BT1876 como BT1871 tuvieron un rendimiento pobre en RFO, confirmando la importancia de BT1871 en el proceso.

#Otros Factores Genéticos en la Utilización de RFO

Además de BT1871 y BT1876, buscamos identificar otros genes que podrían ayudar en la utilización de RFO. Verificamos otros α-galactosidasas en B. thetaiotaomicron pero descubrimos que ninguno tenía una contribución significativa en la descomposición de RFO.

También investigamos genes fuera de los grupos de genes primarios. Nuestro análisis de ARN identificó numerosos genes que se expresaban diferencialmente al comparar cultivos crecidos en RFO versus glucosa. Notamos que aunque BT1871 no mostró regulación positiva, varios otros genes sí lo hicieron, proporcionando más comprensión de las vías involucradas.

#El Papel de PUL22 en la Utilización de RFO

Nuestros estudios revelaron que otro grupo de genes, PUL22, es crucial para procesar efectivamente los azúcares de los RFO. Cuando mutamos un regulador de genes llamado BT1754 en este grupo, B. thetaiotaomicron experimentó problemas de crecimiento en RFO. Al examinar otros genes en PUL22, descubrimos que trabajaban de manera redundante, permitiendo a B. thetaiotaomicron flexibilidad en la utilización de azúcares disponibles.

En experimentos más detallados, las mutaciones individuales en los genes de sucrasa dentro de PUL22 revelaron que aunque podían actuar independientemente, funcionaban mejor en conjunto para apoyar la descomposición de RFO.

#Regulación Global de los Genes PUL24

Una pregunta clave que surgió fue cómo B. thetaiotaomicron regula la expresión de los genes PUL24, particularmente en respuesta a los RFO. Nos enfocamos en la proteína BT4338, que actúa como un regulador global. Nuestros hallazgos indicaron que BT4338 influye en la actividad de los genes PUL24, especialmente en el contexto de los RFO.

Cuando examinamos el crecimiento de cepas en ausencia de BT4338, observamos obstáculos significativos en el procesamiento de RFO. La conexión entre la actividad de BT4338 y la expresión de los genes PUL24 enfatiza cómo redes enteras de genes cooperan para manejar la descomposición de azúcares complejos.

#Sitios de Iniciación de Transcripción en PUL24

Para obtener más información, analizamos dónde comienza la transcripción en el grupo PUL24 al crecer en RFO. A través de técnicas avanzadas, descubrimos nuevos sitios de inicio de transcripción que respondían a la presencia de RFO, particularmente cuando se eliminó el factor anti-sigma BT1876.

Estos hallazgos indican que diferentes elementos regulatorios controlan cuándo y cómo se expresan estos genes, mostrando una interacción compleja que se ajusta según el entorno microbiano.

#La Importancia de BT1871 en Otras Especies de Bacteroides

Nuestra investigación también cuestionó si los mecanismos de utilización de RFO observados en B. thetaiotaomicron se aplican a otros miembros del grupo Bacteroides. Observamos genes homólogos similares entre varias especies de Bacteroides y confirmamos su participación en la descomposición de RFO.

A través de experimentos, encontramos que las especies con genes similares a BT1871 eran más eficientes en crecer en melibiosa, apoyando la noción de que esta enzima es esencial en varias especies de Bacteroides.

#Conclusión: Implicaciones para la Salud Intestinal y Prebióticos

Este estudio mejora nuestra comprensión de cómo los microbios intestinales como B. thetaiotaomicron descomponen azúcares complejos, enfatizando la importancia de los RFO en nuestra dieta. Al entender la genética detrás de la utilización de azúcares, abrimos puertas a mejores recomendaciones dietéticas y el potencial uso de prebióticos para mejorar la salud intestinal.

Las interacciones entre los diferentes sistemas genéticos en estos microbios muestran una adaptabilidad notable que podría informar futuras investigaciones y aplicaciones en nutrición y salud. El trabajo realizado aquí sienta las bases para estudios continuos sobre los roles de las bacterias intestinales y sus interacciones con nuestras elecciones dietéticas.