La última década ha revolucionado el estudio de las relaciones simbióticas entre las bacterias intestinales y sus huéspedes animales, incluidos los humanos, ya que se ha descubierto que estos microbios influyen en la salud y la enfermedad. Sin embargo, a pesar del tremendo progreso que se ha logrado, los mecanismos por los cuales los microbios que viven en el intestino interactúan con nuestras funciones corporales no se comprenden bien. Un estudio publicado recientemente por científicos del Instituto de Ciencias Weizmann reveló un mecanismo regulador fundamental basado en una estrecha relación entre las bacterias intestinales y la producción de energía del huésped en un modelo de mosca de la fruta. Estos resultados proporcionan una explicación unificadora de los diversos efectos mecanicistas de las bacterias intestinales y explican el conocido compromiso entre supervivencia y reproducción.
Trabajo previo para un grupo Yoav Swain Desde el Departamento de Ciencias Biomoleculares, se informa de una relación sorprendente entre las bacterias intestinales y la ovogénesis, la producción o el desarrollo de óvulos (óvulos) en los ovarios. En el estudio actual, dirigido por la Dra. Yulia Gninsky en colaboración con el Dr. Sergey Malitsky y el Dr. Maxim Aitkin del Departamento de Instalaciones Básicas para las Ciencias de la Vida, los investigadores buscaron comprender exactamente cómo las bacterias intestinales ejercen su influencia de gran alcance en el sistema reproductivo. Al reclutar a Drosophila para su causa, encontraron que este efecto está mediado por factores derivados de bacterias que regulan tanto la producción de energía en el cuerpo del huésped como el gasto de energía en varias funciones del huésped. Esto implica regular el desarrollo y la función del sistema reproductivo mediante la circulación de metabolitos bacterianos necesarios para la respiración celular en las mitocondrias.
Profesor Yoav Swain: «Descubrimos un mecanismo fundamental de regulación bacteriana de la actividad mitocondrial en todo el cuerpo huésped».
La mitocondria, generalmente conocida como el «centro de poder» de la célula, es un orgánulo eucariota que media el proceso de respiración celular. A menudo se encuentran en cientos o incluso miles de copias en la mayoría de las células del cuerpo, las mitocondrias son nuestra principal fuente de producción de ATP, la principal moneda de energía de todos los seres vivos. La producción de ATP en las mitocondrias depende de coenzimas clave, como FAD. Las coenzimas suelen estar hechas de vitaminas que actúan como moléculas precursoras. Un precursor de la biosíntesis de FAD, por ejemplo, vitamina B2 (riboflavina). Sin embargo, al igual que los humanos y otros animales, la mosca no puede producir vitaminas B por sí sola, por lo que la provisión de vitaminas como la riboflavina debe ser «subcontratada», a la dieta o la microbiota intestinal (o ambas). Las vitaminas B y otros productos metabólicos de las bacterias intestinales se absorben en el intestino y posteriormente se distribuyen a numerosos lugares del cuerpo.
Si bien se esperaría que la importancia de las vitaminas bacterianas aumentara cuando un huésped está desnutrido, los investigadores plantearon la hipótesis de que el suministro bacteriano de vitaminas B también podría regular la función mitocondrial en las células del huésped bajo una variedad de condiciones nutricionales estándar. Para probar su hipótesis, eliminaron todas las bacterias intestinales de las hembras de la mosca de la fruta, dejándolas libres de gérmenes, y observaron una deficiencia de FAD, lo que resultó en una reducción de la actividad mitocondrial, una disminución de la producción de ATP y una leve pérdida de peso. Se observó una atenuación significativa de la actividad mitocondrial en los ovarios, particularmente en las células foliculares del ovocito en desarrollo. Para determinar si la ovogénesis suprimida fue causada por la atenuación de la actividad mitocondrial en el ovario, los investigadores suprimieron la expresión de ciertos genes mitocondriales en las células del folículo ovárico, esta vez sin eliminar la microbiota intestinal. Descubrieron que interrumpir la función mitocondrial de estas células era suficiente para impedir significativamente la formación de óvulos. De hecho, este efecto fue similar al observado en moscas libres de gérmenes. Además, la recolonización de moscas hembras libres de gérmenes con bacterias intestinales (o, alternativamente, complementando sus dietas con riboflavina), restauró la función mitocondrial en las células del folículo, elevó los niveles de ATP en los ovarios y en todo el cuerpo y aumentó la producción de ovocitos. La relación causal entre el metabolismo de las bacterias intestinales y la producción de energía del hospedador fue respaldada además por las mediciones de los niveles de ATP y el peso total de los machos de moscas.
Es probable que el eje de la regulación bacteriana y mitocondrial se encuentre en diferentes especies animales.
«En nuestros esfuerzos por dilucidar el efecto ‘distante’ de las bacterias intestinales en el sistema reproductivo, hemos descubierto un mecanismo esencial de regulación bacteriana de la actividad mitocondrial en todo el cuerpo huésped», explica el profesor Swain. «Como se ha señalado en repetidas ocasiones, la relativa simplicidad del modelo de Drosophila lo hace particularmente eficaz para descubrir los procesos elementales que caracterizan a todos los seres vivos, incluidos los humanos. Como los mecanismos básicos de producción de energía están altamente conservados evolutivamente, esperamos que el eje de regulación también se encontrarán bacterianas y mitocondriales para su aplicación a muchas otras especies «.
Los resultados de este estudio también proporcionan una explicación mecanicista del conocido compromiso entre supervivencia y reproducción. Varias condiciones estresantes (incluida la desnutrición) requieren una baja inversión en el proceso de reproducción que consume mucha energía, para permitir que el cuerpo maneje los factores estresantes. La relación causal entre una deficiencia de vitaminas tipo B (y sus coenzimas derivadas) y la supresión predominante de la actividad mitocondrial en el ovario prioriza el gasto de energía sobre los procesos que aseguran la supervivencia reproductiva. «Aunque solo demostramos la reasignación mecánica de la energía en moscas libres de gérmenes, esperamos que se aplique en una amplia gama de escenarios», dice el Dr. Gnainsky.
En conjunto, estos hallazgos revelan un importante eje de impacto mitocondrial microbiano, que vincula a las bacterias intestinales con la regulación sistémica de la energía y la reproducción del huésped. El hecho de que la mitocondria sea un orgánulo genéticamente distinto que se cree que se deriva de bacterias antiguas constituye una imagen intrigante de la cooperación entre las bacterias intestinales y sus «madres primitivas», las mitocondrias.
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